Guia dels transformadors Zig-Zag

 

Aquesta guia ofereix una visió general completa de les configuracions de bobinatges-especials-de transformadors en ziga-zaga que s'utilitzen àmpliament per a la posada a terra, la mitigació d'harmònics, la millora de la qualitat de l'energia i la conversió d'energia CA-dc en sistemes elèctrics moderns. La guia cobreix els principis fonamentals de funcionament, les característiques tècniques, les consideracions de disseny, la comparació amb esquemes de connexió a terra alternatius i els escenaris d'aplicació detallats, com ara la connexió a terra del sistema neutre, la cancel·lació d'harmònics i els sistemes integrats de conversió d'energia. La guia també inclou consideracions pràctiques per a la selecció, la mida, la protecció i el compliment dels estàndards rellevants com ara IEEE C57.105 i IEC 60076.

Els sistemes elèctrics moderns-trifàsics sovint funcionen amb secundaris de transformador connectats en delta-, que no tenen un punt neutre natural per a la connexió a terra. De manera més general, els sistemes trifàsics-no posats a terra-ja siguin de configuracions delta o d'altres fonts-presenten reptes operatius importants, com ara l'absència d'una referència de terra definida, el risc de sobretensions transitòries durant falles de línia-a-a terra i dificultats en la detecció i localització de fallades. El transformador en zig-zag (també conegut com a transformador d'estrella-interconnectat o de connexió a terra) es va desenvolupar per afrontar aquests reptes.

Un transformador en zig-zag és un transformador-de propòsit especial amb una configuració de bobinatge on cada sortida és la suma vectorial de dues fases desplaçades 120 graus . Cada extremitat del nucli magnètic es divideix en dues seccions de bobinatge enrotllades en direccions oposades, i les bobines estan interconnectades a través de diferents fases per crear un efecte de cancel·lació per a corrents equilibrades alhora que permeten que els corrents de seqüència zero- flueixin lliurement per la connexió neutra.

Tot i que la connexió a terra del neutre és l'aplicació més destacada, els transformadors en zig-zag s'han convertit en una plataforma versàtil que ofereix múltiples funcions: proporcionar un camí de baixa-impedància per als corrents de falla de terra-, suprimir els harmònics triples, equilibrar els corrents de càrrega i servir com a component integral en sistemes unificats de conversió d'energia CA-.

 

 

 

Tot i que la disposició interna pot semblar complicada, el principi de funcionament es regeix fonamentalment per la llei d'Ampere-l'equilibri magnètic entre bobinatges del mateix nucli dicta que el corrent que flueix en un bobinat ha d'anar acompanyat del corrent corresponent a l'altre bobinatge d'aquesta extremitat.

2.2 Anàlisi del flux actual en condicions de falla

Per apreciar com s'activen els corrents de seqüència zero-, considereu una fallada de línia-a-a terra en una fase d'un sistema sense connexió a terra. La disposició de bobinatge connectat-creu un camí de propagació de corrent interdependent. El corrent que flueix cap amunt des del punt neutre a través del bobinatge inferior de la fase A passa pel bobinatge superior de la fase C fins a la connexió de la xarxa. Això indueix un corrent corresponent al bobinatge inferior de la fase C, que al seu torn es propaga a la xarxa a través de la fase B. La seqüència continua implicant les tres fases. L'observació crítica és que tots els corrents dels bobinatges superiors, inferiors i la connexió a terra estan en fase entre si, identificant-los sense ambigüitats com a corrents de seqüència zero-.

La suma d'aquests corrents de -seqüència zero a través de les tres fases és igual al corrent total de falla a terra. En condicions normals de funcionament equilibrat, les tensions-desfasades es cancel·len i només circula un petit corrent excitant. Només en condicions desequilibrades-com ara falles a terra o càrregues desequilibrades-que els corrents de seqüència zero-poden fluir pel transformador.

2.3 Característiques d'impedància

En funcionament normal, el transformador en zig-zag presenta una alta impedància a corrents de seqüència positiva- i negativa-, el que el fa essencialment invisible per al sistema elèctric en condicions d'equilibri. Tanmateix, per a corrents de seqüència zero-, el transformador presenta una impedància baixa, que efectivament curt-el neutre a terra per als corrents de falla.

Els paràmetres clau que regeixen la impedància de seqüència zero-inclouen el recompte de girs del bobinat, la geometria del nucli, la inductància de fuites entre les dues meitats de cada extrem i les propietats magnètiques del material del nucli. La capacitat del disseny del nucli de ferro per limitar el flux de fluxos-harmònics triples és un altre avantatge únic que distingeix les configuracions en zig-zag d'altres esquemes de connexió a terra.

2.4 Requisits crítics d'instal·lació

Una condició de-circuit obert de fase-com ara un fusible cremat o una connexió fluixa-pertorba la interdependència dels corrents de bobinat. Amb una fase desconnectada, la cadena de propagació de corrent necessària per al flux de seqüència zero-es trenca i el transformador de connexió a terra ja no pot conduir el corrent de falla a terra. Per tant, els transformadors de presa de terra han d'estar sòlidament connectats tant a terra com a xarxa sense dispositius de commutació mecànics intermedis que puguin interrompre la continuïtat sense voler.

 

 

 

 

Dos tipus principals detransformadors de terras'utilitzen en sistemes elèctrics: el transformador en zig-zag (estrella-interconnectada) i eltransformador en estrella-delta. L'elecció entre ells comporta implicacions importants en costos, mida i rendiment.

3.1 Dimensió i potència nominal

La disposició en zig-zag ofereix una eficiència considerablement més alta que la configuració en estrella-delta a terra. En un transformador en zig-zag, cada bobinatge transporta menys que la tensió de la línia-a-a terra{-en un factor de- activant una potència total inferior:. Per contra, un transformador en estrella-delta posa a terrapel mateix corrent neutre. Aquesta diferència substancial fa que els transformadors en zig-zag siguin aproximadament un-terç més petits en kVA que els transformadors en estrella-delta per a requisits idèntics de corrent neutre.

Els fabricants informen que els transformadors en zig-zag ofereixen un cost més baix i una empremta física més petita que els transformadors en estrella-delta per a la mateixa especificació d'impedància de seqüència zero-, cosa que els converteix en l'opció preferida en la majoria d'aplicacions de connexió a terra.

3.2 Interpretació harmònica

Els transformadors en estrella-delta fan circular els harmònics triples (3r, 9, 15, etc.) dins del bobinatge delta, però no eliminen els corrents neutres generats per càrregues desequilibrades. Els transformadors en zig-zag, en canvi, recirculen els corrents del tercer harmònic des del neutre cap al costat de la càrrega, reduint activament els harmònics del costat secundari. Aquest és un mecanisme fonamentalment diferent dels transformadors delta-en estrella, on els harmònics triplens simplement queden atrapats dins del bucle delta tancat.

3.3 Temps nominal i servei tèrmic

Tots dos tipus serveixen com a dispositius de-temps curt, normalment classificats per a fallades de 10-segons o 1-minut en comptes d'un funcionament continu. La norma ANSI/IEEE. 32-1972 requereix una qualificació contínua del 3% per a una unitat nominal de 10-segons, és a dir, la qualificació a curt termini és aproximadament 33 vegades la qualificació contínua. Un banc amb una qualificació d'1 minut té una qualificació actual contínua del 7%. Aquesta característica de servei intermitent redueix la mida i el cost de fabricació en relació amb els transformadors de servei continu de capacitat equivalent, tot i que una gestió tèrmica acurada continua sent essencial.

 

 

 

 

4.1 Impedància de seqüència zero-

La impedància de -seqüència zero és sens dubte el paràmetre més crític per al disseny de transformadors en zig-zag. Determina tant la magnitud del corrent de falla a terra-com la regulació de la tensió en condicions desequilibrades. La impedància del transformador sola pot limitar el corrent de falla als nivells desitjats; alternativament, una resistència externa o un reactor inserit al neutre proporciona una capacitat limitadora addicional.

4.2 Inductància de fuites i pèrdues sense -càrrega

Els dos paràmetres de disseny més importants són les pèrdues sense-càrrega (histeresi i pèrdues per corrents de Foucault) i la impedància de fuga. Els avenços recents en els mètodes analítics i el modelatge d'elements finits han permès un càlcul més precís de la inductància de fuites en transformadors en ziga-zaga, cosa que beneficia tant als investigadors com als dissenyadors de transformadors en l'optimització d'aquest tipus. La reactància de fuga influeix en el comportament de limitació de corrent-del transformador durant les fallades i el seu rendiment global de regulació de la tensió.

4.3 Temps-breu i valoracions contínues

Els transformadors de posada a terra funcionen amb diferents-temps curts i contínues. Un circuit amb un desequilibri de càrrega mínim pot ser servit per un transformador amb una classificació predominant per a fallades de curta-durada en lloc d'un funcionament continu. La valoració contínua per a una unitat de 10-segons és normalment el 3% de la valoració de temps-breu, mentre que per a una unitat d'1-minut és del 7%. Els exemples de mida il·lustren aquest principi: en un sistema de 12,47 kV que subministra un corrent de falla a terra de 6.000 A{15}}, un transformador en zig-zag requeriria una capacitat de curta durada de 24,9 MVA. Aquesta qualificació intermitent correspon a una qualificació contínua d'aproximadament 0,75 MVA, que permet al banc gestionar 180 A de corrent neutre de manera contínua.

 

 

 

5.1 Reptes de protecció

Protegir les xarxes de mitjana-tensió amb transformadors de terra en zig-zag és un repte. La unitat diferencial del transformador pot no tenir sensibilitat per detectar falles internes a terra al costat delta a causa de la limitació inherent de corrent en zig-zag combinada amb els efectes de la relació del transformador de potència i les contribucions de corrent capacitiva dels alimentadors de MT. Una unitat de fallada a terra restringida pot millorar la sensibilitat, tot i que les fallades a terra externes de fase-fase- amb saturació del transformador de corrent requereixen una atenció especial.

Les unitats de comparació direccionals convencionals que comparen l'angle entre terra i corrent neutre no són adequades. En canvi, s'han proposat com a substituts efectius detectors de fallades externes que supervisen les unitats diferencials del transformador. Per a la protecció direccional neutre, les unitats convencionals que comparen els angles de fase de voltatge neutre i actual activen incorrectament les condicions de fallada directa en alimentadors sans; Les unitats direccionals basades en la magnitud d'impedància de seqüència zero-ofereixen una solució més fiable.

5.2 Normes aplicables

El disseny, les proves i l'aplicació dels transformadors en zig-zag es regeixen per diversos estàndards. IEEE C57.105-2019 descriu connexions i configuracions de transformadors en sistemes elèctrics trifàsics, incloses totes les combinacions de delta i estrella, connectades a terra i sense terra, connectades en T-, en ziga-zaga i altres connexions especials, que cobreixen tant dos-autotransformadors com els transformadors. Altres estàndards rellevants inclouen IEEE C57.32 per a dispositius de connexió a terra neutre, IEC 60076-25 per a resistències de terra neutre i IS 2026/IS 5553 per a proves i compliment de rendiment.

És important reconèixer que IEEE C57.105 es va escriure originalment per a sistemes de distribució amb tensions primàries de fins a 34,5 kV, tot i que els seus principis s'estenen de manera més àmplia.

 

 

 

6.1 Connexió a terra del sistema neutre

L'aplicació principal i més estesa dels transformadors en zig-zag és crear un neutre posat a terra per a sistemes-trifàsics-especialment secundaris de transformadors connectats en triangle-i busos generadors o inversors sense connexió a terra. Aquesta aplicació té múltiples funcions crítiques: reduir la tensió de sobretensió a l'aïllament durant fallades d'una sola línia-a-a terra, proporcionar una referència de terra definida per a la retransmissió de protecció i permetre un funcionament continu en condicions desequilibrades.

En sistemes fotovoltaics i de recursos energètics distribuïts, els inversors tradicionals sovint no tenen una connexió de neutre sòlida, cosa que provoca desequilibris de tensió i una connexió a terra ineficaç. Els transformadors en zig-zag estableixen un camí estable i de baixa-impedància a terra, estabilitzant el sistema en condicions de fallada. Per a xarxes de mitjana-tensió amb connexió a terra d'alta-resistència, el transformador de presa de terra en zig-zag combinat amb resistències de terra neutre ofereix una sensibilitat de detecció d'errors sense necessitat d'un dispar immediat-una configuració que ofereix una protecció robusta per a processos industrials crítics.

 

La funció dels transformadors Zig Zag:

Parcs Eòlics

• Proporciona un punt neutre artificial per a sistemes de recollida de mitjana-tensió (p. ex., 35 kV) per permetre la connexió a terra
• Ofereix un camí de baixa-impedància per a fallades d'una sola línia-a-a terra, limitant les sobretensions
• Suprimeix els harmònics triple (3r, 9, etc.) dels convertidors d'aerogeneradors
• Més petits i lleugers que els transformadors de presa de terra Δ-Y, ideals per al vent marí

Sistemes solars (PV).

• Estableix una referència de connexió a terra per al costat de CA de l'inversor on el neutre no està disponible
• Mitiga el-desequilibri trifàsic i els harmònics-generats per inversor
• Millora la capacitat de transmissió de baixa tensió (LVRT), evitant la desconnexió
• Pot servir com a inductor de filtre integrat en sistemes d'emmagatzematge fotovoltaic +

Els dispositius d'interconnexió flexibles a les xarxes de distribució modernes han demostrat l'atractiu de la posada a terra del transformador en zig-zag tant en el costat de mitjana- com en la de baixa-tensió, superant les alternatives de connexió a terra de gran reactància i de punt mitjà en comparacions exhaustives de rendiment.

6.2 Mitigació harmònica

Els transformadors en zig-zag tenen un paper important per mitigar els problemes de corrent neutre causats per càrregues no-lineals. Els sistemes de distribució de tres-quatre-fils trifàsics pateixen cada cop més una sobrecàrrega del conductor neutre a causa de la proliferació de fonts d'alimentació en mode commutat-, unitats de freqüència- variables i altres càrregues electròniques no-lineals. El primari connectat en delta-d'un transformador de distribució convencional només elimina els harmònics triple en condicions de càrrega perfectament equilibrades; Les càrregues desequilibrades encara generen corrents neutres.

Els transformadors en zig-zag solucionen aquest problema proporcionant un camí d'impedància baixa-per als harmònics triple mentre mantenen una alta impedància per als corrents de freqüència fonamental. L'aparellament estratègic dels transformadors delta-ziga-zag amb delta-en estrella pot cancel·lar els harmònics de 5è i 7è, aconseguint eficaçment un rendiment del sistema de 12-pols. Per a sistemes més grans, diversos petits transformadors en zig-zag col·locats a prop de les càrregues mantenen localitzats els corrents neutres, eliminant la necessitat de conductors neutres sobredimensionats i millorant l'equilibri de corrent de càrrega fonamental.

6.3 Conversió d'alimentació CA-CC integrada

Més enllà de les funcions tradicionals de qualitat d'energia, els transformadors en zig-zag han trobat aplicació en sistemes de conversió d'energia de ca-dc unificats que combinen fonts d'energia de xarxa (ca) i fotovoltaica (dc). Les inductàncies de fuites dels bobinatges dels transformadors en zig-zag es poden utilitzar com a inductàncies de reforç integrades en sistemes de corrent continu unificat, reduint el recompte de components i el volum global del sistema en comparació amb els dissenys convencionals amb inductors separats. Els enfocaments clàssics amb expressions adequades de la inductància de fuga per a bobinats amb geometria rectangular donen suport a la metodologia de disseny.

Les aplicacions avançades inclouen rectificadors de pols multi-harmònics de tres-etapes en zig-zag de doble-toc-harmònic multi-, on la configuració del transformador en ziga-zaga admet la correcció del factor de potència i l'atenuació harmònica en sistemes electrònics de potència d'alt-rendiment.

6.4 Laboratori i instal·lacions de recerca

Les instal·lacions de recerca-incloent acceleradors de partícules i sistemes experimentals de distribució d'energia-han implementat transformadors en zig-zag com a solucions rendibles-per reduir els corrents neutres causats per càrregues electròniques no-lineals. El cost relativament baix, la senzillesa, la facilitat d'instal·lació als sistemes de distribució existents i la capacitat de mantenir localitzats els corrents neutres fan que els transformadors en zig-zag siguin atractius en entorns experimentals on la qualitat de l'energia influeix directament en la mesura i el rendiment de l'equip.

 

 

 

 

7.1 Determinació dels requisits de corrent de falla a terra-

El primer pas per dimensionar un transformador en zig-zag és determinar el nivell de corrent-de falla a terra desitjat. Els enginyers de disseny han de decidir si confien únicament en la impedància de seqüència zero-interna del transformador per a la limitació de corrent o per inserir una resistència externa. Per als sistemes de connexió a terra d'alta-resistència, els corrents de falla normalment es limiten a 5-10 A per als sistemes de mitjana-tensió. Els sistemes de baixa-resistència poden permetre corrents de falla de 200 A o més.

7.2 Càlcul de la potència kVA

Per a un corrent neutre donat () i la línia del sistema-a-tensió de terra (), el valor de kVA de -temps curt per a un transformador en zig-zag és:

També s'ha d'especificar la qualificació contínua. Per a un dispositiu de 10-segons, la puntuació contínua equival al 3% de la puntuació de curta durada, mentre que un dispositiu d'1 minut requereix un 7%.

7.3 Consideracions d'aplicació

A diferència dels transformadors de potència convencionals, els transformadors de posada a terra són dispositius de servei-intermitent. La seva capacitat de suportar corrents de falla altes durant curtes durades permet una reducció significativa dels costos en comparació amb un transformador de servei continu-de valor equivalent. Tanmateix, els dissenyadors han de verificar que la capacitat de resistència tèrmica coincideix amb el temps de neteja esperat dels dispositius de protecció aigües amunt. Els transformadors de posada a terra es poden especificar per a una connexió a terra sòlida o per utilitzar-los amb una resistència de terra neutre externa-aquesta última ofereix flexibilitat per controlar la magnitud del corrent de falla a terra-.

7.4 Instal·lació i posada en marxa

La instal·lació adequada al camp és fonamental per a un funcionament fiable. Les activitats prèvies a la-comissió en funcionament haurien d'incloure proves de resistència d'aïllament, verificació de la relació de bobinatge i validació de-canvi de fase. La integritat del camí neutre s'ha de verificar a fons-la interrupció de qualsevol connexió de fase a la xarxa pot fer que la funció de connexió a terra no sigui operativa. Les proves de posada en marxa haurien de validar que el transformador presenta una impedància de seqüència zero-baixa mentre manté una alta impedància de seqüència- i negativa-en condicions normals de funcionament.

Per al funcionament de 50 Hz o 60 Hz, els tancaments han de complir els requisits ambientals per a instal·lacions interiors o exteriors, normalment amb tancaments ventilats tipus 3R per a ús exterior.

 

 

 

8.1 Sensibilitat de continuïtat de fase

Una limitació fonamental dels transformadors en zig-zag és la seva dependència de la connexió de les tres fases. L'absència d'una connexió monofàsica a la xarxa trenca la propagació del corrent de bobinat interdependent, eliminant la capacitat de conduir el corrent de falla a terra. Aquesta sensibilitat exigeix ​​connexions de fase fiables i argumenta contra la inserció de dispositius de commutació que puguin crear, sense voler, condicions de circuit obert-.

A diferència dels dispositius de protecció autònoms, els transformadors de terra en zig-zag han de romandre en servei contínuament mentre la font d'alimentació trifàsica-està activa. Si es perd el transformador de posada a terra, una falla d'una sola línia-a-a terra pot provocar tensions elevades de fase-a-en fases sense errors, i els desequilibris de càrrega poden provocar desplaçaments de neutre i sobretensions.

8.2 Saturació sota injecció de corrent continu

En els sistemes d'alimentació moderns, la injecció de corrent continu-ja sigui d'inversors connectats a la xarxa-, pertorbacions geomagnètiques o altres fonts-poden provocar la saturació del nucli del transformador de connexió a terra. La saturació redueix l'eficàcia del transformador per proporcionar un camí de terra de baixa-impedància i pot provocar un sobreescalfament. Es poden requerir precaucions especials en el disseny o monitorització addicional per als sistemes amb un contingut de CC important.

8.3 Complexitat de detecció de fallades

Els enginyers de protecció han de reconèixer que els relés diferencials convencionals poden ser inadequats per a la detecció de-errors de terra interna amb transformadors en zig-zag. Es poden requerir esquemes de protecció especialitzats-incloses unitats de falla de terra restringida, detectors de fallades externs i unitats direccionals-basades en magnitud-per a una cobertura de protecció completa.

 

 

 

Els transformadors en zig-zag són components d'habilitació crítics per als sistemes elèctrics trifàsics moderns. En proporcionar un camí d'impedància baixa per als corrents de seqüència zero-a la vegada que presenten una alta impedància als components de seqüència positiva- i negativa-, fan un pont entre els sistemes delta/estrella sense connexió a terra i els avantatges operatius i de seguretat de l'operació neutre posada a terra.

Les claus per emportar inclouen:

• Construcció: sis mig-enrotllaments-connexats entre fases en un nucli de tres-extremitats
• Principi de funcionament: l'equilibri d'amper-girs permet un flux de corrent-de seqüència zero mentre cancel·la els corrents equilibrats
• Aplicació primària: posada a terra neutre per a sistemes trifàsics no posats a terra-(delta-sistemas d'alimentació o generadors)
• Avantatges de rendiment: més eficàcia i mida més petita que els transformadors de connexió a terra en estrella-delta
• Aplicacions secundàries: mitigació d'harmònics (especialment els harmònics triples), equilibri de càrrega, conversió integrada de ca-dc
• Consideracions de disseny: dimensionament basat en classificacions d'error de-durada curta (10 segons o 1 min), capacitat contínua del 3% al 7%
• Requisits de protecció: Es requereixen plans especialitzats; la protecció diferencial convencional pot ser insuficient
• Instal·lació crítica: Imprescindible connexions en fase sòlida a la xarxa; no hi ha dispositius de commutació al camí de connexió a terra

La selecció entre un transformador de terra en zig-zag i en estrella-delta depèn en última instància dels requisits específics del sistema: necessitats de limitació de corrent de falla, pressupost i espai disponibles, requisits de mitigació d'harmònics i el desig de disponibilitat d'energia auxiliar. Per a la majoria d'aplicacions de connexió a terra, l'eficàcia superior del transformador en zig-zag, la superfície més petita i el millor rendiment harmònic el converteixen en l'opció preferida per a instal·lacions noves.