Transformator uziemiający zygzak — sztuczny punkt zerowy dla sieci bez naturalnego punktu neutralnego

Poradnik o grupach połączeń transformatorów opisuje połączenie uzwojeń i przesunięcie fazowe zwykłych transformatorów mocy. Ten artykuł opisuje wyspecjalizowany typ transformatora, który nie przenosi mocy między dwiema sieciami, lecz służy jednemu konkretnemu celowi: tworzeniu punktu zerowego tam, gdzie naturalnie go nie ma.

Problem: brak dostępnego punktu neutralnego

Sieć połączona w trójkąt (delta) lub sieć z izolowanym punktem zerowym nie ma fizycznie dostępnego punktu neutralnego. Bez takiego punktu nie ma gdzie podłączyć rezystora uziemiającego, dławika Petersena (dławika gaszącego łuk) ani przewodu neutralnego — czegoś potrzebnego, by prąd zwarcia doziemnego mógł płynąć w kontrolowany, mierzalny sposób oraz aby umożliwić wykrywanie zwarć doziemnych (jak opisano w poradniku o systemie IT i monitorowaniu izolacji).

Jak uzwojenie zygzak tworzy sztuczny punkt zerowy

Transformator uziemiający zygzak ma trzy kolumny uzwojenia; każda kolumna niesie dwie połówki uzwojenia, każda podłączona do innej fazy i nawinięta w przeciwnym kierunku względem siebie (stąd "zygzak"). Ma to dwie konsekwencje, dokładnie te, których potrzebuje transformator uziemiający:

• Dla prądu symetrycznego (składowej zgodnej lub przeciwnej — normalnego prądu roboczego zdrowej, symetrycznej sieci) pola magnetyczne dwóch połówek uzwojenia na każdej kolumnie w dużej mierze się znoszą. Transformator zachowuje się wówczas jak wysoka impedancja (magnesująca) i pobiera niewielki prąd.
• Dla prądu składowej zerowej (trzy fazy płynące w tym samym kierunku i w fazie, jak podczas zwarcia fazy do ziemi) obie połówki uzwojenia nie przeciwdziałają sobie, a transformator prezentuje niską impedancję. Prąd zwarcia doziemnego może wówczas płynąć przez sztuczny punkt zerowy transformatora zygzak do ziemi i z powrotem do miejsca zwarcia.

Czyni to transformator zygzak lustrzanym odbiciem zwykłego transformatora mocy pod względem impedancji składowych: wysoka impedancja dla prądu symetrycznego, niska impedancja dla prądu składowej zerowej — dokładnie odwrotnie niż to, do czego zoptymalizowany jest zwykły transformator mocy.

Typowe zastosowania

• Tworzenie punktu zerowego dla generatora, który sam jest nawinięty w trójkąt lub ma nieuziemiony punkt zerowy, aby ochrona zwarć doziemnych mogła działać na generatorze.
• Wyprowadzenie punktu neutralnego w sieci średniego napięcia, która nie ma naturalnie dostępnego punktu zerowego, w celu podłączenia rezystora uziemiającego, dławika Petersena lub przekaźnika ziemnozwarciowego.

Dobór: krótkotrwały prąd zwarciowy, nie ciągła moc znamionowa

Ponieważ transformator uziemiający zygzak w normalnej pracy praktycznie nie pobiera prądu (jedynie niewielki prąd magnesujący i ewentualny prąd niesymetrii), nie dobiera się go na ciągłą moc znamionową jak zwykłego transformatora mocy, lecz na krótkotrwały prąd zwarciowy składowej zerowej, który musi być w stanie przenieść podczas zwarcia doziemnego, przez czas potrzebny zabezpieczeniu do wyeliminowania zwarcia. Transformator zygzak dobrany na podstawie ciągłej pracy pełnej mocy jest typowo znacznie przewymiarowany dla tego zastosowania, a więc niepotrzebnie drogi.

Uwaga: dokładna wartość impedancji składowej zerowej oraz kombinacja prądu i czasu, na które dobiera się konkretny transformator uziemiający zygzak, wynikają ze studium systemowego sieci (pożądany prąd zwarcia doziemnego, czasy zabezpieczeń) oraz specyfikacji producenta zgodnie z IEC 60076-6 (dławiki) i poradnikiem zastosowań IEC 60076-8; ten artykuł opisuje zasadę, nie konkretny projekt.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie schematu uziemienia sieci zasilanej ze źródła połączonego w trójkąt — na przykład strony generatora agregatu awaryjnego lub sieci SN bez dostępnego punktu zerowego — warto sprawdzić, czy transformator uziemiający (oraz ewentualny rezystor lub dławik uziemiający punktu neutralnego połączony szeregowo) jest dopasowany do pożądanego prądu zwarcia doziemnego i nastaw zabezpieczeń, zamiast patrzeć wyłącznie na etykietę mocy znamionowej transformatora.

Częste błędy

1. Dobieranie transformatora uziemiającego zygzak na ciągłą moc znamionową tak, jakby był to zwykły transformator mocy, zamiast na jego krótkotrwały prąd zwarciowy składowej zerowej.
2. Zakładanie, że transformator zygzak może przenosić moc między dwiema sieciami — o ile nie dodano osobnego uzwojenia wtórnego, jest to wyłącznie urządzenie uziemiające bez funkcji przesyłu mocy.
3. Mylenie transformatora uziemiającego zygzak z punktem zerowym zwykłego transformatora mocy Yyn lub Dyn — ten ostatni ma już dostępny punkt zerowy i nie potrzebuje osobnej jednostki zygzak.
4. Dobieranie rezystora lub dławika uziemiającego bez dopasowania go do impedancji składowej zerowej transformatora zygzak, co skutkuje prądem zwarcia doziemnego zbyt wysokim lub zbyt niskim dla nastaw zabezpieczeń.

Powiązane

• Grupy połączeń transformatorów — dlaczego Dyn11 i Yyn0 nie mogą być łączone równolegle bez sprawdzenia
• Przekaźnik Buchholza (przekaźnik gazowy) — dwustopniowa ochrona gazowa transformatorów mocy olejowych
• System IT i monitorowanie izolacji (IMD) — wykrywanie pierwszego zwarcia
• Uziemienie przenośnych agregatów prądotwórczych — system pływający a przyłącze TN