Заземлювальний трансформатор зигзаг — штучна нейтраль для мереж без природної нейтралі

Посібник про групи з'єднання обмоток трансформатора розглядає з'єднання обмоток і фазовий зсув звичайних силових трансформаторів. Ця стаття розглядає спеціалізований тип трансформатора, який не передає потужність між двома мережами, а слугує одній конкретній меті: створенню нейтральної точки там, де її природним чином немає.

Проблема: відсутність доступної нейтральної точки

Мережа, з'єднана трикутником (дельта), або мережа з ізольованою нейтраллю не має фізично доступної нейтральної точки. Без такої точки нема куди підключити заземлювальний резистор, котушку Петерсена (дугогасну котушку) або нульовий провідник — те, що потрібно для протікання струму замикання на землю контрольованим, вимірюваним чином і для виявлення замикань на землю (як розглянуто в посібнику про систему IT і контроль ізоляції).

Як обмотка зигзаг створює штучну нейтраль

Заземлювальний трансформатор зигзаг має три стрижні обмотки; кожен стрижень несе дві половини обмотки, кожна з яких підключена до іншої фази і намотана у протилежному напрямку відносно одна одної (звідси "зигзаг"). Це має два наслідки, які є саме тим, що потрібно заземлювальному трансформатору:

• Для симетричного струму (прямої чи зворотної послідовності — нормального робочого струму справної, симетричної мережі) магнітні поля двох половин обмотки на кожному стрижні значною мірою компенсують одна одну. Трансформатор тоді поводиться як високий (намагнічувальний) імпеданс і практично не споживає струм.
• Для струму нульової послідовності (три фази, що протікають в одному напрямку і синфазно, як при замиканні фази на землю) дві половини обмотки не протидіють одна одній, і трансформатор представляє низький імпеданс. Струм замикання на землю може тоді протікати через штучну нейтраль трансформатора зигзаг на землю і назад до місця пошкодження.

Це робить трансформатор зигзаг дзеркальним відображенням звичайного силового трансформатора з погляду імпедансів послідовностей: високий імпеданс для симетричного струму, низький імпеданс для струму нульової послідовності — точно протилежно тому, для чого оптимізовано звичайний силовий трансформатор.

Типові застосування

• Створення нейтральної точки для генератора, який сам намотаний трикутником або має незаземлену нейтраль, щоб захист від замикань на землю міг функціонувати на генераторі.
• Отримання нейтральної точки в мережі середньої напруги, яка не має природно доступної нейтральної точки, для підключення заземлювального резистора, котушки Петерсена або реле замикання на землю.

Вибір параметрів: короткочасний струм пошкодження, а не безперервна номінальна потужність

Оскільки заземлювальний трансформатор зигзаг у нормальному режимі роботи практично не споживає струм (лише невеликий намагнічувальний струм і можливий струм небалансу), його розраховують не на безперервну номінальну потужність, як звичайний силовий трансформатор, а на короткочасний струм пошкодження нульової послідовності, який він повинен витримати під час замикання на землю, протягом часу, необхідного захисту для усунення пошкодження. Трансформатор зигзаг, розрахований на основі безперервної роботи при повному навантаженні, зазвичай значно завищений за параметрами для цього застосування і тому невиправдано дорогий.

Увага: точне значення імпедансу нульової послідовності та комбінація струму й тривалості, на які розраховують конкретний заземлювальний трансформатор зигзаг, визначаються системним дослідженням мережі (бажаний струм замикання на землю, час спрацювання захисту) та специфікацією виробника згідно з IEC 60076-6 (реактори) і посібником із застосування IEC 60076-8; ця стаття розглядає принцип, а не конкретний проєкт.

Практична значущість

Під час оцінювання схеми заземлення мережі, що живиться від джерела, з'єднаного трикутником — наприклад, сторони генератора аварійного агрегата або мережі середньої напруги без доступної нейтральної точки — варто перевірити, чи відповідає заземлювальний трансформатор (і будь-який послідовно ввімкнений заземлювальний резистор чи котушка нейтралі) бажаному струму замикання на землю та налаштуванням захисту, замість того щоб дивитися лише на табличку номінальної потужності трансформатора.

Часті помилки

1. Розрахунок заземлювального трансформатора зигзаг на безперервну номінальну потужність, ніби це звичайний силовий трансформатор, замість розрахунку на його короткочасний струм пошкодження нульової послідовності.
2. Припущення, що трансформатор зигзаг може передавати потужність між двома мережами — якщо не додано окрему вторинну обмотку, це виключно заземлювальний пристрій без функції передачі потужності.
3. Плутанина заземлювального трансформатора зигзаг з нейтральною точкою звичайного силового трансформатора Yyn чи Dyn — останній вже має доступну нейтральну точку і не потребує окремого вузла зигзаг.
4. Вибір заземлювального резистора чи котушки без узгодження з імпедансом нульової послідовності трансформатора зигзаг, що призводить до струму замикання на землю, надто високого чи надто низького для налаштувань захисту.

Пов'язані матеріали

• Групи з'єднання обмоток трансформатора — чому Dyn11 і Yyn0 не можна просто вмикати паралельно
• Реле Бухгольца (газове реле) — двоступенева газова захист масляних силових трансформаторів
• Система IT і контроль ізоляції (IMD) — виявлення першого пошкодження
• Заземлення переносних агрегатів — плаваюча система проти підключення TN