Vodič kroz Zig{0}}Zig Transformers

 

Ovaj vodič pruža sveobuhvatan pregled cik-cak transformatora-posebne-konfiguracije namota koji se naširoko koriste za uzemljenje, ublažavanje harmonika, poboljšanje kvalitete napajanja i izm-istosmjernu pretvorbu energije u modernim električnim sustavima. Vodič pokriva temeljna načela rada, tehničke karakteristike, razmatranja dizajna, usporedbu s alternativnim shemama uzemljenja i detaljne scenarije primjene uključujući neutralno uzemljenje sustava, poništavanje harmonika i integrirane sustave za pretvorbu energije. Vodič također uključuje praktična razmatranja za odabir, dimenzioniranje, zaštitu i usklađenost s relevantnim standardima kao što su IEEE C57.105 i IEC 60076.

Moderni tro{0}}električni sustavi često rade s trokut-spojenim sekundarima transformatora, kojima nedostaje prirodna neutralna točka za potrebe uzemljenja. U širem smislu, neuzemljeni tro{3}}fazni sustavi-bilo iz trokutastih konfiguracija ili drugih izvora-predstavljaju značajne operativne izazove, uključujući nepostojanje definirane reference uzemljenja, rizik od prijelaznih prenapona tijekom vodova-na-zemlju i poteškoće u otkrivanju kvara i lokalizaciji. Cik{9}}transformator (također poznat kao međusobno povezana-zvijezda ili transformator uzemljenja) razvijen je za rješavanje ovih izazova.

Cik-cak transformator je transformator posebne{0}}namjene s konfiguracijom namota gdje je svaki izlaz vektorski zbroj dviju faza pomaknut za 120 stupnjeva. Svaki krak magnetske jezgre podijeljen je u dva namotana dijela namotana u suprotnim smjerovima, a zavojnice su međusobno povezane preko različitih faza kako bi se stvorio učinak poništavanja za uravnotežene struje, dok se strujama nulte-sekvence dopušta da slobodno teku kroz neutralnu vezu.

Dok je neutralno uzemljenje najistaknutija primjena, cik-zag transformatori su se razvili u svestranu platformu koja služi višestrukim funkcijama: pružanje niske-impedancije za-struje kvara na zemlji, potiskivanje trostrukih harmonika, balansiranje struja opterećenja i služe kao integralna komponenta u objedinjenim izm-istosmjernim sustavima za pretvorbu energije.

 

 

 

Iako se unutarnji raspored može činiti kompliciranim, načelo rada temeljno je uređeno Amperovim zakonom-magnetska ravnoteža između namota na istoj jezgri nalaže da struja koja teče u jednom namotu mora biti popraćena odgovarajućom strujom u drugom namotu na tom kraku.

2.2 Analiza protoka struje u uvjetima kvara

Da biste shvatili kako su struje nulte-sekvence omogućene, razmislite o spoju-na-zemlju na jednoj fazi inače neuzemljenog sustava. Križno{4}}povezan raspored namota stvara međuovisni put širenja struje. Struja koja teče prema gore od neutralne točke kroz donji namot faze A prolazi kroz gornji namot faze C na mrežni priključak. Ovo inducira odgovarajuću struju u donjem namotu faze C, koja se zatim širi do mreže kroz fazu B. Sekvenca nastavlja uključivati ​​sve tri faze. Kritično zapažanje je da su sve struje u gornjim namotima, donjim namotima i spoju uzemljenja u fazi jedna s drugom, što ih nedvojbeno identificira kao struje nulte-sekvence.

Zbroj ovih struja nulte-sekvence kroz sve tri faze jednak je ukupnoj struji zemljospoja. Pod normalnim uravnoteženim radnim uvjetima, fazno{1}}pomaknuti naponi se poništavaju i cirkulira samo mala uzbudna struja. Samo pod neuravnoteženim uvjetima-kao što su uzemljeni spojevi ili neuravnotežena opterećenja-struje nulte-sekvence mogu teći kroz transformator.

2.3 Karakteristike impedancije

Pod normalnim radom, cik{0}}transformator predstavlja visoku impedanciju za pozitivne{1}} i negativne-sekvence struja, što ga čini u biti nevidljivim za električni sustav tijekom uravnoteženih uvjeta. Za struje nulte{4}}sekvence, međutim, transformator ima nisku impedanciju, učinkovito-spajajući neutralni spoj na uzemljenje za struje kvara.

Ključni parametri koji upravljaju impedancijom nulte{0}}sekvence uključuju broj zavoja namota, geometriju jezgre, induktivitet curenja između dviju polovica svakog kraka i magnetska svojstva materijala jezgre. Sposobnost dizajna željezne jezgre da ograniči protok tro-harmonijskih flukseva još je jedna jedinstvena prednost koja razlikuje cik-zag konfiguracije od ostalih shema uzemljenja.

2.4 Kritični zahtjevi za instalaciju

Stanje otvorenog{0}}faznog kruga-kao što je pregorjeli osigurač ili labav spoj-remeti međuovisnost struja namota. S jednom odspojenom fazom prekida se lanac širenja struje potreban za protok nulte-sekvence, a transformator za uzemljenje više ne može provoditi struju zemljospoja. Stoga transformatori za uzemljenje moraju biti čvrsto spojeni i na uzemljenje i na mrežu bez srednjih mehaničkih sklopnih uređaja koji bi mogli nenamjerno prekinuti kontinuitet.

 

 

 

 

Dvije glavne vrstetransformatori za uzemljenjekoriste se u elektroenergetskim sustavima: cik-zag (međusobno{1}}zvijezda) transformator iwye-delta transformator. Odabir između njih nosi značajne implikacije troškova, veličine i izvedbe.

3.1 Dimenzioniranje i nazivna snaga

Cik{0}}aranžman nudi znatno veću učinkovitost od uzemljene konfiguracije zvje-delta. U cik-zag transformatoru, svaki namot nosi manji napon-na-zemlju-za faktor- omogućava nižu ukupnu snagu:. Nasuprot tome, potreban je uzemljeni zvjezdasti-delta transformatorza istu neutralnu struju. Ova značajna razlika čini cik-zag transformatore približno jednu-trećinu manje u kVA od zvje-delta transformatora za identične zahtjeve neutralne struje.

Proizvođači izvješćuju da cik-transformatori nude nižu cijenu i manji fizički otisak od wye-delta transformatora za istu specifikaciju impedancije nulte-sekvence, što ih čini preferiranim izborom u većini primjena uzemljenja.

3.2 Harmonijska izvedba

Wye-delta transformatori cirkuliraju trostruke harmonike (3., 9., 15., itd.) unutar trokutastog namota, ali ne eliminiraju neutralne struje koje stvaraju neuravnotežena opterećenja. Cik-transformatori, nasuprot tome, recirkuliraju struje trećeg harmonika iz neutralne natrag na stranu opterećenja, aktivno smanjujući harmonike na strani sekundara. Ovo je fundamentalno drugačiji mehanizam od delta-wye transformatora, gdje su trostruki harmonici jednostavno zarobljeni unutar zatvorene delta petlje.

3.3 Nazivno vrijeme i toplinski rad

Obje vrste služe kao kratko{0}}vremenski uređaji, obično predviđeni za 10-sekundi ili 1-minutu trajanja kvara, a ne kontinuirani rad. ANSI/IEEE Std. 32-1972 zahtijeva kontinuiranu ocjenu od 3% za jedinicu s ocjenom od 10-sekundi, što znači da je ocjena za kratko vrijeme jednaka približno 33 puta kontinuiranoj ocjeni. Banka s ocjenom od 1 minute nosi kontinuiranu trenutnu ocjenu od 7%. Ova karakteristika povremenog rada smanjuje veličinu i trošak proizvodnje u odnosu na transformatore za kontinuirani rad ekvivalentnog kapaciteta, iako je pažljivo upravljanje toplinom i dalje bitno.

 

 

 

 

4.1 Impedancija nulte-sekvence

Impedancija nulte-sekvence vjerojatno je najkritičniji parametar za projektiranje cik-zag transformatora. Određuje i veličinu struje kvara na zemlji-i regulaciju napona u neuravnoteženim uvjetima. Sama impedancija transformatora može ograničiti struju kvara na željene razine; alternativno, vanjski otpornik ili reaktor umetnut u nultu osigurava dodatnu sposobnost ograničavanja.

4.2 Induktivitet propuštanja i gubici bez-opterećenja

Dva najvažnija projektirana parametra su gubici bez-opterećenja (histereza i gubici vrtložnih struja) i impedancija curenja. Nedavni napredak u analitičkim metodama i modeliranju konačnih elemenata omogućio je preciznije izračunavanje induktiviteta curenja u cik-cak transformatorima, što koristi i istraživačima i dizajnerima transformatora u optimizaciji ove vrste. Reaktancija propuštanja utječe na strujno-ograničavajuće ponašanje transformatora tijekom kvarova i njegovu ukupnu izvedbu regulacije napona.

4.3 Kratko-vremenske i kontinuirane ocjene

Transformatori za uzemljenje rade s različitim-vremenskim i kontinuiranim vrijednostima. Strujni krug s minimalnom neuravnoteženošću opterećenja može se opsluživati ​​transformatorom namijenjenim pretežno za kratko-kvarove, a ne za kontinuirani rad. Kontinuirana ocjena za jedinicu od 10-sekundi obično iznosi 3% ocjene za kratko-vrijeme, dok je za jedinicu od 1-minute 7%. Primjeri dimenzioniranja ilustriraju ovo načelo: na sustavu od 12,47 kV koji napaja 6000 A struje kvara na zemlji-, cik-cak transformator bi zahtijevao 24,9 MVA kratkotrajnu ocjenu. Ova povremena vrijednost odgovara kontinuiranoj vrijednosti od približno 0,75 MVA, što omogućuje banci kontinuirano rukovanje 180 A neutralne struje.

 

 

 

5.1 Izazovi zaštite

Zaštita srednje{0}}naponskih mreža transformatorima sa cik-uzemljenjem je izazovna. Diferencijalnoj jedinici transformatora možda nedostaje osjetljivost za otkrivanje unutarnjih uzemljenja na trokutnoj strani zbog inherentnog cik{3}}ograničenja struje u kombinaciji s učincima omjera transformatora snage i kapacitivnih strujnih doprinosa SN napajanja. Jedinica s ograničenim zemljospojem može povećati osjetljivost, iako vanjski fazni-fazni-spojevi uzemljenja sa zasićenjem strujnog transformatora zahtijevaju posebnu pozornost.

Konvencionalne usmjerene jedinice za usporedbu koje uspoređuju kut između zemlje i neutralne struje nisu prikladne. Umjesto toga, kao učinkovita zamjena predloženi su vanjski detektori grešaka koji nadziru diferencijalne jedinice transformatora. Za neutralnu usmjerenu zaštitu, konvencionalne jedinice koje uspoređuju neutralni napon i trenutne fazne kutove netočno aktiviraju uvjete kvara naprijed na zdravim dovodima; usmjerene jedinice temeljene na magnitudi impedancije nulte-sekvence nude pouzdanije rješenje.

5.2 Primjenjivi standardi

Projektiranje, testiranje i primjena cik- transformatora regulirani su višestrukim standardima. IEEE C57.105-2019 opisuje spojeve i konfiguracije transformatora u trofaznim-električnim sustavima, uključujući sve kombinacije trokut i zvjezdica, uzemljene i neuzemljene, T-povezane, cik-cak i druge posebne spojeve, pokrivajući i dva-namota i autotransformatore. Ostali relevantni standardi uključuju IEEE C57.32 za neutralne uređaje za uzemljenje, IEC 60076-25 za neutralne otpornike za uzemljenje i IS 2026/IS 5553 za testiranje i usklađenost s performansama.

Važno je prepoznati da je IEEE C57.105 izvorno napisan za distribucijske sustave s primarnim naponima do 34,5 kV, iako se njegova načela šire.

 

 

 

6.1 Neutralno uzemljenje sustava

Primarna i najraširenija primjena cik-zag transformatora je stvaranje uzemljene neutralne poluge za neuzemljene tro-fazne sustave-posebice trokut-spojene sekundare transformatora i neuzemljene generatorske ili inverterske sabirnice. Ova aplikacija služi višestrukim kritičnim funkcijama: smanjenje prenaponskog opterećenja izolacije tijekom jednog vodova-na-spoja uzemljenja, pružanje definirane reference uzemljenja za zaštitno relejiranje i omogućavanje kontinuiranog rada tijekom neuravnoteženih uvjeta.

U fotonaponskim i distribuiranim sustavima izvora energije, tradicionalni pretvarači često nemaju čvrstu neutralnu vezu, što dovodi do neravnoteže napona i neučinkovitog uzemljenja. Cik{1}}transformatori uspostavljaju stabilan put niske-impedancije do uzemljenja, stabilizirajući sustav u uvjetima kvara. Za srednje{4}}naponske mreže s visokim-otpornim uzemljenjem, cik-cak transformator za uzemljenje u kombinaciji s neutralnim otpornicima za uzemljenje osigurava osjetljivost otkrivanja greške bez potrebe za trenutnim isključivanjem-konfiguraciju koja nudi robusnu zaštitu za kritične industrijske procese.

 

Funkcija Zig Zag transformatora:

Vjetroelektrane

• Pruža umjetnu neutralnu točku za srednje{0}}sustave prikupljanja napona (npr. 35 kV) kako bi se omogućilo uzemljenje
• Nudi put niske-impedancije za pojedinačne vodove-na-zemlju, ograničavajući prenapone
• Potiskuje trostruke harmonike (3., 9. itd.) iz pretvarača vjetroturbina
• Manji i lakši od Δ-Y transformatora za uzemljenje, idealan za pučinski vjetar

Solarni (PV) sustavi

• Uspostavlja referencu uzemljenja za izmjeničnu stranu pretvarača gdje je nula nedostupna
• Ublažava tro{0}}neuravnoteženost faza i inverterom-generirane harmonike
• Poboljšava sposobnost-prolaza-niskog napona (LVRT), sprječavajući odspajanje
• Može poslužiti kao integrirani induktor filtera u PV + sustavima za pohranu

Fleksibilni uređaji za međusobno povezivanje u modernim distribucijskim mrežama pokazali su privlačnost cik-uzemljenja transformatora na srednje- i nisko-naponskim stranama, nadmašujući mogućnosti uzemljenja velike reaktancije i uzemljenja srednje točke u opsežnim usporedbama performansi.

6.2 Ublažavanje harmonika

Cik-transformatori igraju značajnu ulogu u ublažavanju problema neutralne struje uzrokovanih ne-linearnim opterećenjima. Tro-fazni četvero{4}}žičani distribucijski sustavi sve više pate od preopterećenja neutralnog vodiča zbog proliferacije prekidačkih-mod napajanja, promjenjivih-frekvencijskih pogona i drugih ne-linearnih elektroničkih opterećenja. Trokut-spojeni primarni dio konvencionalnog distribucijskog transformatora eliminira samo trostruke harmonike pod savršeno uravnoteženim uvjetima opterećenja; neuravnotežena opterećenja i dalje stvaraju neutralne struje.

Cik-transformatori rješavaju ovaj problem pružajući put niske-impedancije za trostruke harmonike, dok istovremeno održavaju visoku impedanciju za struje osnovne frekvencije. Strateško uparivanje delta-cik-cak s delta-wye transformatorima može poništiti i 5. i 7. harmonik, učinkovito postižući performanse 12-pulsnog sustava. Za veće sustave, višestruki mali cik-cak transformatori postavljeni blizu opterećenja održavaju neutralne struje lokaliziranim, eliminirajući potrebu za prevelikim neutralnim vodičima i poboljšavajući temeljnu ravnotežu struje opterećenja.

6.3 Integrirana AC-DC pretvorba napajanja

Osim tradicionalnih funkcija kvalitete električne energije, cik-transformatori su pronašli primjenu u objedinjenim izm-DC sustavima za pretvorbu energije koji kombiniraju mrežne (ac) i fotonaponske (dc) izvore energije. Induktivitet propuštanja namota cik-zag transformatora može se koristiti kao integrirani induktivitet pojačanja u objedinjenim izm-istosmjernim sustavima, smanjujući broj komponenti i ukupni volumen sustava u usporedbi s konvencionalnim dizajnom s odvojenim induktorima. Klasični pristupi s odgovarajućim izrazima induktiviteta rasipanja za namote s pravokutnom geometrijom podržavaju metodologiju projektiranja.

Napredne primjene uključuju tro-shunt cik-cak dvostruko-tap nisko{2}}harmonijske multi-impulsne ispravljače, gdje konfiguracija cik-cak transformatora podržava korekciju faktora snage i prigušenje harmonika u energetskim elektroničkim sustavima visokih-učinkovitosti.

6.4 Laboratorijski i istraživački objekti

Istraživački objekti-uključujući akceleratore čestica i eksperimentalne sustave distribucije energije-uveli su cik-transformatore kao troškovno-učinkovita rješenja za smanjenje neutralnih struja uzrokovanih ne-linearnim elektroničkim opterećenjima. Relativno niska cijena, jednostavnost, lakoća ugradnje na postojeće distribucijske sustave i sposobnost održavanja lokaliziranih neutralnih struja čine cik-zag transformatore privlačnima u eksperimentalnim postavkama gdje kvaliteta energije izravno utječe na mjerenje i performanse opreme.

 

 

 

 

7.1 Određivanje zahtjeva za -struju kvara na uzemljenje

Prvi korak u dimenzioniranju cik-transformatora je određivanje željene razine struje-zemljenja. Projektanti moraju odlučiti hoće li se osloniti samo na internu impedanciju nulte-sekvence transformatora za ograničenje struje ili će umetnuti vanjski otpornik. Za sustave uzemljenja visokog-otpora, struje kvara obično su ograničene na 5–10 A za sustave srednjeg{8}}napona. Sustavi-niskog otpora mogu dopustiti struje kvara od 200 A ili više.

7.2 Izračun kVA nazivne snage

Za datu neutralnu struju () i napon vodova sustava-na-zemlju (), kratko{0}}vrijeme kVA za cik{1}}transformator je:

Kontinuirana ocjena također mora biti navedena. Za uređaj od 10-sekundi kontinuirana ocjena jednaka je 3% kratkotrajne ocjene, dok je za uređaj od 1 minute potrebno 7%.

7.3 Razmatranja primjene

Za razliku od konvencionalnih energetskih transformatora, transformatori za uzemljenje su uređaji s povremenim-radom. Njihova sposobnost da izdrže visoke struje kvara u kratkom trajanju omogućuje značajno smanjenje troškova u usporedbi s transformatorom s trajnim-radom ekvivalentne nazivne vrijednosti. Međutim, dizajneri moraju potvrditi da sposobnost toplinske otpornosti odgovara očekivanom vremenu čišćenja zaštitnih uređaja uzvodno. Transformatori za uzemljenje mogu se specificirati za čvrsto uzemljenje ili za upotrebu s vanjskim neutralnim otpornikom za uzemljenje-potonji nudi fleksibilnost u kontroli-veličine struje kvara.

7.4 Instalacija i puštanje u rad

Ispravna instalacija na terenu ključna je za pouzdan rad. Aktivnosti prije -puštanja u rad trebale bi uključivati ​​ispitivanje otpora izolacije, provjeru omjera namota i provjeru-faznog pomaka. Integritet neutralnog puta mora se temeljito provjeriti-prekid bilo koje fazne veze s mrežom može učiniti funkciju uzemljenja nefunkcionalnom. Ispitivanja puštanja u rad trebaju potvrditi da transformator ima nisku impedanciju nulte-sekvence uz zadržavanje visoke impedancije pozitivne- i negativne-sekvence u normalnim radnim uvjetima.

Za rad od 50 Hz ili 60 Hz, kućišta moraju zadovoljiti zahtjeve zaštite okoliša za unutarnju ili vanjsku instalaciju, obično s ventiliranim kućištima tipa 3R za vanjsku upotrebu.

 

 

 

8.1 Osjetljivost faznog kontinuiteta

Temeljno ograničenje cik-zag transformatora je njihova ovisnost o sve tri spojene faze. Nepostojanje jednofazne veze s mrežom prekida međuovisno širenje struje namota, eliminirajući mogućnost provođenja struje zemljospoja. Ova osjetljivost nalaže pouzdane fazne veze i zabranjuje umetanje sklopnih uređaja koji bi nenamjerno mogli stvoriti-uvjete otvorenog kruga.

Za razliku od samostalnih zaštitnih uređaja, cik-transformatori za uzemljenje moraju ostati u funkciji neprekidno dok je trofazni-izvor napajanja aktivan. Ako se transformator za uzemljenje izgubi, jedan kvar-na-zemlju može uzrokovati visoke fazne-na-neutralne napone na fazama bez kvara, a neuravnoteženost opterećenja može dovesti do neutralnih pomaka i prenapona.

8.2 Zasićenje pod DC injekcijom

U modernim elektroenergetskim sustavima, ubrizgavanje istosmjerne struje-bilo iz pretvarača-spojenih na mrežu, geomagnetskih smetnji ili drugih izvora-može uzrokovati zasićenje jezgre transformatora uzemljenja. Zasićenje smanjuje učinkovitost transformatora u pružanju putanje uzemljenja niske-impedancije i može dovesti do pregrijavanja. Posebne mjere opreza u dizajnu ili dodatni nadzor mogu biti potrebne za sustave sa značajnim sadržajem istosmjerne struje.

8.3 Složenost otkrivanja greške

Inženjeri zaštite moraju shvatiti da konvencionalni diferencijalni releji mogu biti neadekvatni za unutarnje otkrivanje greške-uzemljenja s cik-transformatorima. Specijalizirane sheme zaštite-uključujući jedinice s ograničenim zemljospojem, vanjske detektore grešaka i-usmjerene jedinice-na temelju veličine mogu biti potrebne za sveobuhvatnu zaštitu.

 

 

 

Cik-transformatori su ključne komponente za moderne trofazne električne sustave. Omogućujući stazu niske{3}}impedancije za struje nulte-sekvence, dok predstavljaju visoku impedanciju za komponente pozitivne- i negativne-sekvence, oni premošćuju jaz između neuzemljenih trokutastih/zvjezdica sustava i sigurnosnih i operativnih prednosti uzemljenog neutralnog rada.

Ključni zaključci uključuju:

• Izgradnja: Šest polu{0}}namota križno-povezanih između faza na tro-krakoj jezgri
• Princip rada: Amper{0}}balans zavoja omogućuje protok struje nulte-sekvence dok poništava uravnotežene struje
• Primarna primjena: Neutralno uzemljenje za neuzemljene tro-fazne sustave (trokut-napajane ili generatorske sustave)
• Prednosti izvedbe: Veća učinkovitost i manja veličina od wye-delta transformatora za uzemljenje
• Sekundarne aplikacije: Ublažavanje harmonika (osobito trostruki harmonici), uravnoteženje opterećenja, integrirana izm{0}}dc pretvorba
• Dizajn razmatranja: Određivanje veličine na temelju kratko-ocjene kvarova (10 s ili 1 min), kontinuirani kapacitet od 3%–7%
• Zahtjevi zaštite: Potrebne specijalizirane sheme; konvencionalna diferencijalna zaštita može biti nedovoljna
• Kritična instalacija: Priključci pune faze na mrežu bitni; nema sklopnih uređaja u putu uzemljenja

Odabir između cik-zag i zvje-delta uzemljenja transformatora u konačnici ovisi o specifičnim zahtjevima sustava: potrebama za ograničenjem struje kvara, raspoloživom proračunu i prostoru, zahtjevima za ublažavanje harmonika i želji za dostupnošću pomoćnog napajanja. Za većinu primjena uzemljenja, superiorna učinkovitost cik-zag transformatora, manji otisak i bolje harmoničke performanse čine ga preferiranim izborom za nove instalacije.