Водич за цик{0}}цак трансформаторе

 

Овај водич пружа свеобухватан преглед цик-цак трансформатора-специјалне-конфигурације намотаја који се широко користе за уземљење, ублажавање хармоника, побољшање квалитета електричне енергије и конверзију наизменичне струје у савременим електричним системима. Водич покрива основне принципе рада, техничке карактеристике, разматрања дизајна, поређење са алтернативним шемама уземљења и детаљне сценарије примене укључујући неутрално уземљење система, поништавање хармоника и интегрисане системе за конверзију енергије. Водич такође укључује практична разматрања за избор, димензионисање, заштиту и усклађеност са релевантним стандардима као што су ИЕЕЕ Ц57.105 и ИЕЦ 60076.

Савремени трофазни електрични системи -често раде са секундарима трансформатора повезаним на делта{1}}, којима недостаје природна неутрална тачка за потребе уземљења. У ширем смислу, неуземљени трофазни системи--било из конфигурације делта или других извора-представљају значајне оперативне изазове, укључујући одсуство дефинисане референтне тачке уземљења, ризик од пролазних пренапона током водних{6}}ка-спојева и потешкоће у откривању и локализацији квара. Цик{9}}трансформатор (такође познат као међусобно повезана-звезда или трансформатор за уземљење) је развијен да одговори на ове изазове.

Цик-цак трансформатор је трансформатор посебне-намене са конфигурацијом намотаја где је сваки излаз векторски збир две фазе померених за 120 степени. Сваки крак магнетног језгра је подељен на два дела намотаја намотана у супротним смеровима, а калемови су међусобно повезани у различитим фазама да би се створио ефекат поништавања за уравнотежене струје, док истовремено дозвољава струјама нулте секвенце да слободно теку кроз неутралну везу.

Док је неутрално уземљење најистакнутија примена, цик{0}}трансформатори су еволуирали у разноврсну платформу која служи вишеструким функцијама: обезбеђивање-путања ниске импедансе за струје квара у земљи-, потискивање троструких хармоника, балансирање струја оптерећења и служење као интегрална{3} компонента за конверзију енергије у системима уједињене наизменичне струје.

 

 

 

Иако унутрашњи распоред може изгледати компликовано, принцип рада је у основи вођен Амперовим законом-магнетна равнотежа између намотаја на истом језгру налаже да струја која тече у једном намотају мора да буде праћена одговарајућом струјом у другом намотају на том краку.

2.2 Анализа струјног тока у условима квара

Да бисте разумели како су струје нулте{0}}не секвенце омогућене, размислите о линији-на-споју на једној фази иначе неуземљеног система. Унакрсно{4}}повезан распоред намотаја ствара међузависну путању простирања струје. Струја која тече нагоре од неутралне тачке кроз доњи намотај фазе А пролази кроз горњи намотај фазе Ц на мрежни прикључак. Ово индукује одговарајућу струју у доњем намотају фазе Ц, која се заузврат шири до мреже кроз фазу Б. Низ наставља да укључује све три фазе. Критично запажање је да су све струје у горњим намотајима, доњим намотајима и споју уземљења у фази једна са другом, што их недвосмислено идентификује као струје нултог низа{9}}.

Збир ових струја{0}}нулте секвенце у све три фазе једнак је укупној струји земљоспоја. У нормалним избалансираним радним условима, фазни{1}}напони се поништавају и само мала узбудљива струја циркулише. Само у неуравнотеженим условима-као што су кварови на земљи или неуравнотежена оптерећења-струје нулте-секвенце могу да протичу кроз трансформатор.

2.3 Карактеристике импедансе

У нормалном раду, цик{0}}трансформатор има високу импедансу према позитивним- и негативним-струјама, што га чини практично невидљивим за електрични систем током балансираних услова. Међутим, за струје нулте{4}}секвенце, трансформатор има ниску импеданцију, ефективно кратко-спајајући нулту на масу за струје квара.

Кључни параметри који регулишу импедансу нулте{0}}секвенце обухватају број обртаја намотаја, геометрију језгра, индуктивност цурења између две половине сваког крака и магнетна својства материјала језгра. Способност дизајна гвозденог језгра да ограничи проток троструких-хармоничних флуксова је још једна јединствена предност која разликује цик{3}} конфигурације од других шема уземљења.

2.4 Критични захтеви за инсталацију

Фазно отворено -стање кола-као што је прегорео осигурач или лабава веза-нарушава међузависност струја намотаја. Када је једна фаза искључена, ланац ширења струје неопходан за проток нулте{4}}секвенце се прекида и трансформатор за уземљење више не може да спроводи струју земљоспоја. Због тога трансформатори за уземљење морају бити чврсто повезани и са земљом и са мрежом без међумеханичких склопних уређаја који би могли ненамерно прекинути континуитет.

 

 

 

 

Две главне врстетрансформатори за уземљењесе користе у енергетским системима: цик-(међусобно повезани-звездасти) трансформатор ивај{0}}делта трансформатор. Избор између њих носи значајне импликације на цену, величину и перформансе.

3.1 Димензионисање и оцена снаге

Цик{0}}цик-цак распоред нуди знатно већу ефикасност од уземљене конфигурације вие-делта. У цик{3}}цик-цак трансформатору, сваки намотај носи мање од водног-на-напона уземљења-за фактор од- омогућава нижу укупну снагу:. Насупрот томе, потребан је уземљени вај{1}}делта трансформаторза исту неутралну струју. Ова значајна разлика чини цик{1}}цик-цак трансформаторе приближно за једну-трећину мањим у кВА јачини од вие-делта трансформатора за идентичне захтеве неутралне струје.

Произвођачи извештавају да цик{0}}трансформатори нуде нижу цену и мањи физички отисак од вие-делта трансформатора за исту спецификацију импеданце нулте{2}} секвенце, што их чини пожељнијим избором у већини апликација за уземљење.

3.2 Хармоничне перформансе

Вај{0}}делта трансформатори циркулишу троструке хармонике (3., 9., 15., итд.) унутар трокутног намотаја, али не елиминишу неутралне струје настале неуравнотеженим оптерећењем. За разлику од тога, цик-цак трансформатори рециркулишу струје трећег хармоника са неутралне назад на страну оптерећења, активно смањујући хармонике на секундарној страни. Ово је суштински другачији механизам од делта-вај трансформатора, где су троструки хармоници једноставно заробљени унутар затворене делта петље.

3.3 Називно време и термички рад

Оба типа служе као краткотрајни-уређаји, обично оцењени за трајање квара од 10-секунди или 1-минут уместо непрекидног рада. АНСИ/ИЕЕЕ Стд. 32-1972 захтева континуирану оцену од 3% за 10-секунду оцењену јединицу, што значи да је краткорочна оцена једнака приближно 33 пута континуираној оцени. Банка са рејтингом од 1 минута има континуирани тренутни рејтинг од 7%. Ова карактеристика интермитентног рада смањује величину и трошкове производње у односу на трансформаторе са континуираним радом еквивалентног капацитета, иако је пажљиво управљање топлотом и даље неопходно.

 

 

 

 

4.1 Импеданса нулте{1}} секвенце

Импеданса нулте{0}}секвенце је вероватно најкритичнији параметар за дизајн цик{1}}цак трансформатора. Он одређује и јачину струје земљоспоја{3}}и регулацију напона у неуравнотеженим условима. Сама импеданса трансформатора може ограничити струју квара на жељене нивое; алтернативно, екстерни отпорник или реактор уметнут у нулту даје додатну могућност ограничавања.

4.2 Индуктивност цурења и губици без{1}}оптерећења

Два најважнија пројектна параметра су губици без{0}}оптерећења (хистереза ​​и губици на вртложне струје) и импеданса цурења. Недавни напредак у аналитичким методама и моделирању коначних елемената омогућио је прецизније израчунавање индуктивности цурења у цик-цак трансформаторима, што користи и истраживачима и дизајнерима трансформатора у оптимизацији овог типа. Реактанца цурења утиче на ограничавајуће понашање-струјног трансформатора током кварова и његове укупне перформансе регулације напона.

4.3 Кратко{1}}оцјењивање и континуирано

Трансформатори за уземљење раде са изразитим кратким{0}}временим и непрекидним снагама. Коло са минималним дисбалансом оптерећења може да опслужује трансформатор који је оцењен претежно за краткотрајне-кварове, а не за континуирани рад. Континуирана оцена за јединицу од 10-секунди је обично 3% краткотрајне-оцене, док је за јединицу од 1-минутне 7%. Примери димензионисања илуструју овај принцип: на систему од 12,47 кВ који напаја струју земљоспоја од 6000 А{15}, цик-цак трансформатор би захтевао краткотрајну снагу од 24,9 МВА. Ова испрекидана снага одговара континуираној снази од приближно 0,75 МВА, што омогућава банци да непрекидно рукује 180 А неутралне струје.

 

 

 

5.1 Изазови заштите

Заштита средње{0}}напонских мрежа са цик-уземљеним трансформаторима је изазовна. Диференцијалној јединици трансформатора можда недостаје осетљивост да детектује унутрашње кварове на земљи на делта страни због инхерентног цик-ограничења струје у комбинацији са ефектима односа енергетског трансформатора и капацитивних струјних доприноса из СН напојника. Јединица са ограниченим земљоспојем може побољшати осетљивост, иако спољни фазни{5}}фазни-земљи са засићењем струјног трансформатора захтевају посебну пажњу.

Конвенционалне јединице за поређење усмерења које упоређују угао између уземљења и неутралне струје нису погодне. Уместо тога, спољни детектори грешака који надгледају трансформаторске диференцијалне јединице су предложени као ефикасне замене. За неутралну усмерену заштиту, конвенционалне јединице које упоређују неутрални напон и фазне углове струје нетачно активирају услове квара унапред на здравим фидерима; усмерене јединице засноване на величини импедансе нулте-секвенције нуде поузданије решење.

5.2 Применљиви стандарди

Дизајн, тестирање и примена цик{0}}цик-цак трансформатора су регулисани вишеструким стандардима. ИЕЕЕ Ц57.105-2019 описује трансформаторске везе и конфигурације у тро-фазним електричним системима, укључујући све комбинације делта и вие, уземљене и неуземљене, Т-повезане, цик-цак и друге посебне везе, покривајући и два-намотаја и аутотрансформаторе. Остали релевантни стандарди укључују ИЕЕЕ Ц57.32 за неутралне уређаје за уземљење, ИЕЦ 60076-25 за отпорнике за неутрално уземљење и ИС 2026/ИС 5553 за тестирање и усклађеност перформанси.

Важно је препознати да је ИЕЕЕ Ц57.105 првобитно написан за дистрибутивне системе са примарним напонима до 34,5 кВ, иако се његови принципи шире шире.

 

 

 

6.1 Неутрално уземљење система

Примарна и најраспрострањенија примена цик{0}}заг трансформатора је стварање уземљеног неутралног елемента за неуземљене трофазне -фазне системе-нарочито трокутаст-повезане секундарне трансформаторе и неуземљене магистрале генератора или инвертера. Ова апликација служи за вишеструке критичне функције: смањење пренапонског напрезања на изолацији током једног водног -на-споја, обезбеђивање дефинисане референтне тачке уземљења за релеј заштите и омогућавање континуираног рада током неуравнотежених услова.

У фотонапонским системима и системима дистрибуираних енергетских ресурса, традиционалним претварачима често недостаје чврста неутрална веза, што доводи до неравнотеже напона и неефикасног уземљења. Цик{1}}цик-цак трансформатори успостављају стабилан пут са ниском-импедансом до земље, стабилизујући систем у условима квара. За средње{4}}напонске мреже са високим-отпорним уземљењем, цик-цак трансформатор за уземљење у комбинацији са отпорницима за неутрално уземљење обезбеђује осетљивост детекције квара без потребе за тренутним искључењем-конфигурацију која нуди робусну заштиту за критичне индустријске процесе.

 

Функција Зиг Заг трансформатора:

Винд Фармс

• Обезбеђује вештачку неутралну тачку за средње{0}}системе за прикупљање напона (нпр. 35 кВ) да би се омогућило уземљење
• Нуди ниску{0}}путу импедансе за један вод-до-спојева, ограничавајући пренапоне
• Потискује троструке хармонике (3., 9., итд.) из претварача ветротурбина
• Мањи и лакши од Δ-И трансформатора за уземљење, идеални за ветар на мору

Соларни (ПВ) системи

• Успоставља референцу за уземљење за страну претварача наизменичне струје где неутрално стање није доступно
• Ублажава тро{0}}небаланс и хармонике генерисане инвертером{1}}
• Побољшава могућност -напонске вожње-кроз (ЛВРТ), спречавајући прекид везе
• Може да служи као интегрисани филтер индуктор у ПВ + системима за складиштење

Флексибилни уређаји за међуповезивање у савременим дистрибутивним мрежама показали су атрактивност цик{0}}уземљења трансформатора и на средњој- и на нисконапонској страни-напона, надмашујући алтернативе уземљења велике реактансе и уземљења средње тачке у свеобухватним поређењима перформанси.

6.2 Хармонично ублажавање

Цик{0}}цик-цак трансформатори играју значајну улогу у ублажавању проблема неутралне струје узрокованих не-нелинеарним оптерећењима. Тро-четворофазни-системи за дистрибуцију све више пате од преоптерећења неутралног проводника због ширења прекидача{5}}напајања, фреквентних претварача-и других не-нелинеарних електронских оптерећења. Делта-примарни спој конвенционалног дистрибутивног трансформатора елиминише само троструке хармонике под савршено избалансираним условима оптерећења; неуравнотежена оптерећења и даље стварају неутралне струје.

Цик{0}}цик-цак трансформатори решавају овај проблем тако што обезбеђују путању ниске-импедансе за троструке хармонике уз одржавање високе импедансе за струје основне фреквенције. Стратешко упаривање делта{3}}цик-цак са делта-вие трансформаторима може да поништи и 5. и 7. хармонике, ефективно постижући перформансе система од 12- импулса. За веће системе, више малих цик-цак трансформатора постављених у близини оптерећења одржавају неутралне струје локализованим, елиминишући потребу за превеликим неутралним проводницима и побољшавајући основни баланс струје оптерећења.

6.3 Интегрисана АЦ-ДЦ конверзија напајања

Поред традиционалних функција квалитета електричне енергије, цик{0}}трансформатори су нашли примену у обједињеним системима за конверзију наизменичне струје -ДЦ који комбинују мрежне (ац) и фотонапонске (дц) изворе напајања. Индуктивности цурења намотаја цик-цак трансформатора могу се користити као интегрисане појачане индуктивности у обједињеним системима наизменичне струје, смањујући број компоненти и укупну запремину система у поређењу са конвенционалним дизајном са одвојеним индукторима. Класични приступи са одговарајућим изразима индуктивности цурења за намотаје са правоугаоном геометријом подржавају методологију пројектовања.

Напредне апликације обухватају тростепене цик-цак исправљаче са два нивоа-ниског нивоа{2}}више хармоничних-импулса, где конфигурација цик-цак трансформатора подржава корекцију фактора снаге и слабљење хармоника у енергетским електронским системима високих-учинака.

6.4 Лабораторијски и истраживачки објекти

Истраживачки објекти-укључујући акцелераторе честица и експерименталне системе за дистрибуцију енергије-привели су цик{2}}трансформаторе као исплатива-решења за смањење неутралних струја изазваних не-нелинеарним електронским оптерећењем. Релативно ниска цена, једноставност, лакоћа инсталације на постојећим дистрибутивним системима и способност да неутралне струје буду локализоване чине цик{6}} трансформаторе атрактивним у експерименталним окружењима где квалитет струје директно утиче на мерење и перформансе опреме.

 

 

 

 

7.1 Утврђивање захтева за струју{1}}земља

Први корак у димензионирању цик{0}}цак трансформатора је одређивање жељеног нивоа струје{1}}земља. Пројектанти морају да одлуче да ли ће се за ограничење струје ослањати искључиво на интерну нулту{3}}импедансу трансформатора или да убаце екстерни отпорник. За системе за уземљење-високог отпора, струје квара су обично ограничене на 5–10 А за системе средњег{8}}напона. Системи{10}ниског отпора могу дозволити струје квара од 200 А или више.

7.2 Израчунавање кВА снаге

За дату неутралну струју () и системски вод-на-напон (), краткотрајна-кВА оцена за цик{1}}цак трансформатор је:

Континуирани рејтинг такође мора бити наведен. За уређај од 10-секунди, континуирана оцена је једнака 3% краткотрајне оцене, док је 1-минутном уређају потребно 7%.

7.3 Разматрања о примени

За разлику од конвенционалних енергетских трансформатора, трансформатори за уземљење су уређаји за рад са прекидима{0}}. Њихова способност да издрже велике струје квара у кратком временском периоду омогућава значајно смањење трошкова у поређењу са трансформатором за континуирани{2}} рад еквивалентне номиналне вредности. Међутим, дизајнери морају да потврде да способност отпорности на топлоту одговара очекиваном времену чишћења горњих заштитних уређаја. Трансформатори за уземљење могу да се одреде за чврсто уземљење или за употребу са спољним отпорником за уземљење неутралног уземљења-који нуди флексибилност у контролисању јачине струје земљоспоја{6}}.

7.4 Инсталација и пуштање у рад

Правилна инсталација на терену је кључна за поуздан рад. Активности пре{1}}пуштања у рад треба да обухватају испитивање отпора изолације, верификацију односа намотаја и проверу{2}}промена фазе. Интегритет неутралне путање мора бити темељно верификован-прекид било које фазне везе са мрежом може онемогућити функцију уземљења. Тестови пуштања у рад би требало да потврде да трансформатор има ниску импедансу нулте{6}}секвенце док одржава високу позитивну- и негативну-импедансу секвенце у нормалним условима рада.

За рад на 50 Хз или 60 Хз, кућишта морају задовољити еколошке захтеве за унутрашњу или спољашњу инсталацију, обично са вентилисаним кућиштима типа 3Р за спољашњу употребу.

 

 

 

8.1 Осетљивост на континуитет фазе

Основно ограничење цик{0}}трансформатора је њихова зависност од све три фазе које су повезане. Одсуство једнофазне везе са мрежом прекида међузависно ширење струје намотаја, елиминишући способност спровођења струје земљоспоја. Ова осетљивост захтева поуздане фазне везе и противи се уметању прекидача који би ненамерно могли да створе услове отвореног-кола.

За разлику од самосталних заштитних уређаја, цик{0}}трансформатори за уземљење морају бити у сталном раду док је трофазни извор напајања активан. Ако се трансформатор за уземљење изгуби, један вод-на-спој уземљења може да изазове високе фазне{5}}на-неутралне напоне на фазама без грешке, а неуравнотеженост оптерећења може да доведе до неутралног померања и пренапона.

8.2 Засићење под ДЦ ињекцијом

У савременим електроенергетским системима, убризгавање једносмерне струје-било из мрежних-инвертера повезаних са мрежом, геомагнетних сметњи или других извора-може да изазове засићење језгра трансформатора уземљења. Засићење смањује ефикасност трансформатора у обезбеђивању ниске-импедансе уземљења и може довести до прегревања. Посебне мере предострожности у пројектовању или додатни надзор могу бити потребне за системе са значајним садржајем једносмерне струје.

8.3 Сложеност откривања грешака

Инжењери заштите морају да схвате да конвенционални диференцијални релеји могу бити неадекватни за унутрашњу детекцију квара у земљи{0}}цик{1}}цик-цак трансформаторима. Специјализоване шеме заштите-укључујући јединице са ограниченим земљоспојем, спољне детекторе кварова и јединице усмерене на{4}}базиране на величини-могу бити потребне за свеобухватну покривеност заштите.

 

 

 

Цик{0}}цик-цак трансформатори су кључне компоненте за омогућавање савремених тро-фазних електричних система. Пружајући ниску-путу импедансе за струје нулте-секвенце, док представљају високу импедансу компонентама позитивне- и негативне-секвенце, они премошћују јаз између неуземљених делта/вие система и безбедносних и оперативних предности уземљеног неутралног рада.

Кључне ствари за понети укључују:

• Изградња: Шест полу-укрштаних намотаја-повезаних између фаза на језгру са три-крака
• Принцип рада: Ампер{0}}баланс обрта омогућава проток струје нулте секвенце док поништава балансиране струје
• Примарна примена: Неутрално уземљење за неуземљене три{0}}фазне системе (делта-напајани или генераторски системи)
• Предности перформанси: Већа ефикасност и мања величина од вие{0}}делта трансформатора за уземљење
• Секундарне апликације: Ублажавање хармоника (посебно троструки хармоници), балансирање оптерећења, интегрисана ац-ДЦ конверзија
• Разматрање дизајна: Одређивање величине на основу кратког-оцена грешке (10 секунди или 1 мин), континуирани капацитет од 3%–7%
• Захтеви заштите: Потребне специјализоване шеме; конвенционална диференцијална заштита може бити недовољна
• Критична инсталација: Прикључци чврсте фазе на мрежу су неопходни; нема склопних уређаја на путу уземљења

Избор између цик{0}}и вај-делта трансформатора за уземљење на крају зависи од специфичних захтева система: потреба за ограничењем струје квара, расположивог буџета и простора, захтева за ублажавање хармоника и жеље за доступношћу помоћног напајања. За већину примена уземљења, супериорна ефикасност цик-трансформатора, мањи отисак и боље хармонијске перформансе чине га пожељним избором за нове инсталације.