Ръководство за Зиг{0}}Заг трансформърс

 

Това ръководство предоставя изчерпателен преглед на конфигурациите на намотките със-специално{1}}предназначение за зигзагообразни трансформатори, широко използвани за заземяване, смекчаване на хармониците, подобряване на качеството на захранването и преобразуване на променлив-постоянен ток в модерни електрически системи. Ръководството обхваща основните принципи на работа, технически характеристики, съображения за проектиране, сравнение с алтернативни схеми за заземяване и подробни сценарии за приложение, включително неутрално заземяване на системата, анулиране на хармоници и интегрирани системи за преобразуване на мощността. Ръководството също така включва практически съображения за избор, оразмеряване, защита и съответствие със съответните стандарти като IEEE C57.105 и IEC 60076.

Съвременните три{0}}фазни електрически системи често работят с делта-свързани трансформаторни вторични части, които нямат естествена неутрална точка за заземяване. В по-общ план, незаземените три{3}}фазни системи-независимо дали от конфигурации триъгълник или други източници-представляват значителни оперативни предизвикателства, включително липсата на дефинирана референтна земя, риск от преходни пренапрежения по време на неизправности между линия-към-земя и трудности при откриване и локализиране на повреда. Трансформаторът зиг{9}}заг (известен също като взаимосвързана-звезда или трансформатор за заземяване) е разработен за справяне с тези предизвикателства.

Зигзаг трансформаторът е трансформатор със специално -предназначение с конфигурация на намотка, където всеки изход е векторна сума от две фази, изместени на 120 градуса. Всяко рамо на магнитната сърцевина е разделено на две намотаващи се секции, навити в противоположни посоки, и бобините са свързани помежду си през различни фази, за да създадат ефект на анулиране за балансирани токове, като същевременно позволяват на токовете с нулева-последователност да протичат свободно през неутралната връзка.

Въпреки че неутралното заземяване е най-известното приложение, зиг{0}}заг трансформаторите се развиха в универсална платформа, обслужваща множество функции: осигуряване на път с нисък-импеданс за земни-токове на повреда, потискане на тройни хармоници, балансиране на токовете на натоварване и служене като неразделен компонент в унифицирани системи за преобразуване на променлив-постоянен ток.

 

 

 

Въпреки че вътрешното устройство може да изглежда сложно, принципът на работа се управлява основно от закона на Ампер-магнитният баланс между намотките на едно и също ядро ​​диктува, че токът, протичащ в едната намотка, трябва да бъде придружен от съответния ток в другата намотка на този крайник.

2.2 Анализ на текущия поток при условия на повреда

За да оцените как се активират токове с нулева{0}}последователност, помислете за повреда-към-земя на една фаза на иначе незаземена система. Напречно свързаната намотка създава взаимозависим път на разпространение на тока. Токът, протичащ нагоре от неутралната точка през долната намотка на фаза A, преминава през горната намотка на фаза C към връзката към мрежата. Това индуцира съответен ток в долната намотка на фаза C, който от своя страна се разпространява към мрежата през фаза B. Последователността продължава да включва и трите фази. Критичното наблюдение е, че всички токове в горните намотки, долните намотки и земната връзка са във фаза един спрямо друг, което недвусмислено ги идентифицира като токове с нулева-последователност.

Сумата от тези токове на нулева-последователност през всичките три фази е равна на общия ток на земно съединение. При нормални балансирани работни условия фазово{1}}изместените напрежения се компенсират и циркулира само малък възбуждащ ток. Само при небалансирани условия-като заземяване или небалансирани товари-токове с нулева-последователност могат да протичат през трансформатора.

2.3 Импедансни характеристики

При нормална работа зиг{0}}трансформаторът на зигзаг представя висок импеданс към токове с положителна- и отрицателна-последователност, което го прави по същество невидим за електрическата система при балансирани условия. За токове с нулева{4}}последователност, обаче, трансформаторът представя нисък импеданс, ефективно-свързвайки накъсо неутралата към земята за токове на повреда.

Ключовите параметри, които управляват импеданса на нулева{0}}последователност, включват броя навивки на намотката, геометрията на сърцевината, индуктивността на утечка между двете половини на всеки крайник и магнитните свойства на материала на сърцевината. Способността на дизайна на желязната сърцевина да ограничава потока от тройни-хармонични потоци е друго уникално предимство, което отличава зиг-заг конфигурациите от другите схеми за заземяване.

2.4 Критични изисквания за инсталиране

Отворена фаза{0}}състояние на веригата-като изгорял предпазител или разхлабена връзка-нарушава взаимозависимостта на токовете на намотките. При една изключена фаза веригата на разпространение на тока, необходима за потока от нулева-последователност, се прекъсва и заземителният трансформатор вече не може да провежда ток на земно съединение. Следователно заземителните трансформатори трябва да бъдат стабилно свързани както към земята, така и към мрежата без междинни механични превключващи устройства, които биха могли по невнимание да прекъснат непрекъснатостта.

 

 

 

 

Два основни типа назаземителни трансформаторисе използват в енергийни системи: зиг{0}}заг (свързан-звезда) трансформатор иwye-делта трансформатор. Изборът между тях носи значителни последици за разходите, размера и производителността.

3.1 Оразмеряване и мощност

Разположението на зиг{0}}заг предлага значително по-висока ефективност от конфигурацията със заземена звезда-делта. В зиг{3}}трансформатор, всяка намотка носи по-малко от напрежението линия-към-заземяване-с коефициент- позволява по-ниска обща мощност:. За разлика от това, заземен двоен-делта трансформатор изискваза същия неутрален ток. Тази съществена разлика прави зиг{1}}загообразните трансформатори приблизително с една-трета по-малки в kVA номинална мощност в сравнение със звездообразните-делта трансформатори за идентични изисквания за неутрален ток.

Производителите съобщават, че зиг{0}}заг трансформаторите предлагат по-ниска цена и по-малък физически отпечатък от wye-делта трансформаторите за същата спецификация на импеданса на нулева-последователност, което ги прави предпочитан избор в повечето приложения за заземяване.

3.2 Хармонично изпълнение

Wye-делта трансформаторите циркулират тройни хармоници (3-ти, 9-ти, 15-ти и т.н.) в делта намотката, но не елиминират неутралните токове, генерирани от небалансирани товари. Зиг-заг трансформаторите, напротив, рециркулират токовете на третия хармоник от неутралната обратно към страната на товара, като активно намаляват хармониците от вторичната страна. Това е фундаментално различен механизъм от делта-wye трансформаторите, където тройните хармоници просто се улавят в затворената делта верига.

3.3 Номинално време и топлинен режим

И двата типа служат като устройства за кратко{0}}време, обикновено оценени за 10-секунди или 1-минута продължителност на повреда, а не за непрекъсната работа. ANSI/IEEE Std. 32-1972 изисква непрекъснат рейтинг от 3% за 10-секунди класиран модул, което означава, че краткотрайният рейтинг се равнява приблизително на 33 пъти непрекъснатия рейтинг. Банка с рейтинг от 1 минута носи непрекъснат текущ рейтинг от 7%. Тази характеристика на периодичен режим намалява размера и производствените разходи в сравнение с трансформаторите с непрекъснат режим на работа с еквивалентен капацитет, въпреки че внимателното термично управление остава от съществено значение.

 

 

 

 

4.1 Импеданс на нулева-последователност

Импедансът на нулева-последователност е може би най-критичният параметър за конструкцията на зиг{1}}заг трансформатор. Той определя както големината на тока на-заземяване, така и регулирането на напрежението при небалансирани условия. Само импедансът на трансформатора може да ограничи тока на повреда до желаните нива; като алтернатива, външен резистор или реактор, поставен в неутрала, осигурява допълнителна ограничаваща способност.

4.2 Индуктивност на утечка и не-загуби при натоварване

Двата най-важни проектни параметъра са загуби-без натоварване (хистерезис и загуби от вихрови токове) и импеданс на утечка. Последните постижения в аналитичните методи и моделирането с крайни елементи позволиха по-прецизно изчисляване на индуктивността на утечка в зигзагообразни трансформатори, което е от полза както за изследователите, така и за дизайнерите на трансформатори при оптимизирането на този тип. Реактивното съпротивление на утечка влияе върху поведението на трансформатора при-ограничаване на тока по време на повреди и цялостната му производителност при регулиране на напрежението.

4.3 Кратки-времеви и непрекъснати оценки

Заземяващите трансформатори работят с ясно изразени кратки-време и непрекъснати номинални стойности. Верига с минимален дисбаланс на товара може да се обслужва от трансформатор, предназначен предимно за кратки-продължителни повреди, а не за продължителна работа. Непрекъснатият рейтинг за 10-секунден елемент обикновено е 3% от краткия-времеви рейтинг, докато за 1-минутен елемент е 7%. Примерите за оразмеряване илюстрират този принцип: на 12,47 kV система, доставяща 6000 A земен -ток на повреда, зигзагообразен трансформатор би изисквал 24,9 MVA за кратко време. Тази периодична номинална стойност съответства на непрекъсната номинална мощност от приблизително 0,75 MVA, което позволява на банката да обработва 180 A неутрален ток непрекъснато.

 

 

 

5.1 Предизвикателства пред защитата

Защитата на мрежи със средно{0}}напрежение със зиг{1}}заземяващи трансформатори е предизвикателство. Трансформаторният диференциален модул може да няма чувствителност за откриване на вътрешни заземяващи съединения от страната на триъгълника поради присъщото ограничение на тока на зиг-заг, комбинирано с ефектите на съотношението на силовия трансформатор и приноса на капацитивния ток от захранващите устройства за средно напрежение. Модулът с ограничено земно съединение може да подобри чувствителността, въпреки че външните фазови-фазови-земни съединения с насищане на токов трансформатор изискват специално внимание.

Конвенционалните устройства за насочено сравнение, които сравняват ъгъла между земята и неутралния ток, са неподходящи. Вместо това като ефективни заместители са предложени външни детектори за повреди, които контролират диференциалните модули на трансформатора. За неутрална насочена защита, конвенционалните модули, сравняващи неутрално напрежение и фазови ъгли на тока, неправилно активират условия на повреда в изправност на здрави захранващи устройства; насочените единици, базирани на амплитуда на импеданса на нулева-последователност, предлагат по-надеждно решение.

5.2 Приложими стандарти

Проектирането, тестването и приложението на зиг{0}}заг трансформатор се ръководят от множество стандарти. IEEE C57.105-2019 описва трансформаторни връзки и конфигурации в три-фазни електрически системи, включително всички комбинации от делта и звезда, заземени и незаземени, T-свързани, зигзагообразни и други специални връзки, обхващащи както дву-намотъчни, така и автотрансформатори. Други подходящи стандарти включват IEEE C57.32 за неутрални заземяващи устройства, IEC 60076-25 за неутрални заземяващи резистори и IS 2026/IS 5553 за тестване и съответствие с производителността.

Важно е да се признае, че IEEE C57.105 първоначално е написан за разпределителни системи с първично напрежение до 34,5 kV, въпреки че принципите му се простират по-широко.

 

 

 

6.1 Неутрално заземяване на системата

Основното и най-широко разпространено приложение на зиг{0}}заг трансформаторите е за създаване на заземен неутрал за незаземени три-фазни системи-особено триъгълник-свързани вторични трансформатори и незаземени генераторни или инверторни шини. Това приложение обслужва множество критични функции: намаляване на напрежението от пренапрежение върху изолацията по време на единична връзка-към-заземяване, предоставяне на дефинирана референтна земя за релейна защита и позволяване на непрекъсната работа при небалансирани условия.

Във фотоволтаичните системи и системите с разпределени енергийни ресурси традиционните инвертори често нямат солидна неутрална връзка, което води до дисбаланс на напрежението и неефективно заземяване. Зиг{1}}заг трансформаторите установяват стабилен път с нисък-импеданс към земята, стабилизирайки системата при условия на повреда. За мрежи със средно{4}}напрежение със заземяване с високо-съпротивление зигзагообразният заземяващ трансформатор, комбиниран с неутрални заземяващи резистори, осигуряват чувствителност при откриване на повреда, без да се изисква незабавно изключване-конфигурация, която предлага стабилна защита за критични промишлени процеси.

 

Функцията на Zig Zag трансформаторите:

Вятърни паркове

• Осигурява изкуствена неутрална точка за системи за събиране на средно{0}}напрежение (напр. 35 kV), за да се даде възможност за заземяване
• Предлага път с нисък{0}}импеданс за единична{1}}линия-заземяване, ограничавайки пренапреженията
• Потиска тройните хармоници (3-ти, 9-ти и т.н.) от преобразуватели на вятърни турбини
• По-малки и по-леки от Δ-Y заземяващи трансформатори, идеални за офшорна вятърна енергия

Слънчеви (PV) системи

• Установява еталон за заземяване за AC страната на инвертора, където неутралата е недостъпна
• Намалява три{0}}фазния дисбаланс и генерираните-инвертор хармоници
• Подобрява възможността за преминаване-ниско напрежение-(LVRT), предотвратявайки прекъсване на връзката
• Може да служи като интегриран филтърен индуктор в PV + системи за съхранение

Устройствата за гъвкаво взаимно свързване в съвременните разпределителни мрежи демонстрираха привлекателността на зиг{0}}заземяването на трансформатора както от страна на средно-, така и от страна на ниско-напрежение, превъзхождайки алтернативите за заземяване с голямо реактивно съпротивление и заземяване в средна точка в цялостни сравнения на производителността.

6.2 Хармонично смекчаване

Зиг{0}}заг трансформаторите играят значителна роля за смекчаване на проблемите с неутрален ток, причинени от не-линейни товари. Три-фазните четири{4}}проводникови разпределителни системи все повече страдат от претоварване на неутрален проводник поради разпространението на захранващи-режими на превключване, задвижвания с променлива-честота и други не-линейни електронни товари. Делта-свързаната първична част на конвенционален разпределителен трансформатор елиминира тройните хармоници само при идеално балансирани условия на натоварване; небалансираните товари все още генерират неутрални токове.

Зиг{0}}загообразните трансформатори решават този проблем, като осигуряват път с нисък-импеданс за тройни хармоници, като същевременно поддържат висок импеданс за токове с основна честота. Стратегическото сдвояване на делта-зигзаг с делта-wye трансформатори може да отмени както 5-ия, така и 7-ия хармоник, ефективно постигайки 12-производителност на импулсната система. За по-големи системи множество малки зиг-загообразни трансформатори, поставени близо до товари, поддържат неутралните токове локализирани, елиминирайки необходимостта от големи неутрални проводници и подобрявайки основния баланс на тока на натоварване.

6.3 Интегрирано преобразуване на AC-DC мощност

Отвъд традиционните функции за качество на електроенергията, зиг{0}}трансформаторите са намерили приложение в унифицирани системи за преобразуване на променлив-постоянен ток, които комбинират мрежови (ac) и фотоволтаични (dc) източници на енергия. Индуктивностите на утечка на намотките на зиг-заг трансформаторите могат да се използват като интегрирани усилващи индуктивности в унифицирани системи за променлив-постоянен ток, намалявайки броя на компонентите и общия обем на системата в сравнение с конвенционалните конструкции с отделни индуктори. Класически подходи с подходящи изрази за индуктивност на утечка за намотки с правоъгълна геометрия подкрепят методологията на проектиране.

Усъвършенстваните приложения включват три-стъпални шунтови зигзагообразни двойно{1}}ниско{2}}хармонични много{3}}импулсни токоизправители, където конфигурацията на зигзагообразния трансформатор поддържа корекция на фактора на мощността и хармонично затихване във високо-производителни силови електронни системи.

6.4 Лабораторни и изследователски съоръжения

Изследователски съоръжения-включително ускорители на частици и експериментални системи за разпределение на енергия-внедриха зиг{2}}трансформатори като ценово-ефективни решения за намаляване на неутралните токове, причинени от не-линейни електронни товари. Относително ниската цена, простотата, лекотата на инсталиране в съществуващи разпределителни системи и способността да се поддържат локализирани неутрални токове правят зиг{6}}заг трансформаторите привлекателни в експериментални настройки, където качеството на захранването пряко влияе върху измерването и работата на оборудването.

 

 

 

 

7.1 Определяне на изискванията за-ток на повреда

Първата стъпка при оразмеряването на зиг{0}}трансформатор е определянето на желаното ниво на ток на-заземяване. Проектантите трябва да решат дали да разчитат единствено на вътрешния импеданс на нулева-последователност на трансформатора за ограничаване на тока или да вмъкнат външен резистор. За заземителни системи с високо-съпротивление токовете на повреда обикновено са ограничени до 5–10 A за системи със средно-напрежение. Системите с-ниско съпротивление могат да позволят токове на повреда от 200 A или повече.

7.2 Изчисляване на kVA мощност

За даден неутрален ток () и системно напрежение-към-заземяване (), номиналната стойност на kVA за кратко-време за зиг{1}}трансформатор е:

Непрекъснатият рейтинг също трябва да бъде посочен. За 10-секундно устройство непрекъснатият рейтинг се равнява на 3% от краткосрочния рейтинг, докато 1-минутно устройство изисква 7%.

7.3 Съображения относно приложението

За разлика от конвенционалните силови трансформатори, заземителните трансформатори са устройства с периодично-захранване. Тяхната способност да издържат на високи токове на повреда за кратко време позволява значително намаляване на разходите в сравнение с трансформатор с еквивалентна номинална непрекъсната-работа. Дизайнерите обаче трябва да проверят дали способността за термична устойчивост съответства на очакваното време за изчистване на защитните устройства нагоре по веригата. Заземяващите трансформатори могат да бъдат специфицирани за твърдо заземяване или за използване с външен неутрален заземяващ резистор-като последният предлага гъвкавост при контролиране на големината на тока на заземяване-на повреда.

7.4 Монтаж и пускане в експлоатация

Правилното инсталиране на място е от решаващо значение за надеждната работа. Дейностите преди -пускане в експлоатация трябва да включват тестване на съпротивлението на изолацията, проверка на съотношението на намотките и валидиране-на фазово изместване. Целостта на неутралния път трябва да бъде щателно проверена-прекъсването на всяка фазова връзка към мрежата може да направи функцията за заземяване неработеща. Тестовете за пускане в експлоатация трябва да потвърдят, че трансформаторът представя нисък импеданс на нулева-последователност, като същевременно поддържа висок импеданс на положителна- и отрицателна-последователност при нормални работни условия.

За работа на 50 Hz или 60 Hz загражденията трябва да отговарят на екологичните изисквания за вътрешен или външен монтаж, обикновено с вентилирани заграждения тип 3R за използване на открито.

 

 

 

8.1 Чувствителност към непрекъснатост на фазата

Основно ограничение на зиг{0}}заг трансформаторите е тяхната зависимост от свързването на трите фази. Липсата на еднофазна връзка към мрежата нарушава взаимозависимото разпространение на тока на намотката, елиминирайки способността за провеждане на ток на земно съединение. Тази чувствителност налага надеждни фазови връзки и се противопоставя на вмъкването на превключващи устройства, които биха могли по невнимание да създадат условия на отворена- верига.

За разлика от самостоятелните защитни устройства, зиг{0}}заземителните трансформатори трябва да работят непрекъснато, докато три{1}}фазният източник на захранване е активен. Ако заземяващият трансформатор е изгубен, единична повреда-към-заземяване може да причини високи фазови{5}}към-неутрални напрежения на недефектирани фази, а дисбалансите на товара могат да доведат до неутрални измествания и пренапрежения.

8.2 Насищане при DC инжектиране

В съвременните енергийни системи инжектирането на постоянен ток-независимо дали от инвертори,-свързани с мрежата, геомагнитни смущения или други източници-може да причини насищане на сърцевината на заземяващия трансформатор. Насищането намалява ефективността на трансформатора при осигуряване на земен път с нисък-импеданс и може да доведе до прегряване. Специални предпазни мерки при проектирането или допълнителен мониторинг може да са необходими за системи със значително съдържание на DC.

8.3 Сложност на откриването на грешки

Инженерите по защита трябва да осъзнаят, че конвенционалните диференциални релета може да са неадекватни за вътрешно заземяване-откриване на повреда със зиг{1}}заг трансформатори. Специализирани схеми за защита-включително единици за ограничени земни повреди, външни детектори за повреди и-базирани на величината насочени единици-може да са необходими за цялостно защитно покритие.

 

 

 

Зиг{0}}заг трансформаторите са критични активиращи компоненти за съвременни три{1}}фазни електрически системи. Като осигуряват път с нисък-импеданс за токове с нулева-последователност, като същевременно представят висок импеданс към компонентите на положителна- и отрицателна-последователност, те преодоляват празнината между незаземените системи делта/звезда и безопасността и оперативните предимства на заземената неутрална работа.

Ключовите изводи включват:

• Строителство: Шест полу{0}}намотки, кръстосано-свързани между фазите на три-крайно ядро
• Принцип на действие: Балансът на ампер-завъртане позволява потока на ток с нулева-последователност, като същевременно отменя балансираните токове
• Основно приложение: Неутрално заземяване за незаземени три-фазни системи (делта-захранени или генераторни системи)
• Предимства в производителността: По-висока ефективност и по-малък размер от заземяващите трансформатори тип wye-триъгълник
• Вторични приложения: Намаляване на хармониците (особено тройни хармоници), балансиране на натоварването, интегрирано AC-DC преобразуване
• Съображения за проектиране: Оразмеряване на базата на кратки -продължителни оценки на повредата (10 секунди или 1 минута), непрекъснат 3%–7% капацитет
• Изисквания за защита: Необходими са специализирани схеми; конвенционалната диференциална защита може да е недостатъчна
• Критична инсталация: Твърдофазните връзки към мрежата са от съществено значение; няма превключващи устройства в пътя на заземяване

Изборът между зиг{0}}заземяващ трансформатор и заземяващ трансформатор със звезда-триъгълник в крайна сметка зависи от специфичните изисквания на системата: нужди от ограничаване на тока на повреда, наличен бюджет и пространство, изисквания за смекчаване на хармониците и желанието за наличие на спомагателно захранване. За повечето приложения за заземяване превъзходната ефективност на зиг{3}}заг трансформатора, по-малкият отпечатък и по-доброто хармонично представяне го правят предпочитан избор за нови инсталации.