В системах распределения электроэнергии среднего напряжения, трансформаторы заземления (трансформаторы заземления) играют ключевую роль в обеспечении защиты и надежности системы. Понимание принципов их работы и областей применения имеет решающее значение для инженеров, занимающихся Сети напряжением 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ.
1. Что такое трансформатор заземления?
A трансформатор заземления — это трансформатор специального назначения, используемый для создать искусственную нейтральную точку в системах, где нейтраль отсутствует по умолчанию.
Классификация
- По типу изоляционной среды
- Масляный заземляющий трансформатор
- Трансформатор заземления сухого типа
- По этапам
- Трехфазный заземляющий трансформатор
- Однофазный заземляющий трансформатор
Основная функция
Трансформаторы заземления обеспечивают точку нейтрали для системы без заземления или с изолированной нейтралью, что позволяет подключать:
- Катушки подавления дуги (катушки Петерсена)
- Нейтральные заземляющие резисторы (NGR)
Это позволяет сократить емкостной ток замыкания на землю при однофазных замыканиях на землю и значительно повышает надежность источника питания.
2. Зачем в системах среднего напряжения нужны трансформаторы заземления
Во многих Распределительные сети 6 кВ / 10 кВ / 35 кВ, система работает с незаземлённый нуль.
- Сторона низкого напряжения главного трансформатора часто в треугольном соединении, с нет доступной нейтральной точки.
- Когда однофазное замыкание на землю происходит:
- Напряжения между фазами остаются симметричными
- Система может продолжать работу в течение 1–2 часа
- Емкостной ток замыкания на землю обычно невелик (≤ 10 А)
Это позволяет некоторым временные неисправности устраняются самостоятельно, что способствует обеспечению бесперебойности поставок.
3. Проблемы, вызванные увеличением емкостного тока замыкания на землю
В связи с расширением городской инфраструктуры и стремительным ростом кабельные фидеры, ёмкость между системой и землёй резко возрастает. Когда ёмкостной ток замыкания на землю превышает 10 А, возникают серьёзные риски:
Основные риски
- Перенапряжение, вызванное заземлением дуги
- Периодическое погасание и повторное зажигание дуги
- Перенапряжение до 4 × U (U = пиковое значение фазного напряжения)
- Длительное воздействие, сильные нагрузки на изоляцию
- Межфазные короткие замыкания
- Непрерывная дуга ионизирует воздух
- Пробой изоляции между фазами
- Феррорезонансное перенапряжение
- Повреждения трансформаторов напряжения (ТН)
- Выход из строя устройства защиты от перенапряжений или взрыв
Эти явления могут привести к срабатывание защитных устройств, повреждение оборудования и усугубление неисправности, что создает угрозу для безопасной работы энергосистемы.
4. Роль трансформаторов заземления в компенсации тока замыкания
Для уменьшения емкостного тока замыкания на землю, катушки или резисторы для подавления дуги должен быть подключен к нейтрали системы.
Поскольку в незаземленных системах отсутствует естественный нуль, а Трансформатор заземления устанавливается для создания искусственной точки нейтрали, что позволяет:
- Нейтральное заземление с помощью катушек подавления дуги
- Снижение тока замыкания на землю
- Повышение стабильности и безопасности системы
5. Трехфазный заземляющий трансформатор (типа «зигзаг»)
Зигзагообразное (Z-образное) соединение
В трехфазных заземляющих трансформаторах обычно используется Зигзагообразное (типа Z) соединение обмоток.
Основная конструктивная особенность:
- Каждая фаза обмотки разделена на две секции
- Намотаны в противоположных направлениях на одной и той же основе
Преимущества заземляющих трансформаторов типа «зигзаг»
- Поток нулевой последовательности протекает через края сердечника, а не пути утечки
- Очень низкое сопротивление нулевой последовательности (обычно около 10 Ом)
- Обеспечивает эффективный ток нулевой последовательности
В отличие от этого, у обычных трансформаторов импеданс нулевой последовательности значительно выше.
Преимущество в производительности
- Обычные трансформаторы с катушками подавления дуги:
- Ограничено ≤ 20% мощности трансформатора
- Зигзагообразные трансформаторы заземления:
- Может перевозить 90%–100% емкости катушки подавления дуги
Дополнительные преимущества
- Можем поставить вторичные вспомогательные нагрузки
- Может заменить трансформаторы станционного питания
- Помогает сократить общий объем инвестиций в проект
6. Однофазный заземляющий трансформатор
Однофазные заземляющие трансформаторы в основном применяются в:
- Системы заземления нейтрали генератора
- Шкафы с нейтральным заземляющим резистором для крупных трансформаторов
Цель
- Обеспечить точку заземления для систем, в которых уже имеется нейтраль
- Уменьшите размер и стоимость шкафов с нейтральным заземляющим резистором
7. Рабочие характеристики заземляющих трансформаторов
Хорошо сконструированный заземляющий трансформатор обладает следующими характеристиками:
- Низкое сопротивление нулевой последовательности
- Обеспечивает достаточный ток нулевой последовательности при замыканиях на землю
- Высокое магнитное сопротивление
- Снижает ток холостого хода
- Низкие потери в холостом ходу
- Сводит к минимуму ежедневное энергопотребление при эксплуатации
Эти характеристики обеспечивают надежную работу при сохранении высокой эффективности.
8. Типичные области применения
Трансформаторы заземления широко используются в:
- Распределительные подстанции среднего напряжения
- Городские энергосети, в которых преобладают кабельные линии
- Промышленные энергосистемы
- Ветровые электростанции и подстанции для возобновляемых источников энергии
Их часто устанавливают вместе с:
- Дроссельные катушки для подавления дуги
- Резисторы заземления нейтрали
- Системы защиты и мониторинга
Заключение
Трансформаторы заземления — это основные компоненты в современных энергосистемах среднего напряжения. Обеспечивая искусственную точку нейтрали, они эффективно:
✔ Снижение тока замыкания на землю
✔ Подавление перенапряжения, вызванного замыканием дуги на землю
✔ Предотвращение феррорезонанса
✔ Повысить безопасность и надежность системы
По мере дальнейшего расширения распределительных сетей заземляющие трансформаторы будут играть всё более важную роль в безопасная и стабильная работа энергосистемы.