Когда в энергосистеме требуется трёхфазный заземляющий трансформатор?

A трехфазный заземляющий трансформатор требуется, когда в трехфазной энергосистеме отсутствует пригодная нейтральная точка, но при этом необходимо определенное соединение с землей. Обычно это происходит при обмотках, соединенных треугольником, незаземленных распределительных шинах или системах, питаемых через силовую электронику либо трансформаторы, не обеспечивающие заземленную нейтраль звезды.

Практическая причина заключается не просто в том, чтобы «добавить заземление». Заземляющий трансформатор создает контролируемый путь для тока однофазного замыкания на землю. Этот путь дает защитным реле достаточно информации о токе или напряжении для выявления неисправности, отключения поврежденного фидера и поддержания работы остальной системы в предусмотренном режиме. Без него замыкание на землю может быть трудно обнаружить, оно может вызвать чрезмерные переходные перенапряжения или оставить открытые проводящие части под опасным потенциалом.

Первый вопрос: имеется ли в системе уже заземленная нейтраль?

Заземляющий трансформатор, как правило, не требуется, если питающий трансформатор уже имеет правильно спроектированную вторичную обмотку, соединенную заземленной звездой, и эта нейтраль доступна для распределительной системы. В такой схеме нейтральная точка уже обеспечивает опорную точку относительно земли, а заземление может быть выполнено непосредственно или через резистор либо реактор заземления нейтрали.

Необходимость становится более очевидной, когда основное питание имеет соединение треугольником. Система с соединением треугольником может работать без нейтрального проводника, что полезно для многих промышленных нагрузок, однако она не имеет собственной нейтральной точки для заземления. При однофазном замыкании на землю система может продолжать работу, при этом напряжения двух других фаз смещаются относительно земли. Это может скрыть первое повреждение, одновременно увеличивая электрическую нагрузку на исправную изоляцию.

Для создания искусственной нейтрали устанавливается заземляющий трансформатор зигзаг или звезда-треугольник. Затем нейтраль может быть глухо заземлена, заземлена через сопротивление или через реактивное сопротивление в соответствии с требованиями сети к защите и непрерывности работы.

Ситуации, в которых обычно требуется заземляющий трансформатор

Он нужен не каждой трехфазной системе. Обычно его рассматривают, когда конфигурация сети и цели защиты создают реальную потребность в нейтральной опорной точке.

• Шины среднего или низкого напряжения, соединенные треугольником: Вторичная обмотка с соединением треугольником эффективно питает трехфазные двигатели и оборудование, но не предоставляет нейтральную точку для заземления системы. Заземляющий трансформатор обеспечивает такую точку без изменения соединения основного силового трансформатора.
• Промышленные предприятия с распределительными сетями, насыщенными двигателями: Объекты с крупными двигателями, частотно-регулируемыми приводами, технологическим оборудованием и длинными фидерными цепями часто нуждаются в надежном обнаружении замыканий на землю. Контролируемая схема заземления помогает системам защиты отличать неисправность от нормальных рабочих условий.
• Системы сбора энергии из возобновляемых источников: Солнечные и ветровые установки могут включать несколько трансформаторов инверторов, сборные фидеры, коммутационное оборудование и изменяющиеся конфигурации работы. Заземляющий трансформатор может обеспечить стабильную опорную точку заземления для сборной шины, когда конфигурация источника иначе ее не обеспечивает.
• Микросети, способные работать в островном режиме: При отключении от энергосистемы микросеть может потерять опорную точку заземления, существовавшую через вышестоящий сетевой трансформатор. Если местная генерация или трансформатор инвертора не формирует нейтраль, для безопасной защиты от повреждений в островном режиме может потребоваться заземляющий трансформатор.
• Системы с заземлением через сопротивление: Если целью проектирования является ограничение тока замыкания на землю, а не допущение очень высокого тока повреждения, заземляющий трансформатор часто используется совместно с резистором заземления нейтрали. Трансформатор создает нейтраль; резистор задает уровень тока повреждения.
• Проекты модернизации: Замена основного трансформатора только для получения заземленной нейтрали может быть дорогостоящей и нарушить работу объекта. Добавление заземляющего трансформатора к существующей шине с соединением треугольником часто является более целевым решением.

Ключевой момент состоит в том, что трансформатор выбирают не потому, что на объекте имеется «трехфазное питание». Его выбирают потому, что системе требуется точка заземления, которую существующий источник не обеспечивает.

Почему незаземленная или плохо заземленная система может создавать проблемы

В незаземленной системе при первом замыкании фазы на землю может протекать лишь относительно небольшой емкостный ток. Это может казаться привлекательным, поскольку объект способен продолжать работу. Однако продолжительная эксплуатация при необнаруженной неисправности имеет последствия. Неповрежденные фазы могут повышаться почти до междуфазного напряжения относительно земли, создавая повышенную нагрузку на кабели, обмотки двигателей, ограничители перенапряжений и подключенное оборудование.

Прерывистые дуговые замыкания на землю особенно проблематичны. Коммутация и повторное зажигание дуги могут создавать переходные перенапряжения, которые трудно предсказать по обычным измерениям нагрузки. Преднамеренно заземленная система обеспечивает определенный путь для повреждения и делает поведение защиты более повторяемым.

Заземление также улучшает диагностику. Если в фидере возникает повреждение изоляции, эксплуатационный персонал должен знать, какая цепь затронута. Правильно согласованная схема, включающая заземляющий трансформатор, резистор заземления, релейную защиту и трансформаторы тока, может обеспечить селективное отключение. Цель не всегда состоит в отключении всей шины; она заключается в отключении поврежденного участка с минимально необходимым перерывом.

Глухое заземление, заземление через сопротивление и значение различий

Заземляющий трансформатор сам по себе не определяет способ заземления. Его нейтраль может поддерживать различные схемы заземления, и каждая из них приводит к различному поведению при повреждении.

Заземление через сопротивление часто понимают неправильно. Оно не устраняет необходимость в защите; оно делает ток повреждения управляемым. Схема релейной защиты все равно должна обнаружить событие и инициировать требуемую сигнализацию или отключение. Резистор, выбранный без учета емкостного тока системы, времени отключения повреждения и чувствительности реле, может привести к неудовлетворительной работе защиты.

Заземляющий трансформатор в сравнении с силовым трансформатором с нейтралью звезды

Обычный силовой трансформатор передает энергию между уровнями напряжения. Заземляющий трансформатор устанавливается главным образом для создания нейтральной точки и обеспечения пути для токов нулевой последовательности. При нормальной работе он может нести малый ток нагрузки или не нести его вовсе, однако он должен выдерживать тепловое и механическое воздействие замыкания на землю в течение заданного времени отключения.

Это различие важно при составлении спецификации. Выбора устройства только по напряжению системы недостаточно. Проектировщик также должен определить требуемое напряжение нейтрали, способ заземления, ожидаемый ток замыкания на землю, длительность повреждения, уровень изоляции, условия окружающей среды и интерфейс защиты. В системе с заземлением через сопротивление заземляющий трансформатор и резистор нейтрали должны рассматриваться как единый согласованный узел, а не как несвязанные компоненты.

Проекты накопления энергии и возобновляемой энергетики требуют отдельного анализа заземления

Вопросы заземления приобретают большее значение, когда система включает генерацию на базе инверторов или аккумуляторное накопление энергии. Трансформаторы инверторов могут быть соединены треугольником с одной стороны, а опорная точка заземления может меняться в зависимости от того, подключен ли объект к сети, работает ли в островном режиме, заряжается, разряжается или переключается между источниками.

Например, коммунальная или промышленная микросеть, использующая контейнерную аккумуляторную систему, должна оценивать сборную шину переменного тока, векторную группу трансформатора, наличие нейтрали и поведение защиты во всех режимах работы. Такое оборудование, какконтейнерная система накопления энергии с жидкостным охлаждением 1MW/2MWh, может быть частью более широкой системы возобновляемой энергетики или микросети, однако сам контейнер накопления не решает автоматически задачу проектирования заземления переменного тока. Решение о заземляющем трансформаторе относится ко всей однолинейной электрической схеме, включая PCS, повышающий трансформатор, распределительное устройство, фидеры и схему подключения к сети.

Распространенная ошибка — предполагать, что источник коммунальной сети всегда будет обеспечивать опорную точку заземления. Это предположение не работает, когда переключатель резерва размыкает соединение с сетью, и местный источник становится ответственным за поддержание обнаружения повреждений. Поэтому работу в островном режиме следует рассматривать независимо от нормальной работы при подключении к сети.

Что необходимо подтвердить перед спецификацией устройства

Наиболее полезным исходным документом является однолинейная схема. На ней должны быть показаны все соединения обмоток трансформаторов, нейтральные точки, заземляющие проводники, положения выключателей, генераторы, интерфейсы инверторов и устройства защиты фидеров. После этого решение по заземлению становится технической оценкой, а не выбором по каталогу.

• Питается ли шина от треугольника, незаземленной звезды, заземленной звезды или более чем одного источника?
• Имеется ли уже нейтральная точка, доступная и подходящая для заземления?
• Что происходит при замыкании фазы на землю в каждой рабочей конфигурации?
• Должно ли повреждение отключаться немедленно, сопровождаться сигнализацией для контролируемого останова или изолироваться селективно?
• Какой ток замыкания на землю способны выдержать распределительное устройство, кабели, трансформатор, резистор и защитные устройства?
• Будет ли система когда-либо работать в островном режиме или с параллельной работой источников?
• Могут ли защитные реле надежно обнаруживать предусмотренный ток повреждения?

На эти вопросы следует отвечать совместно. Заземляющий трансформатор, который электрически выбран правильно, но плохо согласован с реле, нагрузочной способностью резистора или номиналами распределительного устройства, не обеспечит предусмотренный результат защиты.

Случаи, когда это может быть не лучшим решением

Трехфазный заземляющий трансформатор не является универсальным устройством безопасности. Он может быть не нужен, если источник с заземленной звездой уже обеспечивает правильно рассчитанную и защищенную нейтраль. Он также может быть неподходящим решением, если основная проблема заключается в поврежденной изоляции, недостаточном уравнивании потенциалов, неправильно примененном защитном реле или плохом разделении между проводниками защитного заземления оборудования и нейтральными проводниками.

Его не следует использовать для создания нейтрали для обычных однофазных нагрузок, если распределительная система, сечение проводников, баланс нагрузки и схема защиты не рассчитаны для этой цели. Заземляющий трансформатор формирует опорную точку заземления системы; он не является автоматически трансформатором питания нагрузок между фазой и нейтралью.

Часто задаваемые вопросы

Может ли система с соединением треугольником работать без заземляющего трансформатора?

Да. Некоторые системы намеренно выполняются незаземленными. Решение зависит от приемлемого риска повреждений, координации изоляции, эксплуатационной концепции и возможности обнаружить первое замыкание на землю. Там, где требуются предсказуемая защита и стабильная опорная точка относительно земли, заземляющий трансформатор часто является предпочтительным решением.

Является ли трансформатор зигзаг тем же, что и заземляющий трансформатор?

Соединение зигзаг — это распространенная конструкция заземляющего трансформатора, поскольку она создает нейтральную точку, одновременно обеспечивая высокое сопротивление симметричному току трехфазной нагрузки. «Заземляющий трансформатор» описывает функцию; «зигзаг» описывает один из способов соединения, используемых для ее обеспечения.

Защищает ли заземляющий трансформатор оборудование сам по себе?

Нет. Он создает путь тока повреждения, необходимый для работы защиты в соответствии с проектом. Защита также зависит от используемых резисторов или реакторов заземления, настроек реле, измерения тока, коммутационных устройств и правильной координации во всей системе.

Когда в системе отсутствует заземленная нейтраль, правильный вопрос состоит не просто в том, желательно ли заземление. Вопрос в том, может ли объект обнаружить, контролировать и устранить замыкание фазы на землю при каждом предусмотренном рабочем состоянии. Если ответ отрицательный, часто требуется правильно спроектированная схема с заземляющим трансформатором.