Заземляющий трансформатор создаёт нейтральную точку в энергосистемах, где её нет, например, в дельта-сетях. Он обеспечивает безопасный ток при забое, улучшает стабильность напряжения и помогает корректно работать защитные реле. В этой статье подробно и подробно объясняются его типы, режимы заземления, размеры, проектирование, установка, преимущества и многое другое.
Обзор заземляющего трансформатора
Заземляющий трансформатор, также называемый заземляющим трансформатором, — это устройство, используемое в энергосистемах для создания соединения с землёй. Некоторые электрические системы, например с дельта-соединениями, не имеют прямого пути к земле. Это может быть проблемой, потому что затрудняет обнаружение неисправностей или поддержание стабильного напряжения при ошибках. Заземляющий трансформатор помогает, создавая нейтральную точку. Эта нейтральная точка обеспечивает электричеству безопасный путь к земле при неисправности. Это также помогает системе сохранять баланс при неравномерной нагрузке. Трансформатор играет основную роль в обеспечении безопасности и правильной работы системы. Он также помогает быстро выявлять и устранять проблемы, что помогает предотвратить повреждения и поддерживать бесперебойную работу системы.
Тип обмоток заземляющего трансформатора
Зигзагообразная обмотка
Зигзагообразная обмотка делит каждую фазу на две части, соединённые в противоположных направлениях для подавления фазовых токов. Такая схема создаёт стабильную точку нейтрали, помогает подавлять гармоники и не меняет уровень напряжения. Он лучше всего подходит для систем, требующих эффективного заземления без преобразования напряжения. Используется в подстанциях и системах возобновляемой энергии.
Конфигурация Дельта-Уай
В этой конфигурации первичная сторона соединена по дельте, а вторичная — в заземленном «тройке». Он предлагает простой способ создать нейтраль в системах без неё. Конструкция экономична и поддерживает умеренные уровни тока при неисправности. Он используется в сельских или мелких энергосетях.
Конфигурация Уай-Вай
Здесь обе обмотки первичной и вторичной обмотки соединены звёздчатыми элементами, а заземление осуществляется на вторичной нейтрали. Этот метод подходит только если нейтраль уже доступен. Он лучше всего служит вспомогательным или временным вариантом заземления во время технического обслуживания системы или резервного обслуживания.
Режимы заземления системы заземления трансформатора
Твердое заземление
Твердое заземление напрямую соединяет нейтраль заземляющего трансформатора с землёй. Такая схема позволяет проходить высокий ток неисправности во время разбоя между линией и землей. Он поддерживает быстрое обнаружение и очистку неисправностей. Этот метод распространён в системах с низким сопротивлением, где требуется скорость, но может привести к повышению нагрузки на оборудование.
Заземление сопротивления
Заземление сопротивления размещает резистор между нейтралю и землёй. Это ограничивает ток отказа до более безопасных уровней, снижая повреждения оборудования и снижая риск дуговых вспышек. Этот метод полезен в системах, где контролируемая энергия неисправности предпочтительна для безопасности и устойчивости.
Заземление реактивности
Реактивное заземление использует индуктивность между нейтралем и землёй. Он контролирует пиковый ток неисправности и помогает управлять временными перенапряжениями. Хотя она встречается реже, она применяется в системах, требующих контролируемого сопротивления и более плавной реакции на отказы.
Размеры и характеристики заземляющего трансформатора
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Непрерывный рейтинг kVA | Рассчитана на обычную нагрузку, обычно очень низкую или незначительную при заземлении. |
| Кратковременный рейтинг kVA | Определяет способность трансформатора передавать высокие токи замыкания на землю в течение короткого времени (обычно 10 секунд). |
| Импеданс нулевой последовательности | Устанавливает импеданс для контроля тока при замыкании и обеспечения координации с защитными устройствами. |
| Резистор нейтрального заземления | При установке этот резистор ограничивает ток отказа и снижает тепловые и механические нагрузки на компоненты системы. |
Конструкция и характеристики заземляющих трансформаторов
• Импеданс нулевой последовательности тщательно настроен для контроля тока при замыкании и обеспечения правильной координации реле.
• Подавление тройных гармоник по своей природе достигается в зигзагообразных обмотках, которые компенсируют токи третьих гармоник и улучшают качество формы волны.
• Запас насыщения сердечника должен быть достаточно высоким, чтобы справляться с несбалансированными неисправностями без перегрева или магнитных искажений.
• Класс изоляции должен соответствовать полным уровням напряжения между фазой и землей, чтобы обеспечить диэлектрическую безопасность при неисправностях.
• Тепловые пределы рассчитаны на кратковременные неисправности, обычно от 5 до 10 секунд при полном нулевой последовательности тока.
• Механическая прочность при коротком замыкании должна быть достаточной для выдерживания резких перенапряжений, требующих надёжной поддержки обмотки, укрепления и зажима.
Защита и координация в системах заземляющих трансформаторов
Установка защиты
КТ размещаются либо в нейтральной линии, либо внутри вторичной обмотки заземляющего трансформатора. Они отслеживают обратный ток на землю (I₀) при условиях неисправности.
Типы используемых реле
• 50G — мгновенное реле замыкания на землю, которое срабатывает сразу после обнаружения внезапного всплеска тока на земле.
• 51N — ретранслятор земных разломов с обратным временем, который реагирует на величину и продолжительность тока разлома.
Руководящие принципы по координации эстафет
• Настройка звукоснимателя: реле должны быть настроены на срабатывание в ожидаемом диапазоне тока с нулевой последовательностью, обычно от 100 А до 400 А, в зависимости от размера системы и заземляющего сопротивления.
• Настройки временной задержки: они тщательно регулируются, чтобы реле работали в координации с устройствами выше или вниз, избегая ложных срабатываний и поддерживая селективность системы.
Особенности установки заземляющих трансформаторов
Размещение
Заземляющий трансформатор должен устанавливаться рядом с электрическим центром системы. Такое позиционирование помогает равномерно распределять токи от замыкания и минимизировать дисбаланс напряжения при неисправностях.
Тип охлаждения
Для более высоких мощностей предпочтительнее заземляющие трансформаторы с погружением в масло из-за лучшего рассеивания тепла. Сухие устройства подходят для внутренних или ограниченных по пространству объектов, где использование нефти ограничено.
Заземляющее соединение
Нейтраль трансформатора должна быть прочно соединена с основной заземляющей сеткой подстанции. Это обеспечивает обратный путь с низким сопротивлением и поддерживает стабильный потенциал заземления по всей системе.
Сейсмическая и вибрационная устойчивость
В условиях, подверженных землетрясениям или высокой вибрации, трансформатор должен быть закреплён с помощью соответствующего крепления. Это предотвращает движение, смещение или механические поломки.
Знаки безопасности
Следует установить чёткие этикетки и предупреждающие знаки для обозначения клемм заземления и высоковольтных зон. Это помогает предотвратить случайный контакт и обеспечивает безопасность при рутинной проверке.
Мониторинг и тестирование
Регулярный мониторинг крайне важен. Используйте инфракрасную термографию для проверки перегрева и тестеров непрерывности заземления, чтобы убедиться, что нейтрально-земное соединение остаётся нетронутым со временем.
Применение заземляющих трансформаторов
Подстанции
Заземляющие трансформаторы широко применяются в электроподстанциях для обеспечения стабильной нейтральной точки для заземления. Они помогают управлять замыканием в системах с дельта-соединением или без заземления и улучшают общую координацию обнаружения и защиты неисправностей.
Системы возобновляемой энергии
На ветровых электростанциях и солнечных электростанциях заземляющие трансформаторы обеспечивают правильное заземление для выходов инверторов и коллекторных систем. Они обеспечивают эффективные пути тока неисправности и сохраняют стабильность напряжения при несбалансированной нагрузке или условиях неисправности.
Промышленные предприятия
Тяжёлые промышленные предприятия часто эксплуатируют изолированные или дельта-системы, где заземляющие трансформаторы служат опорным заземлением. Это помогает сократить простои из-за неисправностей на земле и защищает чувствительное электрическое оборудование от перепадов напряжения.
Горнодобывающие операции
Удалённые горнодобывающие площадки используют заземляющие трансформаторы для безопасного управления токами неисправности в незаземлённых распределительных системах. Они также поддерживают заземление оборудования и соблюдение стандартов электробезопасности в опасных условиях.
Офшорные платформы
Морские нефтегазовые платформы используют заземляющие трансформаторы для стабилизации плавучих электрических систем. Они создают нейтральную точку для защиты от неисправностей в компактных корпусах, подходящих для морских судов.
Резервные и аварийные системы
В резервных генераторах и резервных системах питания заземляющие трансформаторы обеспечивают заземление там, где источник настроен по дельте. Это обеспечивает защиту от замыкания даже при изоляции от основной сети.
Преимущества использования заземляющих трансформаторов
Создание нейтральных точек
Заземляющие трансформаторы обеспечивают стабильную нейтральную зону в системах, которые его не имеют, например, с дельта-соединением или незаземлённой конфигурацией. Это обеспечивает правильное заземление и обнаружение неисправностей.
Защита от забои от замыкания
Они позволяют заземляющим неисправностям возвращаться по определённому пути, позволяя защитным реле быстро обнаруживать и изолировать неисправности. Это повышает безопасность и надёжность системы.
Стабилизация напряжения
При несбалансированных нагрузках или неисправностях заземляющие трансформаторы помогают стабилизировать напряжение между линиями и землей, снижая нагрузку на оборудование и минимизируя колебания напряжения.
Гармоническое подавление
Зигзагообразные заземлённые трансформаторы могут компенсировать токи с нулевой последовательностью, что помогает уменьшить тройные гармоники и улучшить качество питания в чувствительных условиях.
Защита оборудования
Ограничивая перенапряжения и безопасно направляя ток аварии, заземляющие трансформаторы помогают защитить кабели, распределительное оборудование и подключённые нагрузки от повреждений.
Отказы заземляющего трансформатора и советы по устранению неисправностей
| Проблема | Возможная причина | Рекомендуемые действия |
|---|---|---|
| Перегрев трансформатора | Длительность неисправности превышает проектные пределы | Проверьте время защиты от отказа и мощность трансформатора |
| Реле не обнаруживает неисправность | Обратная поляризация CT или неправильная настройка реле | Проверьте проводку КТ и отрегулируйте конфигурацию реле |
| Нет тока в нейтрале | Ослабленное или сломанное подключение нейтрали-земля | Проверьте дорожку заземления, клеммы и соединительные цепи |
| Гул или вибрация | Дисбаланс магнитного потока | Проверьте правильность фазовых соединений |
| Гармоническое нагрев | Тройные гармоники в незигзагообразной намотке | Устанавливайте гармонические фильтры или используйте зигзагообразную конструкцию |
Заземляющий трансформатор против других методов заземления
| Метод | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|
| Заземляющий трансформатор | Создаёт нейтральную точку, обеспечивает защиту от замыкания, подавляет гармоники (зигзагообразный тип) | Более высокая стоимость установки и требования к месту |
| Резистор нейтрального заземления (NGR) | Ограничивает ток неисправности до безопасных уровней, снижает энергию дуговой вспышки | Требуется физический нейтраль от главного трансформатора |
| Заземление реактивности | Контролирует пиковые переходные токи, добавляет импеданс для снижения степени неисправности | Громоздкая установка, менее точная в поиске неисправностей на земле |
| Незаземлённая система | Недорогая, простая настройка без нейтральной точки | Неисправности на землю остаются незамеченными, риск временного перенапряжения |
Заключение
Заземляющие трансформаторы помогают управлять замыканием на землю, снижать дисбаланс напряжения и защищать оборудование в системах без встроенной нейтрали. При правильной конструкции обмотки, методе заземления и реле они обеспечивают стабильную и безопасную работу. Их роль необходима во многих энергосетях, включая подстанции, возобновляемые источники энергии и промышленные системы.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Может ли заземляющий трансформатор работать непрерывно под нагрузкой?
Нет. Он не рассчитан на непрерывную нагрузку. Он передаёт ток только при неисправностях и в основном остаётся неразгруженным в обычной эксплуатации.
Что если заземляющий трансформатор слишком мал?
Он может перегреваться, не ограничивать ток неисправности или вызывать неисправность реле при замыканиях.
Используется ли он в системах высоковольтной передачи?
Редко. Заземляющие трансформаторы в основном применяются в системах среднего напряжения. Высоковольтные сети используют другие методы заземления, такие как реакторы.
Влияют ли условия на площадку конструкцию заземляющих трансформаторов?
Да. Высота, влажность и сейсмический риск влияют на требования к охлаждению, изоляции и монтажу.
Можно ли дистанционно контролировать заземляющие трансформаторы?
Да. Современные устройства поддерживают датчики температуры, нейтрального тока и непрерывности заземления, которые подключаются к системам SCADA или IoT.
Можно ли подключить заземляющие трансформаторы параллельно?
Нет. Параллельное соединение избегается из-за циркуляционных токов и проблем с координацией, если это не спроектировано правильно.