Vodnik po cik{0}}transformatorjih

 

Ta vodnik nudi celovit pregled konfiguracij navitij za-posebne-namene cik-cak transformatorjev, ki se pogosto uporabljajo za ozemljitev, ublažitev harmonikov, izboljšanje kakovosti električne energije in pretvorbo-enosmerne moči v sodobnih električnih sistemih. Priročnik zajema temeljna načela delovanja, tehnične značilnosti, načrtovalske vidike, primerjavo z alternativnimi shemami ozemljitve in podrobne scenarije uporabe, vključno z nevtralno ozemljitvijo sistema, harmonično izničitvijo in integriranimi sistemi za pretvorbo moči. Priročnik vključuje tudi praktične vidike izbire, velikosti, zaščite in skladnosti z ustreznimi standardi, kot sta IEEE C57.105 in IEC 60076.

Sodobni-fazni električni sistemi pogosto delujejo s-delta povezanimi sekundarnimi transformatorji, ki nimajo naravne nevtralne točke za ozemljitev. V širšem smislu neozemljeni tri{3}}fazni sistemi-bodisi iz konfiguracij delta ali drugih virov-predstavljajo znatne operativne izzive, vključno z odsotnostjo definirane ozemljitvene reference, tveganjem prehodnih prenapetosti med-na-zemeljskimi napakami ter težavami pri odkrivanju in lokalizaciji napak. Cik{9}}transformator (znan tudi kot medsebojno povezana-zvezda ali ozemljitveni transformator) je bil razvit za reševanje teh izzivov.

Cik-cak transformator je-transformator za posebne namene s konfiguracijo navitja, kjer je vsak izhod vektorska vsota dveh faz, zamaknjena za 120 stopinj. Vsak krak magnetnega jedra je razdeljen na dva navita odseka, navita v nasprotnih smereh, tuljave pa so medsebojno povezane prek različnih faz, da ustvarijo učinek izničenja za uravnotežene tokove, hkrati pa omogočajo, da tokovi nič{3}}zaporedja prosto tečejo skozi nevtralno povezavo.

Medtem ko je nevtralna ozemljitev najvidnejša uporaba, so se cik{0}}transformatorji razvili v vsestransko platformo, ki služi več funkcijam: zagotavlja nizko{1}}impedanco za ozemljitvene-okvarne tokove, zavira trojne harmonike, uravnoveša obremenitvene tokove in služi kot sestavni del v enotnih sistemih za pretvorbo izmeničnega-enosmernega toka.

 

 

 

Čeprav se notranja ureditev morda zdi zapletena, načelo delovanja v osnovi ureja Amperov zakon-magnetno ravnotežje med navitji na istem jedru narekuje, da mora tok, ki teče v enem navitju, spremljati ustrezen tok v drugem navitju na tem kraku.

2.2 Analiza tokovnega toka v pogojih napake

Če želite razumeti, kako so omogočeni tokovi nič{0}}zaporedja, razmislite o napaki-na-zemljitvi na eni fazi sicer neozemljenega sistema. Navzkrižno{4}}povezana razporeditev navitij ustvarja soodvisno pot širjenja toka. Tok, ki teče navzgor od nevtralne točke skozi spodnje navitje faze A, prehaja skozi zgornje navitje faze C na omrežno povezavo. To inducira ustrezen tok v spodnjem navitju faze C, ki se širi v omrežje skozi fazo B. Zaporedje še naprej vključuje vse tri faze. Kritična ugotovitev je, da so vsi tokovi v zgornjih navitjih, spodnjih navitjih in ozemljitveni povezavi v fazi med seboj, kar jih nedvoumno identificira kot tokove ničelnega-zaporedja.

Vsota teh tokov nič{0}}zaporedja v vseh treh fazah je enaka skupnemu toku zemeljske napake. V normalnih uravnoteženih delovnih pogojih se fazno{1}}napetosti izničijo in kroži le majhen vzbujevalni tok. Le v neuravnoteženih pogojih-kot so zemeljske napake ali neuravnotežene obremenitve-lahko skozi transformator tečejo tokovi ničelnega-zaporedja.

2.3 Karakteristike impedance

Pri normalnem delovanju predstavlja cik{0}}transformator visoko impedanco za tokove pozitivnega{1}} in negativnega-zaporedja, zaradi česar je v uravnoteženih pogojih za električni sistem v bistvu neviden. Pri tokovih ničelnega-zaporedja pa ima transformator nizko impedanco, ki učinkovito kratko-sklene nevtralni tok z ozemljitvijo za napakne tokove.

Ključni parametri, ki urejajo impedanco nič{0}}zaporedja, vključujejo število ovojev navitja, geometrijo jedra, induktivnost uhajanja med obema polovicama vsakega kraka in magnetne lastnosti materiala jedra. Zmožnost zasnove železnega jedra, da omeji pretok trojnih-harmoničnih tokov, je še ena edinstvena prednost, ki ločuje cik{3}}konfiguracije od drugih shem ozemljitve.

2.4 Kritične zahteve za namestitev

Fazno odprto{0}}stanje tokokroga-, kot je pregorela varovalka ali ohlapna povezava-moti medsebojno odvisnost tokov navitij. Ko je ena faza odklopljena, se veriga širjenja toka, ki je potrebna za pretok nič-zaporedja, prekine in ozemljitveni transformator ne more več prevajati toka zemeljske napake. Zato morajo biti ozemljitveni transformatorji trdno povezani z zemljo in omrežjem brez vmesnih mehanskih stikalnih naprav, ki bi lahko nenamerno prekinile kontinuiteto.

 

 

 

 

Dve glavni vrstiozemljitveni transformatorjise uporabljajo v elektroenergetskih sistemih: transformator v cik-zag (medsebojno povezana-zvezda) inwye-delta transformator. Izbira med njimi ima pomembne posledice glede stroškov, velikosti in zmogljivosti.

3.1 Dimenzioniranje in moč

Cik{0}}razporeditev ponuja znatno večjo učinkovitost kot ozemljena konfiguracija trikotnika. V cik{3}}transformatorju za cik-cak vsako navitje nosi manjšo napetost-do-ozemljitve-za faktor- omogoča nižjo skupno moč:. Nasprotno pa je potreben ozemljen trikotni transformatorza isti nevtralni tok. Zaradi te bistvene razlike so cik-transformatorji za približno eno-tretjino nižji v nazivni vrednosti kVA kot trikotni transformatorji v obliki črte-za enake zahteve nevtralnega toka.

Proizvajalci poročajo, da cik{0}}transformatorji ponujajo nižjo ceno in manjši fizični odtis kot transformatorji wye-delta za enako specifikacijo impedance nič{2}}zaporedja, zaradi česar so prednostna izbira pri večini aplikacij za ozemljitev.

3.2 Harmonična zmogljivost

Wye-delta transformatorji krožijo trojne harmonike (3., 9., 15. itd.) znotraj navitja trikotnika, vendar ne odpravijo nevtralnih tokov, ki jih ustvarjajo neuravnotežene obremenitve. Cik-transformatorji v nasprotju s tem vračajo tretje harmonske tokove iz nevtralnega nazaj na obremenitveno stran, kar aktivno zmanjšuje harmonike na sekundarni strani. To je bistveno drugačen mehanizem od delta-wye transformatorjev, kjer so trojni harmoniki preprosto ujeti znotraj zaprte delta zanke.

3.3 Nazivni čas in toplotna obremenitev

Obe vrsti služita kot kratkotrajni-napravi, običajno ocenjeni za 10-sekund ali 1-minuto trajanja napake namesto neprekinjenega delovanja. ANSI/IEEE Std. 32-1972 zahteva stalno oceno 3 % za 10-sekundno ocenjeno enoto, kar pomeni, da je kratkotrajna ocena enaka približno 33-kratni neprekinjeni oceni. 1-minutna ocenjena banka nosi stalno trenutno oceno 7 %. Ta značilnost prekinitvenega delovanja zmanjša velikost in proizvodne stroške v primerjavi s transformatorji z neprekinjenim delovanjem enake zmogljivosti, čeprav je skrbno upravljanje toplote še vedno bistveno.

 

 

 

 

4.1 Impedanca nič-zaporedja

Impedanca ničelnega-zaporedja je nedvomno najbolj kritičen parameter za načrtovanje cik-zag transformatorja. Določa velikost-toka ozemljitvene napake in regulacijo napetosti v neuravnoteženih pogojih. Samo impedanca transformatorja lahko omeji tok napake na želene ravni; alternativno pa zunanji upor ali reaktor, vstavljen v nevtralno, zagotavlja dodatno omejevalno zmogljivost.

4.2 Induktivnost uhajanja in brez{1}}izgub obremenitve

Dva najpomembnejša konstrukcijska parametra sta izgube brez-obremenitve (histereze in izgube zaradi vrtinčnih tokov) in impedanca uhajanja. Nedavni napredek v analitičnih metodah in modeliranju končnih elementov je omogočil natančnejši izračun induktivnosti uhajanja v cik-cak transformatorjih, kar koristi tako raziskovalcem kot oblikovalcem transformatorjev pri optimizaciji te vrste. Reaktanca uhajanja vpliva na tokovno-omejitveno obnašanje transformatorja med napakami in na njegovo splošno zmogljivost regulacije napetosti.

4.3 Kratke-časovne in neprekinjene ocene

Ozemljitveni transformatorji delujejo z izrazitimi kratko{0}}časovnimi in neprekinjenimi nazivnimi vrednostmi. Tokokrog z minimalno neuravnoteženostjo obremenitve se lahko oskrbuje s transformatorjem, ki je ocenjen predvsem na kratkotrajne-napake, namesto na neprekinjeno delovanje. Neprekinjena ocena za 10-sekundno enoto je običajno 3 % kratke-časovne ocene, medtem ko je za 1-minutno enoto 7 %. Primeri dimenzioniranja ponazarjajo to načelo: na 12,47 kV sistemu, ki napaja 6000 A zemeljskega{15}}okvarnega toka, bi cik-cak transformator zahteval 24,9 MVA za kratek čas. Ta prekinitvena nazivna vrednost ustreza neprekinjeni nazivni moči približno 0,75 MVA, kar banki omogoča neprekinjeno obvladovanje 180 A nevtralnega toka.

 

 

 

5.1 Izzivi varstva

Zaščita srednje{0}}napetostnih omrežij s cik-ozemljitvenimi transformatorji je zahtevna. Diferencialna enota transformatorja morda nima občutljivosti za zaznavanje notranjih napak na zemlji na strani trikotnika zaradi inherentne cik{3}}omejitve toka v kombinaciji z učinki razmerja močnostnega transformatorja in prispevkov kapacitivnih tokov iz MV napajalnikov. Enota za omejeno ozemljitveno napako lahko poveča občutljivost, čeprav je treba posebno pozornost posvetiti zunanjim faznim-faznim-napakam z nasičenostjo tokovnega transformatorja.

Običajne usmerjene primerjalne enote, ki primerjajo kot med zemeljskim in nevtralnim tokom, niso primerne. Namesto tega so bili kot učinkoviti nadomestki predlagani zunanji detektorji napak, ki nadzirajo diferencialne enote transformatorja. Za nevtralno usmerjeno zaščito konvencionalne enote, ki primerjajo nevtralno napetost in fazne kote toka, nepravilno aktivirajo pogoje napake naprej na zdravih napajalnikih; usmerjene enote, ki temeljijo na impedanci ničelnega-zaporedja, ponujajo zanesljivejšo rešitev.

5.2 Veljavni standardi

Zasnovo, preskušanje in uporabo cik{0}} transformatorjev ureja več standardov. IEEE C57.105-2019 opisuje transformatorske povezave in konfiguracije v tri-faznih električnih sistemih, vključno z vsemi kombinacijami trikotnika in vezja, ozemljenih in neozemljenih, T-povezanih, cikcakastih in drugih posebnih povezav, ki zajemajo dvo-navitja in avtotransformatorje. Drugi ustrezni standardi vključujejo IEEE C57.32 za nevtralne ozemljitvene naprave, IEC 60076-25 za nevtralne ozemljitvene upore in IS 2026/IS 5553 za testiranje in skladnost z zmogljivostjo.

Pomembno je vedeti, da je bil IEEE C57.105 prvotno napisan za distribucijske sisteme s primarnimi napetostmi do 34,5 kV, čeprav se njegova načela širijo širše.

 

 

 

6.1 Sistemska nevtralna ozemljitev

Primarna in najbolj razširjena uporaba cik{0}}transformatorjev je ustvarjanje ozemljene nevtralnosti za neozemljene tri{1}}fazne sisteme-zlasti delta-povezane sekundarne transformatorje in neozemljene generatorske ali inverterske vodila. Ta aplikacija služi številnim kritičnim funkcijam: zmanjševanje prenapetostne obremenitve izolacije med napakami na eni liniji-na-zemljitvi, zagotavljanje definirane ozemljitvene reference za zaščitno relejiranje in omogočanje neprekinjenega delovanja med neuravnoteženimi pogoji.

V fotonapetostnih sistemih in sistemih s porazdeljenimi viri energije tradicionalni razsmerniki pogosto nimajo trdne nevtralne povezave, kar vodi do napetostnih neravnovesij in neučinkovite ozemljitve. Cik{1}}transformatorji vzpostavljajo stabilno pot z nizko-impedanco do tal in stabilizirajo sistem v pogojih napake. Za srednje{4}}napetostna omrežja z visoko-uporno ozemljitvijo cik-cak ozemljitveni transformator v kombinaciji z nevtralnimi ozemljitvenimi upori zagotavlja občutljivost zaznavanja napak brez potrebe po takojšnjem izklopu-konfiguracija, ki nudi robustno zaščito za kritične industrijske procese.

 

Funkcija Zig Zag transformatorjev:

Vetrne elektrarne

• Zagotavlja umetno nevtralno točko za srednje{0}}napetostne zbiralne sisteme (npr. 35 kV), ki omogočajo ozemljitev
• Ponuja pot z nizko-impedanco za enojno{1}}napako na-zemljitvi, kar omejuje prenapetosti
• Zaduši trojne harmonike (3., 9. itd.) iz pretvornikov vetrnih turbin
• Manjši in lažji od ozemljitvenih transformatorjev Δ-Y, idealen za veter na morju

Solarni (PV) sistemi

• Vzpostavi ozemljitveno referenco za AC stran pretvornika, kjer nevtralno ni na voljo
• Zmanjša tri{0}}fazno neuravnoteženost in inverter-ustvarjene harmonike
• Izboljša nizko{0}}napetostno-zmožnost vožnje (LVRT), kar preprečuje odklop
• Lahko služi kot integriran induktor filtra v PV + sistemih za shranjevanje

Prilagodljive naprave za medsebojno povezovanje v sodobnih distribucijskih omrežjih so pokazale privlačnost cik-ozemljitve transformatorja na srednji- in nizko-napetostni strani, pri čemer so v obsežnih primerjavah zmogljivosti prekašale alternativne ozemljitve z veliko reaktanco in srednje točke.

6.2 Harmonično ublažitev

Cik-transformatorji imajo pomembno vlogo pri blaženju težav z nevtralnim tokom, ki jih povzročajo ne-linearne obremenitve. Tri-fazni štiri{4}}žični distribucijski sistemi vse pogosteje trpijo zaradi preobremenitve nevtralnega vodnika zaradi širjenja stikalnih-napajalnikov, spremenljivih-frekvenčnih pogonov in drugih ne-linearnih elektronskih bremen. Delta-povezan primarni del običajnega razdelilnega transformatorja odpravi trojne harmonike le pri popolnoma uravnoteženih pogojih obremenitve; neuravnotežene obremenitve še vedno ustvarjajo nevtralne tokove.

Cik{0}}transformatorji rešujejo to težavo tako, da zagotavljajo nizko{1}}impedanco za trojne harmonike, hkrati pa ohranjajo visoko impedanco za tokove osnovne frekvence. Strateško združevanje transformatorjev delta-cik-cak z delta-wye lahko izniči tako 5. kot 7. harmonik, s čimer se dejansko doseže zmogljivost 12-impulznega sistema. Pri večjih sistemih več majhnih cik-cak transformatorjev, nameščenih v bližini bremen, ohranja nevtralne tokove lokalizirane, odpravlja potrebo po prevelikih nevtralnih vodnikih in izboljšuje temeljno tokovno ravnovesje bremena.

6.3 Vgrajena pretvorba AC-DC

Poleg tradicionalnih funkcij kakovosti električne energije so cik-transformatorji našli uporabo v poenotenih sistemih za pretvorbo enosmernega toka, ki združujejo omrežne (ac) in fotovoltaične (dc) vire energije. Induktivnosti uhajanja navitij cik-zag transformatorjev je mogoče uporabiti kot integrirane ojačevalne induktivnosti v poenotenih sistemih za izmenični-enosmerni tok, kar zmanjša število komponent in celotno prostornino sistema v primerjavi z običajnimi zasnovami z ločenimi induktorji. Klasični pristopi z ustreznimi izrazi uhajalne induktivnosti za navitja s pravokotno geometrijo podpirajo metodologijo načrtovanja.

Napredne aplikacije vključujejo tri-stopenjske cik-cak dvojne{1}}odvodne nizko{2}}harmonične več{3}}impulzne usmernike, kjer konfiguracija cik-cak transformatorja podpira korekcijo faktorja moči in harmonično dušenje v visoko-zmogljivih močnostnih elektronskih sistemih.

6.4 Laboratorijske in raziskovalne zmogljivosti

Raziskovalne ustanove,-vključno s pospeševalniki delcev in eksperimentalnimi sistemi za distribucijo električne energije-so implementirale cik{2}}transformatorje kot stroškovno-učinkovite rešitve za zmanjšanje nevtralnih tokov, ki jih povzročajo ne-linearne elektronske obremenitve. Zaradi sorazmerno nizkih stroškov, preprostosti, enostavne namestitve na obstoječe distribucijske sisteme in zmožnosti ohranjanja lokalizacije nevtralnih tokov so cik-transformatorji privlačni v eksperimentalnih nastavitvah, kjer kakovost električne energije neposredno vpliva na meritve in zmogljivost opreme.

 

 

 

 

7.1 Določanje zahtev za -tok napake na ozemljitvi

Prvi korak pri dimenzioniranju cik{0}}transformatorja je določitev želene ravni toka-napake na zemlji. Projektantski inženirji se morajo odločiti, ali se bodo za omejevanje toka zanašali samo na notranjo impedanco nič{3}}zaporedja transformatorja ali bodo vstavili zunanji upor. Za ozemljitvene sisteme z visoko-upornostjo so napakni tokovi običajno omejeni na 5–10 A za srednje-napetostne sisteme. Sistemi z-nizkim uporom lahko dopuščajo napakne tokove 200 A ali več.

7.2 Izračun nazivne moči kVA

Za dani nevtralni tok () in napetost sistema-do-ozemljitve (), je kratkotrajna-časovna ocena kVA za cik{1}}transformator:

Določiti je treba tudi stalno oceno. Za 10-sekundno napravo je neprekinjena ocena enaka 3 % kratkotrajne ocene, medtem ko 1-minutna naprava zahteva 7 %.

7.3 Premisleki glede uporabe

Za razliko od običajnih energetskih transformatorjev so ozemljitveni transformatorji naprave za-prekinitveno delovanje. Njihova zmožnost, da prenesejo visoke napakne tokove za kratek čas, omogoča znatno znižanje stroškov v primerjavi z enakovredno nazivnim trajnim-transformatorjem. Vendar pa morajo oblikovalci preveriti, ali se zmogljivost toplotne odpornosti ujema s pričakovanim časom čiščenja zaščitnih naprav navzgor. Ozemljitveni transformatorji so lahko določeni za trdno ozemljitev ali za uporabo z zunanjim nevtralnim ozemljitvenim uporom-slednji ponuja prilagodljivost pri nadzoru velikosti toka ozemljitve-napake.

7.4 Namestitev in zagon

Pravilna namestitev na terenu je ključnega pomena za zanesljivo delovanje. Dejavnosti pred-zagonom bi morale vključevati testiranje izolacijske upornosti, preverjanje razmerja navitja in validacijo-faznega premika. Celovitost nevtralne poti je treba temeljito preveriti-prekinitev katere koli fazne povezave z omrežjem lahko povzroči nedelovanje ozemljitvene funkcije. Preskusi zagona morajo potrditi, da ima transformator nizko impedanco ničelnega-zaporedja, hkrati pa ohranja visoko impedanco pozitivnega{7}} in negativnega-zaporedja v normalnih pogojih delovanja.

Za delovanje pri 50 Hz ali 60 Hz morajo ohišja izpolnjevati okoljske zahteve za notranjo ali zunanjo namestitev, običajno s prezračevanimi ohišji tipa 3R za zunanjo uporabo.

 

 

 

8.1 Občutljivost fazne kontinuitete

Temeljna omejitev cik{0}}transformatorjev je njihova odvisnost od vseh treh priključenih faz. Odsotnost enofazne povezave z omrežjem prekine soodvisno širjenje toka navitja, s čimer se odpravi možnost prevajanja toka zemeljske napake. Ta občutljivost zahteva zanesljive fazne povezave in nasprotuje vstavljanju preklopnih naprav, ki bi lahko nenamerno ustvarile pogoje odprtega -vezja.

Za razliko od samostojnih zaščitnih naprav morajo cik-ozemljitveni transformatorji delovati neprekinjeno, medtem ko je aktiven tri{1}}fazni vir napajanja. Če se ozemljitveni transformator izgubi, lahko ena napaka-na-ozemljitev povzroči visoke fazne-na-nevtralne napetosti na fazah brez okvar, neuravnoteženost obremenitve pa lahko povzroči nevtralne premike in prenapetosti.

8.2 Nasičenost pri vbrizgavanju enosmernega toka

V sodobnih elektroenergetskih sistemih lahko vbrizgavanje enosmernega toka-ne glede na to, ali prihaja iz-pretvornikov, povezanih z omrežjem, geomagnetnih motenj ali drugih virov-povzroči nasičenost jedra ozemljitvenega transformatorja. Nasičenost zmanjša učinkovitost transformatorja pri zagotavljanju ozemljitvene poti z nizko-impedanco in lahko povzroči pregrevanje. Za sisteme z veliko vsebnostjo enosmernega toka bodo morda potrebni posebni previdnostni ukrepi pri načrtovanju ali dodatno spremljanje.

8.3 Kompleksnost odkrivanja napak

Zaščitni inženirji se morajo zavedati, da so običajni diferencialni releji morda neustrezni za notranjo ozemljitveno-odkrivanje napak s cik-transformatorji. Posebne zaščitne sheme-vključno z omejenimi enotami za zemeljsko napako, zunanjimi detektorji napak in-usmerjenimi enotami-na podlagi velikosti bodo morda potrebne za celovito zaščito.

 

 

 

Cik-transformatorji so kritične komponente za sodobne tri{1}}fazne električne sisteme. Z zagotavljanjem poti z nizko-impedanco za tokove ničelnega-zaporedja, hkrati pa zagotavljajo visoko impedanco komponentam pozitivnega{5}} in negativnega-zaporedja, premostijo vrzel med neozemljenimi sistemi trikot/vatro in varnostnimi ter operativnimi prednostmi ozemljenega nevtralnega delovanja.

Ključni zaključki vključujejo:

• Gradnja: šest pol{0}}navitij,-povezanih med fazami na tri-krakem jedru
• Princip delovanja: Ampersko-uravnavanje obratov omogoča tok ničelnega-zaporedja, medtem ko prekliče uravnotežene tokove
• Primarna aplikacija: Nevtralna ozemljitev za neozemljene tri{0}}fazne sisteme (delta-napajane ali generatorske sisteme)
• Prednosti delovanja: Večji izkoristek in manjša velikost kot ozemljitveni transformatorji wye-trikot
• Sekundarne aplikacije: Ublažitev harmonikov (zlasti trojni harmoniki), uravnoteženje obremenitve, integrirana pretvorba izmeničnega -enosmernega toka
• Oblikovalski vidiki: Dimenzioniranje na podlagi kratkotrajnih-ocen napak (10 s ali 1 min), neprekinjena zmogljivost 3–7 %
• Zaščitne zahteve: Zahtevane so specializirane sheme; običajna diferencialna zaščita morda ne zadostuje
• Kritična namestitev: nujni so polfazni priključki na omrežje; na ozemljitveni poti ni stikalnih naprav

Izbira med cik-in ozemljitvenim transformatorjem z dvojno-trikotnikom je na koncu odvisna od posebnih zahtev sistema: potreb po omejitvi toka napake, razpoložljivega proračuna in prostora, zahtev za blažitev harmonikov in želje po razpoložljivosti pomožnega napajanja. Za večino ozemljitvenih aplikacij je cik-zag transformator zaradi vrhunske učinkovitosti, manjšega odtisa in boljše harmonične zmogljivosti prednostna izbira za nove instalacije.