Průvodce k-zig{0}}transformátorům

 

Tato příručka poskytuje komplexní přehled cik-cak transformátorů -speciálních{1}}konfigurací vinutí široce používaných pro uzemnění, zmírnění harmonických, zlepšení kvality napájení a konverzi střídavého-stejnosměrného proudu v moderních elektrických systémech. Příručka pokrývá základní principy provozu, technické charakteristiky, konstrukční úvahy, srovnání s alternativními schématy uzemnění a podrobné aplikační scénáře včetně uzemnění neutrálního systému, potlačení harmonických a integrovaných systémů přeměny energie. Příručka také obsahuje praktické úvahy pro výběr, dimenzování, ochranu a shodu s příslušnými normami, jako jsou IEEE C57.105 a IEC 60076.

Moderní tří{0}}fázové elektrické systémy často pracují se sekundárními transformátory zapojenými do trojúhelníku-, kterým chybí přirozený neutrální bod pro účely uzemnění. Obecněji řečeno, neuzemněné třífázové systémy-ať už z konfigurací delta nebo jiných zdrojů-představují značné provozní problémy, včetně absence definované zemní reference, rizika přechodných přepětí během-do{7}}zemních spojení a potíží s detekcí a lokalizací chyb. K řešení těchto problémů byl vyvinut cik-cak transformátor (známý také jako propojená{10} hvězda nebo uzemňovací transformátor).

Cik cak transformátor je speciální-transformátor s konfigurací vinutí, kde každý výstup je vektorový součet dvou fází posunutých o 120 stupňů. Každé rameno magnetického jádra je rozděleno do dvou sekcí vinutí vinutých v opačných směrech a cívky jsou vzájemně propojeny napříč různými fázemi, aby vytvořily efekt zrušení pro vyvážené proudy a zároveň umožnily proudům s nulovou složkou volně protékat neutrálním připojením.

Zatímco neutrální uzemnění je nejprominentnější aplikací, cik{0}}transformátory se vyvinuly ve všestrannou platformu, která slouží mnoha funkcím: poskytují nízko{1}}impedanční cestu pro zemní-poruchové proudy, potlačují trojnásobné harmonické, vyrovnávají zátěžové proudy a slouží jako nedílná součást v jednotných systémech střídavého-stejnosměrného proudu.

 

 

 

Ačkoli se vnitřní uspořádání může zdát komplikované, princip fungování se v zásadě řídí Ampérovým zákonem-magnetická rovnováha mezi vinutími na stejném jádru určuje, že proud tekoucí v jednom vinutí musí být doprovázen odpovídajícím proudem v druhém vinutí na tomto rameni.

2.2 Analýza toku proudu za poruchových podmínek

Abyste pochopili, jak jsou povoleny proudy s nulovou složkou, zvažte propojení-k-zemnímu spojení na jedné fázi jinak neuzemněného systému. Uspořádání křížově propojeného vinutí vytváří vzájemně závislou cestu šíření proudu. Proud tekoucí nahoru z nulového bodu spodním vinutím fáze A prochází horním vinutím fáze C do připojení k síti. To indukuje odpovídající proud ve spodním vinutí fáze C, který se zase šíří do sítě přes fázi B. Sekvence nadále zahrnuje všechny tři fáze. Kritickým pozorováním je, že všechny proudy v horních vinutích, spodních vinutích a zemním spojení jsou navzájem ve fázi, což je jednoznačně identifikuje jako proudy s nulovou složkou.

Součet těchto nula{0}}sekvenčních proudů napříč všemi třemi fázemi se rovná celkovému zemnímu poruchovému proudu. Za normálních vyvážených provozních podmínek se fázově posunutá napětí ruší a cirkuluje pouze malý budící proud. Pouze za nesymetrických podmínek,-jako jsou zemní poruchy nebo nesymetrické zátěže,-mohou transformátorem protékat nulové{5}}proudy.

2.3 Impedanční charakteristiky

Za normálního provozu má cik{0}}transformátor vysokou impedanci kladných- a záporných-sekvenčních proudů, díky čemuž je v podmínkách vyvážení pro elektrický systém v podstatě neviditelný. Pro nulovou-složku proudů však má transformátor nízkou impedanci a účinně zkratuje nulový vodič k zemi kvůli poruchovým proudům.

Mezi klíčové parametry, které řídí impedanci nulové sekvence{0}}, patří počet závitů vinutí, geometrie jádra, svodová indukčnost mezi dvěma polovinami každého ramene a magnetické vlastnosti materiálu jádra. Schopnost konstrukce železného jádra omezit tok trojitých-harmonických toků je další jedinečnou výhodou, která odlišuje klikaté{3}}konfigurace od jiných schémat uzemnění.

2.4 Kritické požadavky na instalaci

Fáze přerušeného-obvodu-jako je spálená pojistka nebo uvolněné spojení-narušuje vzájemnou závislost proudů vinutí. Když je jedna fáze odpojena, přeruší se řetězec šíření proudu nezbytný pro tok nulové{4}}sekvence a zemnící transformátor již nemůže vést zemní poruchový proud. Proto musí být uzemňovací transformátory pevně spojeny se zemí i sítí bez mezilehlých mechanických spínacích zařízení, která by mohla neúmyslně přerušit kontinuitu.

 

 

 

 

Dva hlavní typyzemnící transformátoryse používají v energetických systémech: cik-cak (propojený-hvězdový) transformátor awye-delta transformátor. Volba mezi nimi s sebou nese značné náklady, velikost a výkon.

3.1 Dimenzování a jmenovitý výkon

Uspořádání cik{0}}zag nabízí podstatně vyšší účinnost než konfigurace uzemněná hvězda-delta. V cik-transformátoru přenáší každé vinutí méně než mezi linkovým-napětím-země- faktorem- umožňující nižší celkový jmenovitý výkon:. Naproti tomu uzemněný ye-trojúhelníkový transformátor vyžadujepro stejný neutrální proud. Díky tomuto podstatnému rozdílu jsou cik-transformátory přibližně o jednu-třetinu menší v kVA než u transformátorů typu wye-trojúhelník pro stejné požadavky na neutrální proud.

Výrobci uvádějí, že cik{0}}transformátory cik-cak nabízejí nižší náklady a menší fyzickou stopu než transformátory Wye-trojúhelník se stejnou specifikací impedance nulové sekvence{2}}, což z nich činí preferovanou volbu ve většině aplikací uzemnění.

3.2 Harmonický výkon

Wye-trojúhelníkové transformátory cirkulují trojité harmonické (3., 9., 15. atd.) v trojúhelníkovém vinutí, ale neeliminují neutrální proudy generované nesymetrickými zátěžemi. Naproti tomu cik-cak transformátory recirkulují třetí harmonické proudy z nulového vodiče zpět na stranu zátěže, čímž aktivně snižují harmonické na sekundární straně. Toto je principiálně odlišný mechanismus od transformátorů delta-ye, kde jsou trojité harmonické jednoduše zachyceny v uzavřené smyčce trojúhelníku.

3.3 Jmenovitá doba a tepelná zátěž

Oba typy slouží jako krátkodobá{0}}zařízení, obvykle určená pro trvání poruchy 10-sekundy nebo 1{13}}minuty spíše než nepřetržitý provoz. ANSI/IEEE Std. 32-1972 vyžaduje nepřetržité hodnocení 3 % pro 10{14}}sekundovou hodnocenou jednotku, což znamená, že krátkodobé hodnocení se rovná přibližně 33násobku nepřetržitého hodnocení. Banka s hodnocením za 1 minutu nese nepřetržitý aktuální rating 7 %. Tato charakteristika přerušovaného zatížení snižuje velikost a výrobní náklady ve srovnání s transformátory pro nepřetržitý provoz s ekvivalentní kapacitou, i když pečlivé tepelné řízení zůstává zásadní.

 

 

 

 

4.1 Impedance nulové{1}}sekvence

Impedance nulové{0}}sekvence je pravděpodobně nejkritičtějším parametrem pro návrh transformátoru cik{1}}zag. Určuje jak velikost zemního-poruchového proudu, tak i regulaci napětí za nesymetrických podmínek. Samotná impedance transformátoru může omezit poruchový proud na požadovanou úroveň; alternativně externí rezistor nebo reaktor vložený do neutrálu poskytuje další omezující schopnost.

4.2 Svodová indukčnost a žádné-ztráty zátěže

Dva nejdůležitější parametry návrhu jsou ztráty naprázdno- (hystereze a ztráty vířivými proudy) a svodová impedance. Nedávné pokroky v analytických metodách a modelování metodou konečných prvků umožnily přesnější výpočet svodové indukčnosti v cikcak transformátorech, což je přínosem pro výzkumníky i konstruktéry transformátorů při optimalizaci tohoto typu. Svodová reaktance ovlivňuje chování transformátoru při omezování proudu-při poruchách a celkovou výkonnost regulace napětí.

4.3 Krátké-časové a průběžné hodnocení

Uzemňovací transformátory pracují s výrazně krátkodobou{0}}časovou a nepřetržitou jmenovitou hodnotou. Obvod s minimální nesymetrií zátěže může být obsluhován transformátorem určeným převážně pro krátkodobé-poruchy spíše než pro nepřetržitý provoz. Nepřetržité hodnocení za 10-sekundovou jednotku je obvykle 3 % krátkodobého-hodnocení, zatímco za 1-minutovou jednotku je to 7 %. Příklady dimenzování ilustrují tento princip: na systému 12,47 kV dodávajícím zemní poruchový proud 6000 A{15} by klikatý transformátor vyžadoval krátkodobý jmenovitý výkon 24,9 MVA. Toto přerušované hodnocení odpovídá trvalému výkonu přibližně 0,75 MVA, což bance umožňuje nepřetržitě zpracovávat 180 A neutrálního proudu.

 

 

 

5.1 Výzvy v oblasti ochrany

Ochrana středně{0}}napěťových sítí pomocí cik-cak{1}}zemních transformátorů je náročná. Diferenciální jednotka transformátoru může postrádat citlivost pro detekci vnitřních zemních poruch na straně trojúhelníku kvůli přirozenému omezení proudu cik-zag v kombinaci s účinky převodového poměru výkonového transformátoru a kapacitních proudových příspěvků z vývodů vysokého napětí. Jednotka Restricted Earth Fault může zvýšit citlivost, i když externí fázové -fázové- zemní poruchy se saturací proudového transformátoru vyžadují zvláštní pozornost.

Běžné směrové srovnávací jednotky, které porovnávají úhel mezi zemním a neutrálním proudem, jsou nevhodné. Místo toho byly jako účinné náhrady navrženy externí detektory poruch, které dohlížejí na diferenciální jednotky transformátorů. Pro neutrální směrovou ochranu konvenční jednotky porovnávající neutrální fázové úhly napětí a proudu nesprávně aktivují dopředné poruchové stavy na zdravých napájecích zdrojích; směrové jednotky založené na velikosti impedance nulové{2}}sekvence nabízejí spolehlivější řešení.

5.2 Platné normy

Návrh, testování a použití transformátoru cik-cak se řídí několika standardy. IEEE C57.105-2019 popisuje transformátorová zapojení a konfigurace ve tří-fázových elektrických systémech, včetně všech kombinací trojúhelníkových a wye, uzemněných a neuzemněných, T-připojených, klikatých a dalších speciálních zapojení, které pokrývají dva-vinutí i automatické transformátory. Mezi další relevantní normy patří IEEE C57.32 pro neutrální zemnící zařízení, IEC 60076-25 pro neutrální zemnící odpory a IS 2026/IS 5553 pro testování a shodu s výkonem.

Je důležité si uvědomit, že IEEE C57.105 byl původně napsán pro distribuční soustavy s primárním napětím do 34,5 kV, i když jeho principy jsou širší.

 

 

 

6.1 Neutrální uzemnění systému

Primární a nejrozšířenější aplikací cik-transformátorů je vytvoření uzemněného nulového vodiče pro neuzemněné tří-fázové systémy-zejména do trojúhelníku-zapojené sekundární transformátory a neuzemněné generátory nebo invertorové sběrnice. Tato aplikace slouží několika kritickým funkcím: snižuje přepěťové namáhání izolace během zemního spojení-do{6}}, poskytuje definovanou zemní referenci pro ochranné relé a umožňuje nepřetržitý provoz během nesymetrických podmínek.

Ve fotovoltaických systémech a systémech distribuovaných zdrojů energie tradiční invertory často postrádají pevné neutrální spojení, což vede k napěťové nerovnováze a neúčinnému uzemnění. Klikaté transformátory vytvářejí stabilní cestu s nízkou impedancí k zemi a stabilizují systém při poruchových stavech. Pro sítě středního-napěťového napětí s vysokým-odporovým uzemněním poskytuje cik cak zemnící transformátor kombinovaný s neutrálními zemnicími odpory citlivost detekce chyb bez nutnosti okamžitého vypnutí-, což je konfigurace, která nabízí robustní ochranu pro kritické průmyslové procesy.

 

Funkce Zig Zag transformátorů:

Větrné farmy

• Poskytuje umělý neutrální bod pro systémy sběru středního-napětí (např. 35 kV), aby bylo možné uzemnění
• Nabízí nízko{0}}impedanční cestu pro jednu linku-k-zemnímu spojení, omezuje přepětí
• Potlačuje trojité harmonické (3., 9. atd.) z měničů větrných turbín
• Menší a lehčí než zemnící transformátory Δ-Y, ideální pro větrné elektrárny na moři

Solární (PV) systémy

• Stanovuje referenční uzemnění pro střídavou stranu střídače, kde nulový vodič není k dispozici
• Zmírňuje tří{0}}fázovou nesymetrii a invertorem{1}}generované harmonické
• Vylepšuje schopnost nízkého-průchodu{1}}napětí (LVRT) a zabraňuje odpojení
• Může sloužit jako integrovaná filtrační cívka ve FV + akumulačních systémech

Flexibilní propojovací zařízení v moderních distribučních sítích prokázala atraktivitu cik{0}}cik-cak uzemnění transformátoru na straně středního- i nízkého- napětí, čímž předčí alternativy uzemnění s velkou reaktancí a uzemnění středního bodu v komplexním srovnání výkonu.

6.2 Harmonické zmírnění

Cik{0}}transformátory hrají významnou roli při zmírňování problémů s neutrálním proudem způsobených ne-lineární zátěží. Tří-fázový čtyřvod-vodičové distribuční systémy stále více trpí přetěžováním neutrálního vodiče kvůli rozšiřování spínaných-režimů napájecích zdrojů, měničů-proměnné frekvence a dalších ne-lineárních elektronických zátěží. Delta-zapojený primár konvenčního distribučního transformátoru eliminuje trojité harmonické pouze za dokonale vyvážených podmínek zatížení; nesymetrické zátěže stále generují neutrální proudy.

Klikaté transformátory řeší tento problém tím, že poskytují nízko{1}}impedanční cestu pro trojité harmonické při zachování vysoké impedance pro proudy základní frekvence. Strategické párování delta-cik-cak s delta{4}}ye transformátory může zrušit 5. i 7. harmonickou a efektivně dosáhnout 12-pulsního výkonu systému. U větších systémů udržuje několik malých cik-cak transformátorů umístěných v blízkosti zátěží nulové proudy lokalizované, čímž se eliminuje potřeba předimenzovaných nulových vodičů a zlepšuje se základní rovnováha zátěžového proudu.

6.3 Integrovaná konverze střídavého-stejnosměrného proudu

Kromě tradičních funkcí kvality energie našly cik-transformátory uplatnění v jednotných systémech konverze střídavého-stejnosměrného proudu, které kombinují síťové (střídavé) a fotovoltaické (stejnosměrné) zdroje energie. Svodové indukčnosti vinutí cik-transformátorů lze využít jako integrované zesilovací indukčnosti v unifikovaných střídavých{4}}stejnosměrných systémech, čímž se sníží počet součástí a celkový objem systému ve srovnání s konvenčními konstrukcemi se samostatnými induktory. Klasické přístupy s vhodným vyjádřením svodové indukčnosti pro vinutí s pravoúhlou geometrií podporují metodologii návrhu.

Pokročilé aplikace zahrnují třístupňové cik-cak dvojité-nízkodotykové{2}}harmonické více{3}impulzní usměrňovače, kde konfigurace cik-cak transformátoru podporuje korekci účiníku a harmonický útlum ve vysoce-výkonových elektronických systémech.

6.4 Laboratorní a výzkumná zařízení

Výzkumná zařízení-včetně urychlovačů částic a experimentálních systémů distribuce energie-implementovala cik-transformátory jako nákladově-efektivní řešení pro snížení neutrálních proudů způsobených ne-lineárními elektronickými zátěžemi. Relativně nízká cena, jednoduchost, snadná instalace do stávajících distribučních systémů a schopnost udržovat lokalizované neutrální proudy činí z cik-transformátorů atraktivní v experimentálních podmínkách, kde kvalita napájení přímo ovlivňuje měření a výkon zařízení.

 

 

 

 

7.1 Určení aktuálních požadavků na zemní-poruchu

Prvním krokem při dimenzování cik-transformátoru je určení požadované úrovně zemního{1}}poruchového proudu. Konstruktéři se musí rozhodnout, zda se při omezení proudu budou spoléhat pouze na vnitřní nulovou-sekvenční impedanci transformátoru, nebo zda vloží externí rezistor. U zemnících systémů s vysokým{5}}odporem jsou poruchové proudy obvykle omezeny na 5–10 A pro systémy středního napětí-. Systémy s nízkým{10}odporem mohou povolit poruchové proudy 200 A nebo více.

7.2 Výpočet hodnocení kVA

Pro daný neutrální proud () a systémové napětí-k{1}}uzemnění (), krátkodobé-hodnocení kVA pro cik-transformátor je:

Musí být také specifikováno průběžné hodnocení. U 10-sekundového zařízení se průběžné hodnocení rovná 3 % krátkodobého hodnocení, zatímco 1minutové zařízení vyžaduje 7 %.

7.3 Aplikační aspekty

Na rozdíl od konvenčních výkonových transformátorů jsou zemnící transformátory přerušovaná{0}}zařízení. Jejich schopnost odolat vysokým poruchovým proudům po krátkou dobu umožňuje výrazné snížení nákladů ve srovnání s ekvivalentně dimenzovaným nepřetržitým-transformátorem. Konstruktéři však musí ověřit, že tepelná odolnost odpovídá očekávané době čištění předřazených ochranných zařízení. Zemnící transformátory lze specifikovat pro pevné uzemnění nebo pro použití s ​​externím neutrálním uzemňovacím odporem-ten druhý nabízí flexibilitu při řízení velikosti zemního-proudu.

7.4 Instalace a uvedení do provozu

Správná instalace na místě je zásadní pro spolehlivý provoz. Činnosti před{1}}uvedením do provozu by měly zahrnovat testování izolačního odporu, ověření poměru vinutí a ověření-fázového posunu. Integrita neutrální cesty musí být důkladně ověřena-přerušení jakéhokoli fázového připojení k síti může způsobit nefunkčnost funkce uzemnění. Zkoušky při uvedení do provozu by měly ověřit, že transformátor vykazuje nízkou nulovou -impedanci při zachování vysoké kladné- a záporné- impedance za normálních provozních podmínek.

Pro provoz s frekvencí 50 Hz nebo 60 Hz musí skříně splňovat požadavky na prostředí pro vnitřní nebo venkovní instalaci, obvykle s odvětrávanými skříněmi typu 3R pro venkovní použití.

 

 

 

8.1 Citlivost kontinuity fáze

Zásadním omezením cik-transformátorů je jejich závislost na všech třech připojených fázích. Absence jednofázového připojení k síti přeruší vzájemně závislé šíření proudu vinutím, čímž se eliminuje schopnost vést zemní poruchový proud. Tato citlivost vyžaduje spolehlivá fázová spojení a argumentuje proti vkládání spínacích zařízení, která by mohla neúmyslně vytvořit podmínky otevřeného- obvodu.

Na rozdíl od samostatných ochranných zařízení musí cik{0}}cik-cak uzemňovací transformátory zůstat nepřetržitě v provozu, dokud je aktivní třífázový zdroj energie. Pokud dojde ke ztrátě uzemňovacího transformátoru, spojení jednoho vodiče-na-zemní spojení může způsobit vysoká fázová-na-neutrální napětí na nepoškozených fázích a nesymetrie zátěže může vést k posunům neutrálního vodiče a přepětí.

8.2 Sytost pod DC injekcí

V moderních energetických systémech může injektáž stejnosměrného proudu -z měničů připojených k síti-, geomagnetického rušení nebo jiných zdrojů- způsobit saturaci jádra zemnícího transformátoru. Saturace snižuje účinnost transformátoru při poskytování nízkoimpedanční zemní cesty a může vést k přehřátí. U systémů s významným obsahem stejnosměrného proudu mohou být vyžadována zvláštní opatření při návrhu nebo dodatečné monitorování.

8.3 Složitost detekce poruch

Technici ochrany musí uznat, že konvenční diferenciální relé mohou být nedostatečná pro detekci vnitřních zemních -chyb pomocí cik-transformátorů. Pro komplexní pokrytí ochrany mohou být vyžadována speciální schémata ochrany-včetně jednotek omezeného zemního zkratu, externích detektorů poruch a -směrových jednotek založených na velikosti{5}}.

 

 

 

Klikaté transformátory jsou kritickými součástmi pro moderní třífázové elektrické systémy-. Tím, že poskytují nízko{3}}impedanční cestu pro nulovou{4}}složku proudů, a zároveň poskytují vysokou impedanci kladným- a záporným-složkám, překlenují propast mezi neuzemněnými systémy delta/wye a bezpečnostními a provozními výhodami uzemněného neutrálního provozu.

Mezi hlavní věci patří:

• Konstrukce: Šest polovičních-vinutí křížově{1}}propojených mezi fázemi na tří-jádru
• Princip fungování: Ampér-vyvážení otáček umožňuje nulovou{1}}sekvenční tok proudu, zatímco ruší symetrické proudy
• Primární aplikace: Neuzemnění pro neuzemněné tří{0}}fázové systémy (trojúhelník-napájené nebo generátorové systémy)
• Výkonové výhody: Vyšší účinnost a menší velikost než u zemnících transformátorů typu Wye{0}}trojúhelník
• Sekundární aplikace: Harmonické zmírnění (zejména trojité harmonické), vyrovnávání zátěže, integrovaná a-stejnosměrná konverze
• Úvahy o designu: Dimenzování na základě krátkodobého-hodnocení poruch (10 sekund nebo 1 min), nepřetržitá kapacita 3 %–7 %
• Požadavky na ochranu: Požadují se specializované programy; konvenční diferenciální ochrana může být nedostatečná
• Kritická instalace: Nezbytné připojení pevné fáze k síti; žádná spínací zařízení v uzemňovací cestě

Výběr mezi uzemňovacím transformátorem cik{0}}zag a wye{1}}v konečném důsledku závisí na konkrétních požadavcích systému: potřebách omezení poruchového proudu, dostupném rozpočtu a prostoru, požadavcích na zmírnění harmonických a požadavku na dostupnost pomocného napájení. Pro většinu aplikací uzemnění je cik-transformátor díky své vynikající účinnosti, menším půdorysům a lepšímu harmonickému výkonu preferovanou volbou pro nové instalace.