Ghid pentru transformatoarele Zig-Zag

 

Acest ghid oferă o prezentare cuprinzătoare a transformatoarelor în zig-zag-configurații speciale-de înfășurare utilizate pe scară largă pentru împământare, atenuare armonică, îmbunătățirea calității energiei și conversia energiei ca-cc în sistemele electrice moderne. Ghidul acoperă principiile fundamentale de funcționare, caracteristicile tehnice, considerentele de proiectare, compararea cu scheme alternative de împământare și scenarii detaliate de aplicare, inclusiv împământarea neutră a sistemului, anularea armonicilor și sistemele integrate de conversie a puterii. Ghidul include, de asemenea, considerații practice pentru selecție, dimensionare, protecție și conformitate cu standardele relevante, cum ar fi IEEE C57.105 și IEC 60076.

Sistemele electrice moderne trifazate funcționează adesea cu transformatoare secundare conectate în triunghi-, cărora le lipsește un punct neutru natural pentru împământare. Mai larg, sistemele trifazate-neîmpământate-fie din configurații delta sau din alte surse-prezintă provocări operaționale semnificative, inclusiv absența unei referințe de împământare definite, riscul de supratensiuni tranzitorii în timpul defecțiunilor de la linie-la-la pământ și dificultăți în detectarea și localizarea defecțiunilor. Transformatorul în zig-zag (cunoscut și ca transformator-în stea sau de împământare interconectat) a fost dezvoltat pentru a face față acestor provocări.

Un transformator în zig-zag este un transformator special-cu o configurație de înfășurare în care fiecare ieșire este suma vectorială a două faze compensate cu 120 de grade . Fiecare membru al miezului magnetic este împărțit în două secțiuni de înfășurare înfășurate în direcții opuse, iar bobinele sunt interconectate în diferite faze pentru a crea un efect de anulare pentru curenții echilibrați, permițând în același timp curenților cu secvență zero-să circule liber prin conexiunea neutră.

În timp ce împământarea neutră este cea mai proeminentă aplicație, transformatoarele zig-zag s-au transformat într-o platformă versatilă care servește mai multe funcții: oferind o cale de-impedanță scăzută pentru curenții de defect-la pământ, suprimarea armonicilor triple, echilibrarea curenților de sarcină și servind ca componentă integrală în sistemele unificate de conversie a puterii ca-dc.

 

 

 

Deși aranjamentul intern poate părea complicat, principiul de funcționare este guvernat în mod fundamental de legea lui Ampere-balanța magnetică între înfășurările de pe același miez dictează că curentul care circulă într-o înfășurare trebuie să fie însoțit de curentul corespunzător în celălalt înfășurare de pe acel membru.

2.2 Analiza fluxului de curent în condiții de eroare

Pentru a aprecia modul în care sunt activați curenții de secvență zero-, luați în considerare o defecțiune de la linie-la-împământare pe o fază a unui sistem fără împământare. Aranjamentul înfășurării-conectate transversal creează o cale interdependentă de propagare a curentului. Curentul care curge în sus din punctul neutru prin înfășurarea inferioară a fazei A trece prin înfășurarea superioară a fazei C către conexiunea la rețea. Acest lucru induce un curent corespunzător în înfășurarea inferioară a fazei C, care la rândul său se propagă la rețea prin faza B. Secvența continuă să implice toate cele trei faze. Observația critică este că toți curenții din înfășurările superioare, înfășurările inferioare și conexiunea la pământ sunt în fază unul cu celălalt, identificându-i fără ambiguitate ca curenți cu secvență zero-.

Suma acestor curenți cu secvență zero-pentru toate cele trei faze este egală cu curentul total de defecțiune la pământ. În condiții normale de funcționare echilibrată, tensiunile defazate-se anulează și circulă doar un mic curent excitant. Numai în condiții dezechilibrate-cum ar fi defecțiunile la pământ sau sarcinile dezechilibrate-curenții de secvență zero-pot circula prin transformator.

2.3 Caracteristicile impedanței

În condiții normale de funcționare, transformatorul în zig-zag prezintă impedanță ridicată la curenții de secvență pozitivă- și negativă-, făcându-l practic invizibil pentru sistemul electric în condiții echilibrate. Totuși, pentru curenții cu secvență zero-transformatorul prezintă o impedanță scăzută, scurtcircuitând efectiv neutrul la masă pentru curenții de defect.

Parametrii cheie care guvernează impedanța cu succesiune zero-includ numărul de spire ale înfășurării, geometria miezului, inductanța de scurgere între cele două jumătăți ale fiecărui membru și proprietățile magnetice ale materialului miezului. Capacitatea designului miezului de fier de a limita fluxul de fluxuri triple-armonice este un alt avantaj unic care distinge configurațiile în zig-zag de alte scheme de împământare.

2.4 Cerințe critice de instalare

O stare de-circuit deschis-de fază, cum ar fi o siguranță arsă sau o conexiune slăbită-întrerupe interdependența curenților de înfășurare. Cu o fază deconectată, lanțul de propagare a curentului necesar pentru fluxul cu secvență zero-se întrerupe, iar transformatorul de împământare nu mai poate conduce curentul de defect la pământ. Prin urmare, transformatoarele de împământare trebuie conectate solid atât la pământ, cât și la rețea, fără dispozitive de comutare mecanice intermediare care ar putea întrerupe din neatenție continuitatea.

 

 

 

 

Două tipuri principale detransformatoare de împământaresunt utilizate în sistemele de alimentare: transformatorul în zig-zag (în stea-interconectat) șitransformator-delta în yală. Alegerea dintre ele are implicații semnificative de cost, dimensionare și performanță.

3.1 Dimensiunea și puterea nominală

Aranjamentul în zig-zag oferă o eficiență considerabil mai mare decât configurația YY-delta cu împământare. Într-un transformator în zig-zag, fiecare înfășurare transportă mai puțin decât tensiunea de la linie-la-pământ-cu un factor de- care permite o putere totală mai mică:. Dimpotrivă, este nevoie de un transformator Y-delta împământatpentru același curent neutru. Această diferență substanțială face ca transformatoarele în zig-zag să fie cu aproximativ o-treime mai mici în kVA decât transformatoarele ye-delta pentru cerințe identice de curent neutru.

Producătorii raportează că transformatoarele în zig-zag oferă costuri mai mici și amprentă fizică mai mică decât transformatoarele ye-delta pentru aceeași specificație de impedanță cu secvență zero-, ceea ce le face alegerea preferată în majoritatea aplicațiilor de împământare.

3.2 Performanță armonică

Transformatoarele Y-delta circulă armonici triple (a 3-a, a 9-a, a 15-a etc.) în înfășurarea delta, dar nu elimină curenții neutri generați de sarcinile dezechilibrate. Transformatoarele în zig-zag, prin contrast, recirculează curenții a treia armonică de la neutru înapoi spre partea de sarcină, reducând activ armonicile de pe partea secundară. Acesta este un mecanism fundamental diferit de transformatoarele delta-y, în care armonicile triple sunt pur și simplu prinse în bucla delta închisă.

3.3 Timpul nominal și sarcina termică

Ambele tipuri servesc ca dispozitive de scurtă durată-, de obicei evaluate pentru durate de eroare de 10-secunde sau 1-minut, mai degrabă decât pentru funcționare continuă. Standardul ANSI/IEEE. 32-1972 necesită o evaluare continuă de 3% pentru o unitate nominală de 10-secunde, ceea ce înseamnă că evaluarea pe termen scurt este egală cu aproximativ 33 de ori evaluarea continuă. O bancă cu rating de 1 minut are un rating curent continuu de 7%. Această caracteristică de funcționare intermitentă reduce dimensiunea și costul de fabricație în comparație cu transformatoarele cu funcționare continuă de capacitate echivalentă, deși gestionarea termică atentă rămâne esențială.

 

 

 

 

4.1 Zero-impedanță secvență

Impedanța -zero secvență este, fără îndoială, cel mai critic parametru pentru proiectarea transformatorului în zig-zag. Acesta determină atât magnitudinea curentului de defect la masă, cât și reglarea tensiunii în condiții de dezechilibrare. Numai impedanța transformatorului poate limita curentul de defect la nivelurile dorite; alternativ, un rezistor extern sau un reactor introdus în neutru oferă o capacitate suplimentară de limitare.

4.2 Inductanța de scurgere și pierderile de sarcină fără-

Cei doi parametri de proiectare cei mai importanți sunt pierderile fără-sarcină (histerezis și pierderi de curent turbionar) și impedanța de scurgere. Progresele recente în metodele analitice și modelarea elementelor finite au permis un calcul mai precis al inductanței de scurgere în transformatoarele în zigzag, ceea ce aduce beneficii atât cercetătorilor, cât și proiectanților de transformatoare în optimizarea acestui tip. Reactanța de scurgere influențează comportamentul de limitare a curentului-transformatorului în timpul defecțiunilor și performanța generală de reglare a tensiunii.

4.3 Timp-scurt și evaluări continue

Transformatoarele de împământare funcționează cu valori nominale distincte de scurtă-timp și continuu. Un circuit cu un dezechilibru de sarcină minim poate fi deservit de un transformator evaluat în principal pentru defecțiuni de scurtă-durată, mai degrabă decât pentru funcționarea continuă. Evaluarea continuă pentru o unitate de 10-secunde este de obicei 3% din evaluarea de scurt-timp, în timp ce pentru o unitate de 1{-minut este de 7%. Exemplele de dimensionare ilustrează acest principiu: pe un sistem de 12,47 kV care furnizează un curent de eroare la masă de 6000 A{15}}, un transformator în zig-zag ar necesita o valoare nominală de scurtă durată de 24,9 MVA. Acest rating intermitent corespunde unui rating continuu de aproximativ 0,75 MVA, permițând băncii să gestioneze continuu 180 A de curent neutru.

 

 

 

5.1 Provocări de protecție

Protejarea rețelelor de medie-tensiune cu transformatoare de împământare în zig-zag este o provocare. Unitatea diferențială a transformatorului poate să nu aibă sensibilitate pentru a detecta defecțiunile interne la pământ pe partea deltă din cauza limitării inerente de curent în zig-zag, combinată cu efectele raportului transformatorului de putere și a contribuțiilor de curent capacitiv de la alimentatoarele de MT. O unitate de defect de împământare restricționată poate crește sensibilitatea, deși defecțiunile externe de fază-fază-la împământare cu saturație a transformatorului de curent necesită o atenție specială.

Unitățile de comparație direcționale convenționale care compară unghiul dintre curentul de masă și curentul neutru sunt nepotrivite. În schimb, detectoare de defecțiuni externe care supraveghează unitățile diferențiale de transformator au fost propuși ca înlocuitori efectivi. Pentru protecția direcțională neutră, unitățile convenționale care compară tensiunea neutră și unghiurile de fază ale curentului activează incorect condițiile de defecțiune directă pe alimentatoarele sănătoase; unitățile direcționale bazate pe mărimea impedanței cu secvență zero-oferă o soluție mai fiabilă.

5.2 Standarde aplicabile

Proiectarea, testarea și aplicarea transformatoarelor în zig-zag sunt guvernate de mai multe standarde. IEEE C57.105-2019 descrie conexiunile și configurațiile transformatoarelor în sisteme electrice trifazate, inclusiv toate combinațiile de triunghi și yă, împământate și neîmpământate, conectate în T-, în zig-zag și alte conexiuni speciale, care acoperă atât două-înfășurare, cât și auto-transformatoare. Alte standarde relevante includ IEEE C57.32 pentru dispozitivele de împământare neutru, IEC 60076-25 pentru rezistențele de împământare neutră și IS 2026/IS 5553 pentru testare și conformitatea performanței.

Este important să recunoaștem că IEEE C57.105 a fost scris inițial pentru sisteme de distribuție cu tensiuni primare de până la 34,5 kV, deși principiile sale se extind mai larg.

 

 

 

6.1 Împământare neutră a sistemului

Aplicația principală și cea mai răspândită a transformatoarelor în zig-zag este crearea unui neutru împământat pentru sistemele trifazate-neîmpământate-în special pentru secundarele transformatoarelor conectate în triunghi- și magistralele generatoare sau invertorului neîmpământate. Această aplicație servește mai multe funcții critice: reducerea tensiunii de supratensiune asupra izolației în timpul defecțiunilor de la o singură linie-la-împământare, oferind o referință de masă definită pentru releele de protecție și permițând funcționarea continuă în condiții de dezechilibrare.

În sistemele fotovoltaice și de resurse energetice distribuite, invertoarele tradiționale nu au adesea o conexiune neutră solidă, ceea ce duce la dezechilibre de tensiune și împământare ineficientă. Transformatoarele în zig-zag stabilesc o cale stabilă, cu impedanță scăzută-la masă, stabilizând sistemul în condiții de defecțiune. Pentru rețelele de medie-tensiune cu împământare cu-rezistență mare, transformatorul de împământare în zig-zag combinat cu rezistențele de împământare neutru oferă sensibilitate de detectare a defecțiunilor fără a necesita declanșare imediată-o configurație care oferă protecție robustă pentru procesele industriale critice.

 

Funcția transformatoarelor Zig Zag:

Parcuri eoliene

• Oferă un punct neutru artificial pentru sistemele de colectare de medie-tensiune (de exemplu, 35 kV) pentru a permite împământarea
• Oferă cale de-impedanță scăzută pentru defecțiunile cu o singură linie-la-împământare, limitând supratensiunile
• Suprimă armonicile triple (a 3-a, a 9-a etc.) de la convertoarele turbinelor eoliene
• Mai mici și mai ușoare decât transformatoarele de împământare Δ-Y, ideale pentru vântul offshore

Sisteme solare (PV).

• Stabilește o referință de împământare pentru partea AC a invertorului unde neutrul nu este disponibil
• Atenuează dezechilibrul în trei-faze și armonicile-generate de invertor
• Îmbunătățește capacitatea de trecere la -tensiune joasă-(LVRT), prevenind deconectarea
• Poate servi ca inductor de filtru integrat în sistemele fotovoltaice + de stocare

Dispozitivele de interconectare flexibile din rețelele moderne de distribuție au demonstrat atractivitatea împământării transformatoarelor în zig-zag atât pe părțile de tensiune medie-, cât și pe cele de joasă-tensiune, depășind alternativele de împământare cu reactanță mare și de împământare la punct mediu în comparații cuprinzătoare de performanță.

6.2 Atenuare armonică

Transformatoarele în zig-zag joacă un rol semnificativ în atenuarea problemelor de curent neutru cauzate de sarcini ne-liniare. Sistemele de distribuție cu trei faze cu patru-fire suferă din ce în ce mai mult de supraîncărcarea conductorului neutru din cauza proliferării surselor de alimentare în comutație-, unităților de-frecvență variabilă și a altor sarcini electronice ne-liniare. Primarul conectat-delta al unui transformator de distribuție convențional elimină doar armonicile triple în condiții de sarcină perfect echilibrate; sarcinile dezechilibrate generează în continuare curenți neutri.

Transformatoarele zig-zag abordează această problemă oferind o cale de-impedanță scăzută pentru armonici triple, menținând în același timp impedanța ridicată pentru curenții de frecvență fundamentală. Împerecherea strategică a transformatoarelor delta-zigzag cu delta-y poate anula atât a 5-a, cât și a 7-a armonică, realizând eficient performanța sistemului de 12-impulsuri. Pentru sistemele mai mari, mai multe transformatoare mici în zig-zag plasate lângă sarcini mențin curenții neutri localizați, eliminând nevoia de conductori neutri supradimensionați și îmbunătățind echilibrul fundamental al curentului de sarcină.

6.3 Conversie integrată a puterii AC-DC

Dincolo de funcțiile tradiționale de calitate a energiei, transformatoarele în zig-zag și-au găsit aplicații în sistemele unificate de conversie a energiei ca-cc care combină sursele de energie rețea (ca) și fotovoltaice (cc). Inductanțe de scurgere în înfășurare ale transformatoarelor în zig-zag pot fi utilizate ca inductanțe de amplificare integrate în sistemele unificate de ca-cc, reducând numărul de componente și volumul total al sistemului în comparație cu modelele convenționale cu inductoare separate. Abordările clasice cu expresii adecvate ale inductanței de scurgere pentru înfășurările cu geometrie dreptunghiulară susțin metodologia de proiectare.

Aplicațiile avansate includ redresoare în trei-sunt zigzag dublu-top joasă-armonic multi- cu impulsuri, unde configurația transformatorului în zigzag acceptă corecția factorului de putere și atenuarea armonică în sistemele electronice de-performanță înaltă.

6.4 Laborator și unități de cercetare

Facilități de cercetare-inclusiv acceleratoare de particule și sisteme experimentale de distribuție a energiei-au implementat transformatoare în zig-zag ca soluții rentabile-pentru reducerea curenților neutru cauzați de sarcinile electronice ne-liniare. Costul relativ scăzut, simplitatea, ușurința de instalare pe sistemele de distribuție existente și capacitatea de a menține curenții neutri localizați fac transformatoarele în zig-zag atractive în setările experimentale în care calitatea energiei influențează direct măsurarea și performanța echipamentului.

 

 

 

 

7.1 Determinarea cerințelor privind curentul de eroare-la pământ

Primul pas în dimensionarea unui transformator în zig-zag este determinarea nivelului dorit de curent-de defect de masă. Inginerii de proiectare trebuie să decidă dacă să se bazeze numai pe impedanța internă de secvență zero a transformatorului pentru limitarea curentului sau să introducă un rezistor extern. Pentru sistemele de împământare cu rezistență înaltă-, curenții de defect sunt de obicei limitati la 5–10 A pentru sistemele de-medie tensiune. Sistemele cu -rezistență scăzută pot permite curenți de defect de 200 A sau mai mult.

7.2 Calcularea puterii kVA

Pentru un curent neutru dat () și tensiunea de la linia de sistem-la-masă (), valoarea nominală de -kVA de scurtă durată pentru un transformator în zig-zag este:

De asemenea, trebuie specificate ratingul continuu. Pentru un dispozitiv de 10-secunde, evaluarea continuă este egală cu 3% din evaluarea de scurtă durată, în timp ce un dispozitiv de 1 minut necesită 7%.

7.3 Considerații privind aplicarea

Spre deosebire de transformatoarele de putere convenționale, transformatoarele de împământare sunt dispozitive-intermitente. Capacitatea lor de a rezista la curenți mari de defect pentru durate scurte permite o reducere semnificativă a costurilor în comparație cu un transformator de sarcină continuă cu o valoare nominală echivalentă-. Cu toate acestea, proiectanții trebuie să verifice dacă capacitatea de rezistență termică se potrivește cu timpul de curățare așteptat al dispozitivelor de protecție din amonte. Transformatoarele de împământare pot fi specificate pentru împământare solidă sau pentru utilizare cu un rezistor extern de împământare neutru-acesta din urmă oferind flexibilitate în controlul mărimii curentului de defect la masă-.

7.4 Instalare și punere în funcțiune

Instalarea corectă pe teren este critică pentru o funcționare fiabilă. Activitățile pre-de punere în funcțiune ar trebui să includă testarea rezistenței de izolație, verificarea raportului de înfășurare și validarea-defazei. Integritatea căii neutre trebuie să fie verificată cu atenție-întreruperea oricărei conexiuni de fază la rețea poate face ca funcția de împământare să nu fie operativă. Testele de punere în funcțiune ar trebui să valideze faptul că transformatorul prezintă o impedanță de secvență zero-scăzută, menținând în același timp impedanță de secvență pozitivă- și negativă-în condiții normale de funcționare.

Pentru funcționarea la 50 Hz sau 60 Hz, carcasele trebuie să îndeplinească cerințele de mediu pentru instalarea interioară sau exterioară, de obicei cu carcase ventilate de tip 3R pentru utilizare în exterior.

 

 

 

8.1 Sensibilitatea la continuitatea fazei

O limitare fundamentală a transformatoarelor în zig-zag este dependența lor de conectarea tuturor celor trei faze. Absența unei conexiuni monofazate la rețea întrerupe propagarea interdependentă a curentului de înfășurare, eliminând capacitatea de a conduce curentul de defect la pământ. Această sensibilitate impune conexiuni de fază fiabile și argumentează împotriva inserării dispozitivelor de comutare care ar putea crea din greșeală condiții de circuit deschis-.

Spre deosebire de dispozitivele de protecție de sine stătătoare, transformatoarele de împământare în zig-zag trebuie să rămână în funcțiune continuu în timp ce sursa de alimentare trifazată este activă. Dacă transformatorul de împământare este pierdut, o singură defecțiune de linie-la-împământare poate cauza tensiuni ridicate de la fază-la-la fazele fără erori, iar dezechilibrele de sarcină pot duce la deplasări ale neutrului și supratensiuni.

8.2 Saturație sub injecție DC

În sistemele de alimentare moderne, injecția de curent continuu-fie de la invertoarele-conectate la rețea, perturbațiile geomagnetice sau alte surse-poate cauza saturarea miezului transformatorului de împământare. Saturația reduce eficiența transformatorului în furnizarea unui traseu de masă cu impedanță scăzută-și poate duce la supraîncălzire. Pot fi necesare precauții speciale în proiectare sau monitorizare suplimentară pentru sistemele cu conținut DC semnificativ.

8.3 Complexitatea detectării defecțiunilor

Inginerii de protecție trebuie să recunoască faptul că releele diferențiale convenționale pot fi inadecvate pentru detectarea-defecțiunilor interne la masă cu transformatoare în zig-zag. Pentru o acoperire cuprinzătoare de protecție pot fi necesare scheme de protecție specializate-inclusiv unități de defect de pământ restricționat, detectoare de defecțiuni externe și unități direcționale bazate pe-magnitudine-.

 

 

 

Transformatoarele în zig-zag sunt componente esențiale de activare pentru sistemele electrice moderne-trifazate. Oferind o cale de-impedanță scăzută pentru curenții cu secvență zero-în timp ce prezintă impedanță ridicată pentru componentele cu secvență pozitivă- și-negativă, aceștia reduc decalajul dintre sistemele delta/yă neîmpământate și beneficiile operaționale și de siguranță ale funcționării neutre cu împământare.

Elementele cheie includ:

• Constructii: șase jumătăți-înfășurări încrucișate-conectate între faze pe un miez cu trei-ramuri
• Principiul de funcționare: Echilibrul de tură-amperi permite fluxul de curent cu secvență zero-în timp ce anulează curenții echilibrați
• Aplicație primară: împământare neutră pentru sisteme trifazate neîmpământate (sisteme cu alimentație-delta sau generatoare)
• Avantaje de performanță: Eficiență mai mare și dimensiuni mai mici decât transformatoarele de împământare în yală-delta
• Aplicații secundare: atenuare armonică (în special armonici triple), echilibrare a sarcinii, conversie ca-dc integrată
• Considerații de proiectare: Dimensionarea bazată pe evaluările-de scurtă durată a erorilor (10 sec sau 1 min), capacitatea continuă de 3%–7%
• Cerințe de protecție: Sunt necesare scheme specializate; protecția diferențială convențională poate fi insuficientă
• Instalare critică: Esențiale conexiuni în fază solidă la rețea; fără dispozitive de comutare pe calea de împământare

Alegerea dintre un transformator de împământare în zig-zag și unul în yală-delta depinde în cele din urmă de cerințele specifice ale sistemului: nevoile de limitare a curentului de defect, bugetul și spațiul disponibil, cerințele de atenuare a armonicilor și dorința de disponibilitate a puterii auxiliare. Pentru majoritatea aplicațiilor de împământare, eficiența superioară a transformatorului în zig-zag, amprenta mai mică și performanța armonică mai bună îl fac alegerea preferată pentru instalațiile noi.