Заземляющий трансформатор зигзаг — искусственная нейтраль для сетей без естественной нейтрали

Руководство о группах соединения обмоток трансформатора рассматривает соединение обмоток и фазовый сдвиг обычных силовых трансформаторов. Эта статья рассматривает специализированный тип трансформатора, который не передаёт мощность между двумя сетями, а служит одной конкретной цели: созданию нейтральной точки там, где её естественным образом нет.

Проблема: отсутствие доступной нейтральной точки

Сеть, соединённая треугольником (дельта), или сеть с изолированной нейтралью не имеет физически доступной нейтральной точки. Без такой точки некуда подключить заземляющий резистор, катушку Петерсена (дугогасящую катушку) или нулевой проводник — то, что необходимо для протекания тока замыкания на землю контролируемым, измеримым образом и для обнаружения замыканий на землю (как рассмотрено в руководстве о системе IT и контроле изоляции).

Как обмотка зигзаг создаёт искусственную нейтраль

Заземляющий трансформатор зигзаг имеет три стержня обмотки; каждый стержень несёт две половины обмотки, каждая из которых подключена к разной фазе и намотана в противоположном направлении относительно друг друга (отсюда "зигзаг"). Это имеет два следствия, которые являются именно тем, что нужно заземляющему трансформатору:

• Для симметричного тока (прямой или обратной последовательности — нормального рабочего тока исправной, симметричной сети) магнитные поля двух половин обмотки на каждом стержне в значительной степени компенсируют друг друга. Трансформатор тогда ведёт себя как высокий (намагничивающий) импеданс и практически не потребляет ток.
• Для тока нулевой последовательности (три фазы, протекающие в одном направлении и синфазно, как при замыкании фазы на землю) две половины обмотки не противодействуют друг другу, и трансформатор представляет низкий импеданс. Ток замыкания на землю может тогда протекать через искусственную нейтраль трансформатора зигзаг на землю и обратно к месту повреждения.

Это делает трансформатор зигзаг зеркальным отражением обычного силового трансформатора с точки зрения импедансов последовательностей: высокий импеданс для симметричного тока, низкий импеданс для тока нулевой последовательности — точно противоположно тому, для чего оптимизирован обычный силовой трансформатор.

Типичные применения

• Создание нейтральной точки для генератора, который сам намотан треугольником или имеет незаземлённую нейтраль, чтобы защита от замыканий на землю могла функционировать на генераторе.
• Получение нейтральной точки в сети среднего напряжения, которая не имеет естественно доступной нейтральной точки, для подключения заземляющего резистора, катушки Петерсена или реле замыкания на землю.

Выбор параметров: кратковременный ток повреждения, а не непрерывная номинальная мощность

Поскольку заземляющий трансформатор зигзаг в нормальном режиме работы практически не потребляет ток (только небольшой намагничивающий ток и возможный ток небаланса), он рассчитывается не на непрерывную номинальную мощность, как обычный силовой трансформатор, а на кратковременный ток повреждения нулевой последовательности, который он должен выдержать во время замыкания на землю, в течение времени, необходимого защите для устранения повреждения. Трансформатор зигзаг, рассчитанный на основе непрерывной работы при полной нагрузке, обычно значительно завышен по параметрам для этого применения и потому излишне дорог.

Внимание: точное значение импеданса нулевой последовательности и комбинация тока и продолжительности, на которые рассчитывается конкретный заземляющий трансформатор зигзаг, определяются системным исследованием сети (желаемый ток замыкания на землю, время срабатывания защиты) и спецификацией производителя согласно IEC 60076-6 (реакторы) и руководству по применению IEC 60076-8; эта статья рассматривает принцип, а не конкретный проект.

Практическая значимость

При оценке схемы заземления сети, питаемой от источника, соединённого треугольником — например, стороны генератора аварийного агрегата или сети среднего напряжения без доступной нейтральной точки — целесообразно проверить, соответствует ли заземляющий трансформатор (и любой последовательно включённый заземляющий резистор или катушка нейтрали) желаемому току замыкания на землю и настройкам защиты, вместо того чтобы смотреть только на табличку номинальной мощности трансформатора.

Частые ошибки

1. Расчёт заземляющего трансформатора зигзаг на непрерывную номинальную мощность, как если бы это был обычный силовой трансформатор, вместо расчёта на его кратковременный ток повреждения нулевой последовательности.
2. Предположение, что трансформатор зигзаг может передавать мощность между двумя сетями — если не добавлена отдельная вторичная обмотка, это исключительно заземляющее устройство без функции передачи мощности.
3. Путаница заземляющего трансформатора зигзаг с нейтральной точкой обычного силового трансформатора Yyn или Dyn — у последнего уже есть доступная нейтральная точка, и ему не нужен отдельный узел зигзаг.
4. Выбор заземляющего резистора или катушки без согласования с импедансом нулевой последовательности трансформатора зигзаг, что приводит к току замыкания на землю, слишком высокому или слишком низкому для настроек защиты.

Связанные материалы

• Группы соединения обмоток трансформатора — почему Dyn11 и Yyn0 нельзя просто включать параллельно
• Реле Бухгольца (газовое реле) — двухступенчатая газовая защита масляных силовых трансформаторов
• Система IT и контроль изоляции (IMD) — обнаружение первого повреждения
• Заземление переносных агрегатов — плавающая система против подключения TN