Zigzag-aardingstransformator — een kunstmatig sterpunt voor netten zonder natuurlijk nulpunt

De gids over transformator-vectorgroepen behandelt de wikkelverbinding en faseverschuiving van gewone vermogenstransformatoren. Dit artikel behandelt een gespecialiseerd type transformator dat geen vermogen overdraagt tussen twee netten, maar één specifiek doel dient: het creëren van een sterpunt waar dat van nature ontbreekt.

Het probleem: geen toegankelijk nulpunt

Een driehoek-geschakeld (delta) net, of een net met een geïsoleerd sterpunt, heeft geen fysiek toegankelijk nulpunt. Zonder zo'n nulpunt is er geen plek om een aardingsweerstand, een Petersen-spoel (aardspoel) of een nulleider op aan te sluiten — iets wat nodig is om aardfoutstroom op een beheerste, meetbare manier te laten lopen en om aardfoutdetectie (zoals behandeld in de gids over IT-stelsel en isolatiebewaking) mogelijk te maken.

Hoe de zigzag-wikkeling een kunstmatig sterpunt creëert

Een zigzag-aardingstransformator heeft drie wikkelbenen; elk been draagt twee wikkelhelften die elk op een andere fase zijn aangesloten en in tegengestelde wikkelzin ten opzichte van elkaar zijn gewikkeld (vandaar "zigzag"). Dit heeft twee gevolgen die precies zijn wat nodig is voor een aardingstransformator:

• Voor evenwichtige stroom (positieve of negatieve volgorde — de normale bedrijfsstroom van een gezond, symmetrisch net) heffen de magnetische velden van de twee wikkelhelften op elk been elkaar grotendeels op. De transformator gedraagt zich dan als een hoge (magnetiserings-)impedantie en trekt nauwelijks stroom.
• Voor nulvolgorde-stroom (drie fasen die, zoals bij een fase-aardfout, in dezelfde richting en in fase lopen) werken de twee wikkelhelften juist niet tegen elkaar in, en presenteert de transformator een lage impedantie. Aardfoutstroom kan zo via het kunstmatige sterpunt van de zigzag-transformator naar aarde lopen en weer terug naar de fout.

Dit maakt de zigzag-transformator het spiegelbeeld van een normale vermogenstransformator op het punt van sequentie-impedanties: hoge impedantie voor evenwichtige stroom, lage impedantie voor nulvolgorde-stroom — precies andersom dan waarvoor een gewone vermogenstransformator is geoptimaliseerd.

Typische toepassingen

• Het creëren van een sterpunt voor een generator die zelf in driehoek of ongeaard sterpunt is gewikkeld, zodat aardfoutbeveiliging op de generator kan functioneren.
• Het afleiden van een nulpunt in een middenspanningsnet dat van nature geen toegankelijk sterpunt heeft, ten behoeve van aardingsweerstand-, Petersen-spoel- of aardfoutrelais-aansluiting.

Dimensionering: kortstondige foutstroom, niet continu vollastvermogen

Omdat een zigzag-aardingstransformator in normaal bedrijf vrijwel geen stroom trekt (alleen een kleine magnetiseringsstroom en eventuele onbalansstroom), wordt hij niet gedimensioneerd op continu vollastvermogen zoals een gewone vermogenstransformator, maar op de kortstondige nulvolgorde-foutstroom die hij tijdens een aardfout moet kunnen voeren gedurende de tijd die de beveiliging nodig heeft om de fout te wissen. Een zigzag-transformator die op continu-vollastbasis is gedimensioneerd, is voor deze toepassing typisch fors overgedimensioneerd en dus onnodig duur.

Let op: de exacte zero-sequence-impedantiewaarde en de stroomsterkte-/tijdduur-combinatie waarop een specifieke zigzag-aardingstransformator wordt gedimensioneerd, volgen uit de systeemstudie van het net (gewenste aardfoutstroom, beveiligingstijden) en de opgave van de fabrikant volgens IEC 60076-6 (reactoren) en de toepassingsrichtlijn IEC 60076-8; dit artikel behandelt het principe, niet een specifiek ontwerp.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van een aardingsschema van een net dat vanuit een driehoek-gewikkelde bron wordt gevoed — bijvoorbeeld de generatorzijde van een noodstroomaggregaat of een MS-net zonder toegankelijk sterpunt — is het zinvol te controleren of de aardingstransformator (en de eventuele in serie geschakelde aardingsweerstand of -spoel) is afgestemd op de gewenste aardfoutstroom en de beveiligingsinstellingen, in plaats van alleen naar het vermogenslabel van de transformator te kijken.

Veelgemaakte fouten

1. Een zigzag-aardingstransformator dimensioneren op continu vollastvermogen alsof het een gewone vermogenstransformator is, in plaats van op zijn kortstondige nulvolgorde-foutstroom.
2. Aannemen dat een zigzag-transformator vermogen kan overdragen tussen twee netten — dit is, tenzij een aparte secundaire wikkeling is toegevoegd, uitsluitend een aardingsvoorziening zonder vermogensoverdrachtsfunctie.
3. De zigzag-aardingstransformator verwarren met het sterpunt van een gewone Yyn- of Dyn-vermogenstransformator — die laatste heeft al een toegankelijk sterpunt en heeft geen aparte zigzag-eenheid nodig.
4. De aardingsweerstand of -spoel kiezen zonder deze af te stemmen op de nulvolgorde-impedantie van de zigzag-transformator, met een aardfoutstroom tot gevolg die te hoog of te laag is voor de beveiligingsinstellingen.

Gerelateerd

• Transformator-vectorgroepen — waarom Dyn11 en Yyn0 niet zomaar parallel mogen
• Buchholzrelais (gasrelais) — tweetraps gasbescherming van oliegevulde vermogenstransformatoren
• IT-stelsel en isolatiebewaking (IMD) — eerstefoutdetectie
• Aarding van draagbare aggregaten — zwevend systeem versus TN-aansluiting