Vodič za cik{0}}cik transformatore

 

Ovaj vodič pruža sveobuhvatan pregled cik-cak transformatora-specijalne-konfiguracije namotaja koji se široko koriste za uzemljenje, ublažavanje harmonika, poboljšanje kvaliteta električne energije i ac-DC konverziju energije u modernim električnim sistemima. Vodič pokriva osnovne principe rada, tehničke karakteristike, razmatranja dizajna, poređenje sa alternativnim šemama uzemljenja i detaljne scenarije primjene uključujući neutralno uzemljenje sistema, poništavanje harmonika i integrirane sisteme za pretvaranje energije. Vodič također uključuje praktična razmatranja za odabir, dimenzioniranje, zaštitu i usklađenost sa relevantnim standardima kao što su IEEE C57.105 i IEC 60076.

Savremeni trofazni električni sistemi često rade sa sekundarima transformatora povezanim na delta-, kojima nedostaje prirodna neutralna tačka za potrebe uzemljenja. U širem smislu, neuzemljeni trofazni sistemi-fazni sistemi-bilo iz delta konfiguracija ili drugih izvora-predstavljaju značajne operativne izazove, uključujući odsustvo definisane referentne tačke uzemljenja, rizik od prolaznih prenapona tokom vodnih{6}}ka-spojeva i poteškoće u otkrivanju i lokalizaciji kvarova. Cik{9}}transformator (također poznat kao međusobno povezani-zvijezda ili transformator za uzemljenje) je razvijen za rješavanje ovih izazova.

Cik-cak transformator je transformator posebne-namjene sa konfiguracijom namotaja gdje je svaki izlaz vektorski zbir dvije faze pomjerenih za 120 stepeni. Svaki krak magnetnog jezgra je podijeljen na dva dijela namotaja namotana u suprotnim smjerovima, a zavojnice su međusobno povezane u različitim fazama kako bi se stvorio efekat poništavanja za uravnotežene struje, dok istovremeno dozvoljava strujama nulte{3}} niza da slobodno teku kroz neutralnu vezu.

Dok je neutralno uzemljenje najistaknutija primjena, cik{0}}transformatori su evoluirali u svestranu platformu koja služi višestrukim funkcijama: obezbjeđivanje niskog-puta impedancije za uzemljene-struje kvara, potiskivanje trostrukih harmonika, balansiranje struja opterećenja i služeći kao integralna{3} komponenta za konverziju energije u unificiranim sistemima za izmjeničnu struju.

 

 

 

Iako se unutrašnji raspored može činiti komplikovanim, princip rada je u osnovi vođen Amperovim zakonom-magnetska ravnoteža namotaja na istom jezgru nalaže da struja koja teče u jednom namotu mora biti praćena odgovarajućom strujom u drugom namotu na tom kraku.

2.2 Analiza strujnog toka u uslovima kvara

Da biste shvatili kako su struje nulte{0}}slijede omogućene, uzmite u obzir vod-na-spoj na jednoj fazi inače neuzemljenog sistema. Unakrsno-povezan raspored namotaja stvara međuzavisni put širenja struje. Struja koja teče prema gore od neutralne tačke kroz donji namotaj faze A prolazi kroz gornji namotaj faze C na mrežni priključak. Ovo indukuje odgovarajuću struju u donjem namotaju faze C, koja se zauzvrat širi do mreže kroz fazu B. Slijed nastavlja da uključuje sve tri faze. Kritično zapažanje je da su sve struje u gornjim namotajima, donjim namotajima i spoju uzemljenja u fazi jedna s drugom, nedvosmisleno ih identificirajući kao struje nulte sekvence.

Zbir ovih struja nultog{0}}slijeda u sve tri faze jednak je ukupnoj struji zemljospoja. U normalnim izbalansiranim radnim uslovima, fazni{1}}naponi se poništavaju i samo mala uzbudljiva struja cirkuliše. Samo u neuravnoteženim uslovima-kao što su kvarovi na zemlji ili neuravnoteženo opterećenje-struje nulte sekvence-mogu teći kroz transformator.

2.3 Karakteristike impedancije

U normalnom radu, cik{0}}transformator ima visoku impedanciju prema pozitivnim- i negativnim-strujama, čineći ga u suštini nevidljivim za električni sistem tokom balansiranih uslova. Za struje nultog{4}}slijeda, međutim, transformator ima nisku impedanciju, efektivno kratko-spaja nultu na masu za struje kvara.

Ključni parametri koji upravljaju impedancijom nulte{0}} sekvence uključuju broj okreta namotaja, geometriju jezgre, induktivnost curenja između dvije polovine svakog kraka i magnetska svojstva materijala jezgre. Sposobnost dizajna željeznog jezgra da ograniči protok trostrukih-harmoničnih fluksova je još jedna jedinstvena prednost koja razlikuje cik{3}} konfiguracije od drugih shema uzemljenja.

2.4 Kritični zahtjevi za instalaciju

Fazno otvoreno-stanje-kao što je pregorio osigurač ili labava veza-narušava međuzavisnost struja namotaja. Kada je jedna faza isključena, lanac širenja struje neophodan za tok nulte-slijede prekida se i transformator za uzemljenje više ne može provoditi struju zemljospoja. Zbog toga transformatori za uzemljenje moraju biti čvrsto povezani i sa zemljom i sa mrežom bez međumehaničkih sklopnih uređaja koji bi mogli nenamjerno prekinuti kontinuitet.

 

 

 

 

Dvije glavne vrstetransformatori za uzemljenjese koriste u elektroenergetskim sistemima: cik-(međusobno povezani-zvezdasti) transformator iwye{0}}delta transformator. Izbor između njih nosi značajne implikacije troškova, veličine i performansi.

3.1 Dimenzioniranje i nazivna snaga

Cik{0}}aranžman nudi znatno veću efikasnost od uzemljene wye-delta konfiguracije. U cik{3}}cik-cak transformatoru, svaki namotaj nosi manje od linije-na-napon uzemljenja-za faktor od- omogućavanje niže ukupne snage:. Nasuprot tome, potreban je uzemljeni wye{1}}delta transformatorza istu neutralnu struju. Ova značajna razlika čini cik{1}}cik-cak transformatore otprilike za jednu{2}}trećinu manjim u kVA ocjeni od wye-delta transformatora za identične zahtjeve neutralne struje.

Proizvođači navode da cik{0}}transformatori nude nižu cijenu i manji fizički otisak od wye-delta transformatora za istu specifikaciju impedance nulte{2}} sekvence, što ih čini preferiranim izborom u većini aplikacija za uzemljenje.

3.2 Harmonične performanse

Wye-delta transformatori cirkulišu trostruke harmonike (3., 9., 15., itd.) unutar trokutnog namotaja, ali ne eliminišu neutralne struje koje stvaraju neuravnotežena opterećenja. Nasuprot tome, cik-cak transformatori recirkulišu struje trećeg harmonika sa neutralne nazad na stranu opterećenja, aktivno smanjujući harmonike na sekundarnoj strani. Ovo je fundamentalno drugačiji mehanizam od delta-wye transformatora, gdje su trostruki harmonici jednostavno zarobljeni unutar zatvorene delta petlje.

3.3 Nazivno vrijeme i termički rad

Oba tipa služe kao kratkotrajni-uređaji, tipično ocijenjeni za 10-sekunde ili 1-minutu trajanja kvara umjesto kontinuiranog rada. ANSI/IEEE Std. 32-1972 zahtijeva kontinuiranu ocjenu od 3% za 10-sekundu ocijenjenu jedinicu, što znači da je kratkoročna ocjena jednaka približno 33 puta kontinuiranoj ocjeni. Banka sa 1-minutnim rejtingom ima kontinuirani tekući rejting od 7%. Ova karakteristika isprekidanog rada smanjuje veličinu i troškove proizvodnje u odnosu na neprekidne transformatore ekvivalentnog kapaciteta, iako je pažljivo upravljanje toplinom i dalje bitno.

 

 

 

 

4.1 Impedansa nulte{1}} sekvence

Impedansa nulte sekvence je vjerovatno najkritičniji parametar za dizajn cik{1}} transformatora. On određuje i jačinu struje zemljospoja{3}}i regulaciju napona u neuravnoteženim uslovima. Sama impedansa transformatora može ograničiti struju kvara na željene nivoe; alternativno, eksterni otpornik ili prigušnica umetnuta u nulu daje dodatnu mogućnost ograničavanja.

4.2 Induktivnost curenja i gubici bez{1}}opterećenja

Dva najvažnija projektna parametra su gubici bez-opterećenja (histereza i gubici na vrtložne struje) i impedansa curenja. Nedavni napredak u analitičkim metodama i modeliranju konačnih elemenata omogućio je preciznije izračunavanje induktivnosti curenja u cik-cak transformatorima, što koristi i istraživačima i dizajnerima transformatora u optimizaciji ovog tipa. Reaktanca curenja utiče na strujno-ograničavajuće ponašanje transformatora tokom kvarova i njegove ukupne performanse regulacije napona.

4.3 Kratko{1}}ocjene i kontinuirane ocjene

Transformatori za uzemljenje rade sa izrazitim kratkim-vremenskim i kontinuiranim snagama. Kolo sa minimalnim debalansom opterećenja može opsluživati ​​transformator koji je ocijenjen pretežno za kratkotrajne kvarove-a ne za kontinuirani rad. Kontinuirana ocjena za jedinicu od 10-sekunde je tipično 3% kratkotrajne-ocjene, dok je za jedinicu od 1-minutne 7%. Primjeri dimenzioniranja ilustruju ovaj princip: na sistemu od 12,47 kV koji napaja struju zemljospoja od 6000 A, cik-cak transformator bi zahtijevao kratkotrajnu snagu od 24,9 MVA. Ova isprekidana snaga odgovara kontinuiranoj snazi ​​od približno 0,75 MVA, što omogućava banci da kontinuirano rukuje 180 A neutralne struje.

 

 

 

5.1 Izazovi zaštite

Zaštita srednje{0}}naponskih mreža sa cik-uzemljenim transformatorima je izazovna. Diferencijalnoj jedinici transformatora može nedostajati osjetljivost za otkrivanje unutrašnjih grešaka u zemlji na delta strani zbog inherentnog cik{3}}ograničenja struje u kombinaciji s efektima omjera energetskog transformatora i kapacitivnih strujnih doprinosa iz SN napona. Jedinica sa ograničenim zemljospojem može poboljšati osjetljivost, iako vanjski fazni{5}}fazni-zemlji sa zasićenjem strujnog transformatora zahtijevaju posebnu pažnju.

Konvencionalne jedinice za poređenje usmjerenja koje uspoređuju ugao između tla i neutralne struje nisu prikladne. Umjesto toga, vanjski detektori kvarova koji nadgledaju transformatorske diferencijalne jedinice su predloženi kao učinkovite zamjene. Za neutralnu usmjerenu zaštitu, konvencionalne jedinice koje upoređuju neutralni napon i fazne uglove struje pogrešno aktiviraju uvjete kvara naprijed na zdravim napajačima; usmjerene jedinice zasnovane na veličini impedanse nulte- sekvence nude pouzdanije rješenje.

5.2 Primjenjivi standardi

Dizajn, testiranje i primjena cik-cak transformatora regulirani su višestrukim standardima. IEEE C57.105-2019 opisuje transformatorske veze i konfiguracije u tro-faznim električnim sistemima, uključujući sve kombinacije delta i wye, uzemljene i neuzemljene, T-povezane, cik-cak i druge posebne veze, pokrivajući oba-namotaja i autotransformatore. Ostali relevantni standardi uključuju IEEE C57.32 za neutralne uređaje za uzemljenje, IEC 60076-25 za otpornike za neutralno uzemljenje i IS 2026/IS 5553 za testiranje i usklađenost performansi.

Važno je prepoznati da je IEEE C57.105 prvobitno napisan za distributivne sisteme sa primarnim naponima do 34,5 kV, iako se njegovi principi šire šire.

 

 

 

6.1 Neutralno uzemljenje sistema

Primarna i najrasprostranjenija primjena cik{0}}transformatora je stvaranje uzemljenog neutralnog elementa za neuzemljene trofazne -fazne sisteme-posebno trokut{3}}povezane sekundarne transformatore i neuzemljene generatorske ili inverterske magistrale. Ova aplikacija služi za višestruke kritične funkcije: smanjenje prenaponskog naprezanja na izolaciji tokom jednovodnih -na-spojeva, obezbjeđivanje definisane referentne tačke uzemljenja za relej zaštite i omogućavanje kontinuiranog rada tokom neuravnoteženih uslova.

U fotonaponskim i distribuiranim energetskim sistemima, tradicionalnim pretvaračima često nedostaje čvrsta neutralna veza, što dovodi do neravnoteže napona i neefikasnog uzemljenja. Zig{1}}cik-cak transformatori uspostavljaju stabilan put sa niskom{2}}impedansom do zemlje, stabilizujući sistem u uslovima kvara. Za srednje{4}}naponske mreže sa visokim-otpornim uzemljenjem, cik-cak transformator za uzemljenje u kombinaciji sa neutralnim otpornicima za uzemljenje obezbjeđuje osjetljivost detekcije kvara bez potrebe za trenutnim isključenjem-konfiguraciju koja nudi robusnu zaštitu za kritične industrijske procese.

 

Funkcija Zig Zag transformatora:

vjetroelektrane

• Pruža umjetnu neutralnu tačku za sisteme za prikupljanje srednje-napona (npr. 35 kV) kako bi se omogućilo uzemljenje
• Nudi nisku-putu impedancije za jedan vod-do-spojeva, ograničavajući prenapone
• Suzbija trostruke harmonike (3., 9., itd.) iz pretvarača vjetroturbina
• Manji i lakši od Δ-Y transformatora za uzemljenje, idealni za vjetar na moru

Solarni (PV) sistemi

• Uspostavlja referencu za uzemljenje za AC stranu pretvarača na kojoj neutralno stanje nije dostupno
• Ublažava tro-nebalans i inverter{1}}generirane harmonike
• Poboljšava mogućnost-napona{1}}kroz (LVRT), sprječavajući prekid veze
• Može poslužiti kao integrisani filter induktor u PV + sistemima za skladištenje

Fleksibilni uređaji za međupovezivanje u modernim distributivnim mrežama pokazali su atraktivnost cik{0}}uzemljenja transformatora na srednjoj- i niskonaponskoj strani-napona, nadmašujući uzemljenje velike reaktanse i alternativu uzemljenja srednje tačke u sveobuhvatnim poređenjima performansi.

6.2 Harmonično ublažavanje

Zig{0}}transformatori igraju značajnu ulogu u ublažavanju problema neutralne struje uzrokovanih ne-nelinearnim opterećenjima. Tro-četvorofazni-sistemi distribucije sve više pate od preopterećenja neutralnog provodnika zbog proliferacije prekidača-napajanja, promjenjivih-frekventnih pogona i drugih ne-nelinearnih elektronskih opterećenja. Delta{9}}povezan primarni primarni transformator konvencionalnog distributivnog transformatora eliminiše samo trostruke harmonike pod savršeno izbalansiranim uslovima opterećenja; neuravnotežena opterećenja i dalje stvaraju neutralne struje.

Cik{0}}cik-cak transformatori rješavaju ovaj problem tako što obezbjeđuju stazu niske-impedancije za trostruke harmonike uz održavanje visoke impedancije za struje osnovne frekvencije. Strateški uparivanje delta{3}}cik-cak sa delta-wye transformatorima može poništiti i 5. i 7. harmonike, efektivno postižući performanse sistema od 12-impulsa. Za veće sisteme, više malih cik-cak transformatora postavljenih u blizini opterećenja održavaju neutralne struje lokalizovanim, eliminišući potrebu za prevelikim neutralnim provodnicima i poboljšavajući osnovni balans struje opterećenja.

6.3 Integrirana AC-DC konverzija napajanja

Osim tradicionalnih funkcija kvaliteta električne energije, cik{0}}transformatori su našli primjenu u objedinjenim sistemima ac-dc konverzije energije koji kombinuju mrežne (ac) i fotonaponske (dc) izvore napajanja. Induktivnosti curenja namotaja cik-zag transformatora mogu se koristiti kao integrisane pojačane induktivnosti u objedinjenim ac-dc sistemima, smanjujući broj komponenti i ukupnu zapreminu sistema u poređenju sa konvencionalnim dizajnom sa odvojenim induktorima. Klasični pristupi sa odgovarajućim izrazima induktivnosti curenja za namotaje pravougaone geometrije podržavaju metodologiju projektovanja.

Napredne aplikacije uključuju trostepene cik-cak ispravljače sa dvostrukim-tap niskim harmonijama-više-impulsnih ispravljača, gdje konfiguracija cik-cak transformatora podržava korekciju faktora snage i slabljenje harmonika u energetskim elektronskim sistemima visokih-učinaka.

6.4 Laboratorijski i istraživački objekti

Istraživački objekti-uključujući akceleratore čestica i eksperimentalne sisteme za distribuciju energije-implementirali su cik-transformatore kao troškovno-efikasna rješenja za smanjenje neutralnih struja uzrokovanih ne-linearnim elektronskim opterećenjem. Relativno niska cijena, jednostavnost, lakoća instalacije na postojećim distributivnim sistemima i sposobnost da se neutralne struje održe lokalizovanim čine cik{6}} transformatore atraktivnim u eksperimentalnim okruženjima gdje kvalitet električne energije direktno utiče na mjerenje i performanse opreme.

 

 

 

 

7.1 Određivanje zahtjeva za struju{1}}zemlja

Prvi korak u dimenzioniranju cik{0}}zag transformatora je određivanje željenog nivoa struje zemljospoja{1}}. Projektanti moraju odlučiti da li će se za ograničenje struje oslanjati isključivo na internu nultu -impedanciju transformatora ili će umetnuti vanjski otpornik. Za sisteme uzemljenja visokog{5}}otpora, struje kvara su obično ograničene na 5-10 A za sisteme srednjeg{8}}napona. Nisko{10}}sistemi otpora mogu dozvoliti struje kvara od 200 A ili više.

7.2 Izračunavanje kVA snage

Za datu neutralnu struju () i sistemski vod-na-napon uzemljenja (), kratkotrajna-kVA ocjena za cik{1}}transformator je:

Kontinuirani rejting također mora biti specificiran. Za uređaj od 10-sekundi, kontinuirana ocjena je jednaka 3% kratkotrajne ocjene, dok je 1-minutnom uređaju potrebno 7%.

7.3 Razmatranja primjene

Za razliku od konvencionalnih energetskih transformatora, transformatori za uzemljenje su uređaji s prekidima{0}}radom. Njihova sposobnost da izdrže visoke struje kvara u kratkom trajanju omogućava značajno smanjenje troškova u poređenju sa ekvivalentnim nominalnim transformatorom kontinuiranog{2}}radnog rada. Međutim, dizajneri moraju provjeriti da li sposobnost otpornosti na toplinu odgovara očekivanom vremenu čišćenja uzvodnih zaštitnih uređaja. Transformatori za uzemljenje mogu biti specificirani za čvrsto uzemljenje ili za upotrebu sa vanjskim otpornikom za uzemljenje neutralnog uzemljenja-koji nudi fleksibilnost u kontroli jačine struje zemljospoja{6}}.

7.4 Instalacija i puštanje u rad

Pravilna instalacija na terenu je ključna za pouzdan rad. Aktivnosti prije puštanja u rad trebale bi uključiti ispitivanje otpora izolacije, provjeru omjera namotaja i validaciju faznog{2}}pomaka. Integritet neutralnog puta mora biti temeljno potvrđen-prekid bilo koje fazne veze na mrežu može učiniti funkciju uzemljenja neoperativnom. Testovi puštanja u rad bi trebali potvrditi da transformator ima nisku impedanciju nulte-sekvencije uz održavanje visoke pozitivne- i negativne-impedanse sekvence u normalnim radnim uvjetima.

Za rad na 50 Hz ili 60 Hz, kućišta moraju zadovoljiti ekološke zahtjeve za unutrašnju ili vanjsku instalaciju, obično sa ventiliranim kućištima tipa 3R za vanjsku upotrebu.

 

 

 

8.1 Osetljivost na kontinuitet faze

Osnovno ograničenje cik{0}} transformatora je njihova zavisnost od sve tri faze koje su povezane. Odsustvo jednofazne veze na mrežu prekida međuzavisno širenje struje namotaja, eliminišući mogućnost provođenja struje zemljospoja. Ova osjetljivost nalaže pouzdane fazne veze i protivi se umetanju sklopnih uređaja koji bi nenamjerno mogli stvoriti-uvjete otvorenog kola.

Za razliku od samostalnih zaštitnih uređaja, cik{0}}transformatori za uzemljenje moraju ostati u funkciji neprekidno dok je trofazni izvor napajanja aktivan. Ako se transformator za uzemljenje izgubi, jedan vod-na-spoj uzemljenja može uzrokovati visoke fazne-na-fazne napone na neiskvarenim fazama, a neuravnoteženost opterećenja može dovesti do neutralnih pomaka i prenapona.

8.2 Zasićenje pod DC injekcijom

U modernim elektroenergetskim sistemima, ubrizgavanje jednosmjerne struje-bilo od mrežnih-invertera povezanih s mrežom, geomagnetnih smetnji ili drugih izvora-može uzrokovati zasićenje jezgra transformatora uzemljenja. Zasićenje smanjuje efikasnost transformatora u obezbjeđivanju niske-impedanse uzemljenja i može dovesti do pregrijavanja. Za sisteme sa značajnim sadržajem istosmjerne struje mogu biti potrebne posebne mjere opreza u dizajnu ili dodatni nadzor.

8.3 Složenost otkrivanja grešaka

Inženjeri zaštite moraju prepoznati da konvencionalni diferencijalni releji mogu biti neadekvatni za internu detekciju zemljo{0}}spoja sa cik{1}}cik-cak transformatorima. Specijalizovane šeme zaštite-uključujući jedinice ograničenog zemljospoja, vanjske detektore kvarova i jedinice usmjerene na{4}}bazirane veličine-mogu biti potrebne za sveobuhvatnu pokrivenost zaštite.

 

 

 

Zig{0}}cik-cak transformatori su ključne komponente za omogućavanje modernih tro-faznih električnih sistema. Pružajući nisku-putu impedancije za struje nulte{4}}sekvencije, dok predstavljaju visoku impedanciju pozitivnim- i negativnim-komponentama sekvence, oni premošćuju jaz između neuzemljenih delta/wye sistema i sigurnosnih i operativnih prednosti uzemljenog neutralnog rada.

Ključne stvari za poneti uključuju:

• Izgradnja: Šest polu-namotaja ukrštenih-povezanih između faza na tri-jezgri
• Princip rada: Amper{0}}balans okreta omogućava protok struje nulte sekvence dok poništava balansirane struje
• Primarna primjena: Neutralno uzemljenje za neuzemljene tri{0}}fazne sisteme (delta{1}}napajani ili generatorski sistemi)
• Prednosti performansi: Veća efikasnost i manja veličina od wye-delta transformatora za uzemljenje
• Sekundarne aplikacije: Ublažavanje harmonika (posebno trostruki harmonici), balansiranje opterećenja, integrisana ac{0}}dc konverzija
• Razmatranje dizajna: Dimenzioniranje zasnovano na kratko-ocjeni kvara (10 sekundi ili 1 min), kontinuirani kapacitet od 3%–7%
• Zahtjevi zaštite: Potrebne specijalizirane šeme; konvencionalna diferencijalna zaštita može biti nedovoljna
• Kritična instalacija: Priključci pune faze na mrežu su neophodni; nema sklopnih uređaja na putu uzemljenja

Odabir između cik{0}}i wie-delta transformatora uzemljenja u konačnici zavisi od specifičnih zahtjeva sistema: potreba za ograničenjem struje kvara, raspoloživog budžeta i prostora, zahtjeva za ublažavanje harmonika i želje za dostupnošću pomoćnog napajanja. Za većinu primjena uzemljenja, superiorna efikasnost cik{3}}transformatora, manji otisak i bolje harmonijske performanse čine ga poželjnim izborom za nove instalacije.