Guida ai trasformatori Zig-Zag

 

Questa guida fornisce una panoramica completa delle configurazioni degli avvolgimenti per scopi speciali-speciali- dei trasformatori a zigzag ampiamente utilizzati per la messa a terra, la mitigazione delle armoniche, il miglioramento della qualità dell'alimentazione e la conversione dell'alimentazione ca-cc nei moderni sistemi elettrici. La guida copre i principi fondamentali di funzionamento, le caratteristiche tecniche, le considerazioni sulla progettazione, il confronto con schemi di messa a terra alternativi e scenari applicativi dettagliati tra cui la messa a terra del neutro del sistema, la cancellazione delle armoniche e i sistemi di conversione di potenza integrati. La guida include anche considerazioni pratiche per la selezione, il dimensionamento, la protezione e la conformità agli standard pertinenti come IEEE C57.105 e IEC 60076.

I moderni sistemi elettrici trifase-spesso funzionano con trasformatori secondari collegati a triangolo-, che non dispongono di un punto neutro naturale per la messa a terra. Più in generale, i sistemi trifase-trifase-senza messa a terra, sia che provengano da configurazioni a triangolo o da altre fonti,-presentano sfide operative significative, tra cui l'assenza di un riferimento di terra definito, il rischio di sovratensioni transitorie durante i guasti da linea-a-terra e difficoltà nel rilevamento e nella localizzazione dei guasti. Il trasformatore a zig-zag (noto anche come trasformatore a stella o di messa a terra interconnesso-) è stato sviluppato per affrontare queste sfide.

Un trasformatore a zig zag è un trasformatore-per scopi speciali con una configurazione di avvolgimento in cui ciascuna uscita è la somma vettoriale di due fasi sfalsate di 120 gradi. Ciascun ramo del nucleo magnetico è diviso in due sezioni di avvolgimento avvolte in direzioni opposte e le bobine sono interconnesse su fasi diverse per creare un effetto di cancellazione per correnti bilanciate consentendo al tempo stesso alle correnti a sequenza zero di fluire liberamente attraverso la connessione neutra.

Sebbene la messa a terra del neutro sia l'applicazione più importante, i trasformatori a zig-zag si sono evoluti in una piattaforma versatile che svolge molteplici funzioni: fornire un percorso a bassa-impedenza per le correnti di guasto-di terra, sopprimere le armoniche triple, bilanciare le correnti di carico e fungere da componente integrale nei sistemi di conversione di potenza CA-CC unificati.

 

 

 

Sebbene la disposizione interna possa sembrare complicata, il principio di funzionamento è fondamentalmente governato dalla legge di Ampere-l'equilibrio magnetico tra gli avvolgimenti sullo stesso nucleo impone che la corrente che scorre in un avvolgimento deve essere accompagnata dalla corrente corrispondente nell'altro avvolgimento su quell'arto.

2.2 Analisi del flusso di corrente in condizioni di guasto

Per apprezzare come vengono abilitate le correnti a sequenza zero, si consideri un guasto da linea a-terra su una fase di un sistema altrimenti senza messa a terra. La disposizione degli avvolgimenti incrociati-connessi crea un percorso di propagazione della corrente interdipendente. La corrente che scorre verso l'alto dal punto neutro attraverso l'avvolgimento inferiore della fase A passa attraverso l'avvolgimento superiore della fase C sulla connessione alla rete. Ciò induce una corrente corrispondente nell'avvolgimento inferiore della fase C, che a sua volta si propaga alla rete attraverso la fase B. La sequenza continua a coinvolgere tutte e tre le fasi. L'osservazione fondamentale è che tutte le correnti negli avvolgimenti superiori, negli avvolgimenti inferiori e nella connessione di terra sono in fase tra loro, identificandole inequivocabilmente come correnti a sequenza zero.

La somma di queste correnti di sequenza zero-su tutte e tre le fasi equivale alla corrente di guasto a terra totale. In condizioni operative normali e bilanciate, le tensioni sfasate-si annullano e circola solo una piccola corrente di eccitazione. È solo in condizioni sbilanciate-come guasti a terra o carichi sbilanciati-che le correnti a sequenza zero-possono fluire attraverso il trasformatore.

2.3 Caratteristiche di impedenza

Durante il normale funzionamento, il trasformatore a zig-zag presenta un'alta impedenza alle correnti di sequenza positiva- e negativa-, rendendolo essenzialmente invisibile al sistema elettrico in condizioni di equilibrio. Per le correnti a sequenza zero, tuttavia, il trasformatore presenta una bassa impedenza, cortocircuitando di fatto il neutro a terra per le correnti di guasto.

I parametri chiave che governano l'impedenza di sequenza zero- includono il numero di giri dell'avvolgimento, la geometria del nucleo, l'induttanza di dispersione tra le due metà di ciascun ramo e le proprietà magnetiche del materiale del nucleo. La capacità del design del nucleo in ferro di limitare il flusso di flussi armonici tripli- è un altro vantaggio unico che distingue le configurazioni a zig-zag da altri schemi di messa a terra.

2.4 Requisiti critici di installazione

Una fase aperta-condizione del circuito-come un fusibile bruciato o una connessione allentata-interrompe l'interdipendenza delle correnti di avvolgimento. Con una fase disconnessa, la catena di propagazione della corrente necessaria per il flusso a sequenza zero si interrompe e il trasformatore di terra non può più condurre la corrente di guasto a terra. Pertanto i trasformatori di terra devono essere solidamente collegati sia a terra che alla rete, senza dispositivi di manovra meccanici intermedi che potrebbero inavvertitamente interrompere la continuità.

 

 

 

 

Due tipi principali ditrasformatori di messa a terravengono utilizzati nei sistemi di alimentazione: il trasformatore a zig-zag (interconnesso-a stella) e iltrasformatore sì-delta. La scelta tra i due comporta implicazioni significative in termini di costi, dimensioni e prestazioni.

3.1 Dimensionamento e potenza nominale

La disposizione a zig-zag offre un'efficienza considerevolmente più elevata rispetto alla configurazione stella-delta con messa a terra. In un trasformatore a zig-zag, ciascun avvolgimento trasporta meno della tensione tra linea-e-terra-di un fattore pari a- che consente una potenza nominale totale inferiore:. Al contrario, è necessario un trasformatore stella-triangolo con messa a terraper la stessa corrente di neutro. Questa differenza sostanziale rende i trasformatori a zig-zag di circa un-terzo più piccoli in termini di potenza nominale in kVA rispetto ai trasformatori a stella-delta per requisiti di corrente neutra identici.

I produttori riferiscono che i trasformatori a zig-zag offrono costi inferiori e ingombro fisico ridotto rispetto ai trasformatori stella-delta per le stesse specifiche di impedenza-sequenza zero, rendendoli la scelta preferita nella maggior parte delle applicazioni di messa a terra.

3.2 Prestazioni armoniche

I trasformatori stella-triangolo fanno circolare armoniche triple (3a, 9a, 15a ecc.) all'interno dell'avvolgimento delta ma non eliminano le correnti neutre generate da carichi sbilanciati. I trasformatori a zig-zag, al contrario, fanno ricircolare le correnti della terza armonica dal neutro al lato di carico, riducendo attivamente le armoniche sul lato secondario. Si tratta di un meccanismo fondamentalmente diverso dai trasformatori delta-wye, in cui le armoniche triple sono semplicemente intrappolate all'interno del circuito delta chiuso.

3.3 Tempo nominale e servizio termico

Entrambi i tipi funzionano come dispositivi di breve-durata, in genere classificati per durate di guasto di 10-secondi o 1-minuto anziché per funzionamento continuo. Lo standard ANSI/IEEE. 32-1972 richiede una valutazione continua del 3% per un'unità nominale di 10-secondi, il che significa che la valutazione a breve termine equivale a circa 33 volte la valutazione continua. Una banca con rating a 1 minuto ha un rating corrente continuo del 7%. Questa caratteristica di servizio intermittente riduce le dimensioni e i costi di produzione rispetto ai trasformatori a servizio continuo di capacità equivalente, sebbene un’attenta gestione termica rimanga essenziale.

 

 

 

 

4.1 Impedenza di sequenza-zero

L'impedenza di sequenza zero-è probabilmente il parametro più critico per la progettazione di trasformatori a zig-zag. Determina sia l'entità della corrente di guasto a terra-che la regolazione della tensione in condizioni sbilanciate. La sola impedenza del trasformatore può limitare la corrente di guasto ai livelli desiderati; in alternativa, un resistore o un reattore esterno inserito nel neutro fornisce ulteriore capacità di limitazione.

4.2 Induttanza di dispersione e assenza di-perdite di carico

I due parametri di progettazione più importanti sono le perdite in assenza di-carico (isteresi e perdite per correnti parassite) e l'impedenza di dispersione. I recenti progressi nei metodi analitici e nella modellazione degli elementi finiti hanno consentito un calcolo più preciso dell'induttanza di dispersione nei trasformatori a zigzag, il che avvantaggia sia i ricercatori che i progettisti di trasformatori nell'ottimizzazione di questo tipo. La reattanza di dispersione influenza il comportamento di limitazione della corrente del trasformatore durante i guasti e le prestazioni complessive di regolazione della tensione.

4.3 Valutazioni-a breve termine e continue

I trasformatori di messa a terra funzionano con valori nominali distinti-di breve durata e continui. Un circuito con uno squilibrio di carico minimo può essere servito da un trasformatore progettato prevalentemente per guasti di breve-durata piuttosto che per funzionamento continuo. La valutazione continua per un'unità di 10-secondi è in genere il 3% della valutazione di breve-tempo, mentre per un'unità di 1-minuto è del 7%. Esempi di dimensionamento illustrano questo principio: su un sistema da 12,47 kV che fornisce una corrente di guasto a terra-di 6000 A, un trasformatore a zig-zag richiederebbe una potenza nominale di breve durata di 24,9 MVA. Questa potenza intermittente corrisponde a una potenza continua di circa 0,75 MVA, consentendo alla banca di gestire 180 A di corrente neutra in modo continuo.

 

 

 

5.1 Sfide di protezione

Proteggere le reti di media-tensione con trasformatori di messa a terra a zig-zag è impegnativo. L'unità differenziale del trasformatore potrebbe non avere sensibilità nel rilevare guasti a terra interni sul lato delta a causa della limitazione di corrente a zig-zag intrinseca combinata con gli effetti del rapporto del trasformatore di potenza e dei contributi di corrente capacitiva provenienti dagli alimentatori MT. Un'unità con guasto a terra ristretto può migliorare la sensibilità, sebbene i guasti di fase-fase-terra esterni con saturazione del trasformatore di corrente richiedano un'attenzione speciale.

I tradizionali comparatori direzionali che confrontano l'angolo tra la corrente di terra e quella del neutro non sono adatti. Invece, come sostituti efficaci sono stati proposti rilevatori di guasti esterni che supervisionano le unità differenziali del trasformatore. Per la protezione direzionale del neutro, le unità convenzionali che confrontano la tensione del neutro e gli angoli di fase della corrente attivano erroneamente condizioni di guasto diretto su alimentatori sani; le unità direzionali basate sull'entità dell'impedenza a sequenza zero-offrono una soluzione più affidabile.

5.2 Standard applicabili

La progettazione, i test e l'applicazione dei trasformatori a zig{{0}zag sono regolati da più standard. IEEE C57.105-2019 descrive le connessioni e le configurazioni dei trasformatori nei sistemi elettrici trifase-, comprese tutte le combinazioni di triangolo e stella, con messa a terra e senza messa a terra, connessione a T-, zigzag e altre connessioni speciali, che coprono sia i due-avvolgimenti che gli autotrasformatori. Altri standard rilevanti includono IEEE C57.32 per i dispositivi di messa a terra del neutro, IEC 60076-25 per i resistori di messa a terra del neutro e IS 2026/IS 5553 per i test e la conformità delle prestazioni.

È importante riconoscere che IEEE C57.105 è stato originariamente scritto per sistemi di distribuzione con tensioni primarie fino a 34,5 kV, sebbene i suoi principi si estendano in modo più ampio.

 

 

 

6.1 Messa a terra del neutro del sistema

L'applicazione principale e più diffusa dei trasformatori a zig-zag è quella di creare un neutro con messa a terra per sistemi trifase-trifase senza messa a terra-in particolare secondari di trasformatori collegati a triangolo- e bus di generatori o inverter senza messa a terra. Questa applicazione svolge molteplici funzioni critiche: riduce lo stress da sovratensione sull'isolamento durante i guasti di linea singola-a-terra, fornisce un riferimento di terra definito per il relè di protezione e consente il funzionamento continuo in condizioni sbilanciate.

Nei sistemi fotovoltaici e di risorse energetiche distribuite, gli inverter tradizionali spesso non dispongono di un solido collegamento neutro, con conseguenti squilibri di tensione e una messa a terra inefficace. I trasformatori a zig-zag stabiliscono un percorso stabile a bassa-impedenza verso terra, stabilizzando il sistema in condizioni di guasto. Per le reti di media-tensione con messa a terra ad alta-resistenza, il trasformatore di messa a terra a zig zag combinato con resistori di messa a terra neutri fornisce sensibilità di rilevamento dei guasti senza richiedere lo sgancio immediato-una configurazione che offre una protezione solida per i processi industriali critici.

 

La funzione dei trasformatori Zig Zag:

Parchi eolici

• Fornisce un punto neutro artificiale per i sistemi di raccolta a media-tensione (ad es. 35 kV) per consentire la messa a terra
• Offre un percorso a bassa-impedenza per guasti da linea singola-a-terra, limitando le sovratensioni
• Sopprime le triple armoniche (3a, 9a, ecc.) dai convertitori delle turbine eoliche
• Più piccolo e leggero dei trasformatori di messa a terra Δ-Y, ideale per l'eolico offshore

Sistemi solari (fotovoltaici).

• Stabilisce un riferimento di terra per il lato CA dell'inverter dove il neutro non è disponibile
• Mitiga lo squilibrio trifase e le armoniche generate dall'inverter
• Migliora la capacità di-ride{1}}through a basso voltaggio (LVRT), prevenendo la disconnessione
• Può fungere da induttore di filtro integrato nei sistemi fotovoltaici + accumulo

I dispositivi di interconnessione flessibili nelle moderne reti di distribuzione hanno dimostrato l'attrattiva della messa a terra dei trasformatori a zig{{0}zag su entrambi i lati della media- e della bassa-tensione, superando le alternative di messa a terra a grande reattanza e di messa a terra del punto medio nei confronti completi delle prestazioni.

6.2 Mitigazione armonica

I trasformatori a zig-zag svolgono un ruolo significativo nel mitigare i problemi di corrente neutra causati da carichi non-lineari. I sistemi di distribuzione tri{3}}a quattro fili-soffrono sempre più il sovraccarico del conduttore neutro a causa della proliferazione di alimentatori a commutazione-mode, convertitori di frequenza-variabili e altri carichi elettronici non-lineari. Il primario collegato a triangolo-di un trasformatore di distribuzione convenzionale elimina solo il triplo delle armoniche in condizioni di carico perfettamente bilanciate; i carichi sbilanciati generano ancora correnti neutre.

I trasformatori a zig-zag risolvono questo problema fornendo un percorso a bassa-impedenza per le armoniche triple mantenendo allo stesso tempo un'impedenza elevata per le correnti a frequenza fondamentale. L'abbinamento strategico dei trasformatori delta-zigzag con delta-wye può annullare sia la 5a che la 7a armonica, ottenendo in modo efficace prestazioni del sistema a 12-impulsi. Per i sistemi più grandi, più piccoli trasformatori a zig-zag posizionati vicino ai carichi mantengono localizzate le correnti neutre, eliminando la necessità di conduttori neutri sovradimensionati e migliorando il bilanciamento fondamentale della corrente di carico.

6.3 Conversione di alimentazione CA-CC integrata

Oltre alle tradizionali funzioni di qualità dell'energia, i trasformatori a zig-zag hanno trovato applicazione nei sistemi di conversione dell'alimentazione ca-cc unificati che combinano fonti di alimentazione di rete (ca) e fotovoltaiche (cc). Le induttanze di dispersione degli avvolgimenti dei trasformatori a zig-zag possono essere utilizzate come induttanze di potenziamento integrate nei sistemi CA-CC unificati, riducendo il numero di componenti e il volume complessivo del sistema rispetto ai progetti convenzionali con induttori separati. Approcci classici con espressioni appropriate dell'induttanza di dispersione per avvolgimenti con geometria rettangolare supportano la metodologia di progettazione.

Le applicazioni avanzate includono raddrizzatori a tre-shunt zigzag a doppia-presa a bassa-armonica multipla-a impulsi, in cui la configurazione del trasformatore a zigzag supporta la correzione del fattore di potenza e l'attenuazione armonica nei sistemi elettronici di potenza ad alte-prestazioni.

6.4 Strutture di laboratorio e di ricerca

Le strutture di ricerca-tra cui acceleratori di particelle e sistemi sperimentali di distribuzione dell'energia-hanno implementato trasformatori a zig-zag come soluzioni-economiche per ridurre le correnti neutre causate da-carichi elettronici non lineari. Il costo relativamente basso, la semplicità, la facilità di installazione sui sistemi di distribuzione esistenti e la capacità di mantenere localizzate le correnti neutre rendono i trasformatori a zig-attraenti in contesti sperimentali in cui la qualità dell'alimentazione influisce direttamente sulla misurazione e sulle prestazioni delle apparecchiature.

 

 

 

 

7.1 Determinazione dei requisiti della corrente di guasto-di terra

Il primo passo nel dimensionamento di un trasformatore a zig-zag è determinare il livello di corrente di guasto-verso terra desiderato. Gli ingegneri progettisti devono decidere se fare affidamento esclusivamente sull'impedenza di sequenza zero interna del trasformatore-per la limitazione di corrente o se inserire un resistore esterno. Per i sistemi di messa a terra ad alta-resistenza, le correnti di guasto sono generalmente limitate a 5–10 A per i sistemi a media-tensione. I sistemi a bassa-resistenza possono consentire correnti di guasto pari o superiori a 200 A.

7.2 Calcolo dei kVA nominali

Per una data corrente neutra () e tensione da linea di sistema-a-terra (), il valore nominale in kVA-di breve durata per un trasformatore a zig-zag è:

Deve essere specificata anche la valutazione continua. Per un dispositivo da 10-secondi, la valutazione continua equivale al 3% della valutazione a breve termine, mentre per un dispositivo da 1 minuto richiede il 7%.

7.3 Considerazioni sull'applicazione

A differenza dei trasformatori di alimentazione convenzionali, i trasformatori di messa a terra sono dispositivi a servizio- intermittente. La loro capacità di resistere a correnti di guasto elevate per brevi periodi consente una significativa riduzione dei costi rispetto a un trasformatore a servizio continuo- con classificazione equivalente. Tuttavia, i progettisti devono verificare che la capacità di resistenza termica corrisponda al tempo di intervento previsto dei dispositivi di protezione a monte. I trasformatori di messa a terra possono essere specificati per una messa a terra solida o per l'uso con un resistore di messa a terra neutro esterno-quest'ultimo offre flessibilità nel controllo dell'entità della corrente di guasto di terra-.

7.4 Installazione e messa in servizio

Una corretta installazione sul campo è fondamentale per un funzionamento affidabile. Le attività di pre-messa in servizio dovrebbero includere test della resistenza di isolamento, verifica del rapporto di avvolgimento e convalida-dello spostamento di fase. L'integrità del percorso neutro deve essere verificata attentamente-l'interruzione di qualsiasi connessione di fase alla rete può rendere inoperativa la funzione di messa a terra. I test di messa in servizio dovrebbero verificare che il trasformatore presenti un'impedenza di sequenza-bassa zero mantenendo un'impedenza di sequenza- e negativa-elevata in condizioni operative normali.

Per il funzionamento a 50 Hz o 60 Hz, gli involucri devono soddisfare i requisiti ambientali per l'installazione interna o esterna, in genere con involucri ventilati di tipo 3R per uso esterno.

 

 

 

8.1 Sensibilità alla continuità di fase

Una limitazione fondamentale dei trasformatori a zig-zag è la loro dipendenza dal collegamento di tutte e tre le fasi. L'assenza di una connessione monofase alla rete interrompe la propagazione della corrente di avvolgimento interdipendente, eliminando la capacità di condurre corrente di guasto a terra. Questa sensibilità richiede connessioni di fase affidabili e sconsiglia l'inserimento di dispositivi di commutazione che potrebbero inavvertitamente creare condizioni di circuito aperto.

A differenza dei dispositivi di protezione autonomi, i trasformatori di messa a terra a zig-zag devono rimanere in servizio continuamente mentre la fonte di alimentazione tri-fase è attiva. Se si perde il trasformatore di messa a terra, un singolo guasto da linea-a-terra può causare tensioni elevate da fase-a-neutro sulle fasi non difettose e gli squilibri di carico possono portare a spostamenti del neutro e sovratensioni.

8.2 Saturazione sotto iniezione DC

Nei moderni sistemi di alimentazione, l'iniezione di corrente CC-proveniente da inverter collegati alla rete-, disturbi geomagnetici o altre fonti-può causare la saturazione del nucleo del trasformatore di messa a terra. La saturazione riduce l'efficacia del trasformatore nel fornire un percorso di terra a bassa-impedenza e può portare al surriscaldamento. Per i sistemi con un contenuto CC significativo possono essere necessarie precauzioni speciali nella progettazione o un monitoraggio aggiuntivo.

8.3 Complessità del rilevamento guasti

Gli ingegneri della protezione devono riconoscere che i relè differenziali convenzionali potrebbero essere inadeguati per il rilevamento di guasti a terra interni-con trasformatori a zig-zag. Per una copertura di protezione completa potrebbero essere necessari schemi di protezione specializzati-tra cui unità di guasto terrestre limitato, rilevatori di guasti esterni e unità direzionali basate sulla magnitudo-basate su{5}}.

 

 

 

I trasformatori a zig-zag sono componenti fondamentali per i moderni sistemi elettrici tri-fase. Fornendo un percorso a bassa-impedenza per correnti di sequenza-zero e presentando al contempo un'alta impedenza ai componenti di sequenza- positiva e negativa-, colmano il divario tra i sistemi triangolo/stella senza messa a terra e i vantaggi operativi e di sicurezza del funzionamento neutro con messa a terra.

I punti chiave includono:

• Costruzione: Sei semi-avvolgimenti incrociati-collegati tra le fasi su un nucleo a tre-rami
• Principio di funzionamento: Il bilanciamento dell'Ampere-gira consente il flusso di corrente a sequenza zero-annullando le correnti bilanciate
• Applicazione primaria: Messa a terra del neutro per sistemi trifase-senza messa a terra (sistemi con alimentazione a triangolo o generatore)
• Vantaggi prestazionali: Efficienza maggiore e dimensioni più piccole rispetto ai trasformatori di messa a terra stella-triangolo
• Applicazioni secondarie: Mitigazione armonica (in particolare armoniche triple), bilanciamento del carico, conversione ca-cc integrata
• Considerazioni sulla progettazione: dimensionamento basato su valutazioni di guasto di breve-durata (10 secondi o 1 minuto), capacità continua dal 3% al 7%
• Requisiti di protezione: Sono richiesti schemi specializzati; la protezione differenziale convenzionale potrebbe essere insufficiente
• Installazione critica: Collegamenti fase solida alla rete essenziali; nessun dispositivo di commutazione nel percorso di messa a terra

La scelta tra un trasformatore di messa a terra a zig-e uno a stella-delta dipende in ultima analisi dai requisiti specifici del sistema: esigenze di limitazione della corrente di guasto, budget e spazio disponibili, requisiti di mitigazione delle armoniche e desiderio di disponibilità di alimentazione ausiliaria. Per la maggior parte delle applicazioni di messa a terra, l'efficienza superiore del trasformatore a zig-zag, l'ingombro ridotto e le migliori prestazioni armoniche lo rendono la scelta preferita per le nuove installazioni.