Wybór i optymalizacja konfiguracji zabezpieczeń metod uziemienia punktu neutralnego transformatora 110 kV

Wstęp

W systemach elektroenergetycznych wysokiego napięcia metoda uziemienia punktu neutralnego transformatora jest kluczowym czynnikiem wpływającym na bezpieczeństwo, niezawodność i stabilność systemu. W systemach elektroenergetycznych 110 kV wybór metody uziemienia punktu neutralnego bezpośrednio wpływa na poziom izolacji urządzeń, ochronę przeciwprzepięciową, konfigurację zabezpieczeń przekaźnikowych i niezawodność zasilania. W Chinach systemy 110 kV zazwyczaj stosują… częściowo skuteczna metoda uziemienia, w którym niektóre punkty neutralne transformatora są bezpośrednio uziemione, a inne pozostają nieuziemione, co ma na celu ograniczenie jednofazowych prądów zwarciowych, zapobiegając jednocześnie zagrożeniom przepięciowym.

W artykule tym przeanalizowano charakterystykę, zalety i ograniczenia różnych metod uziemiania punktu neutralnego transformatorów 110 kV, omówiono strategie optymalnej konfiguracji zabezpieczeń i przedstawiono przyszłe trendy rozwojowe.

1 Kluczowe metody uziemienia punktu neutralnego transformatorów 110 kV

1.1 Uziemienie bezpośrednie

Uziemienie bezpośrednieOdnosi się do bezpośredniego połączenia punktu neutralnego transformatora z ziemią. Metoda ta skutecznie ustala potencjał punktu neutralnego, zapewniając, że podczas jednofazowego zwarcia doziemnego wzrost napięcia fazowego w stanie bez zwarcia nie przekroczy 1,4-krotności napięcia fazowego. Pomaga to obniżyć wymagania dotyczące izolacji urządzeń i obniżyć koszty.

Jednakże istotną wadą jest bardzo wysoki jednofazowy prąd zwarcia doziemnego(do kilku tysięcy amperów), co może mieć wpływ na zdolność wyłączania wyłączników i stabilność systemu. Dlatego w systemach o napięciu 110 kV i wyższym, gdzie konieczna jest szybka naprawa, stosuje się zazwyczaj uziemienie bezpośrednie.

1.2 Nieuziemiony przewód neutralny

W system nieuziemionyPunkt neutralny transformatora jest izolowany od ziemi. W przypadku wystąpienia jednofazowego zwarcia doziemnego prąd zwarciowy jest bardzo mały (głównie prąd pojemnościowy systemu), co pozwala na kontynuowanie pracy systemu przez krótki czas (zwykle do 2 godzin). To znacznie poprawia… niezawodność zasilania.

Jednak w systemach nieuziemionych, jednofazowe zwarcia doziemne mogą spowodować wzrost napięcia fazowego, w którym nie występuje zwarcie, do poziomu napięcia sieciowego. Słaba izolacja może doprowadzić do przebicia, przekształcając się w zwarcie międzyfazowe. Dodatkowo, przerywane uziemienie łukowe może generować przepięcia łukowe, osiągając napięcie 3–3,5-krotnie wyższe od napięcia fazowego, stwarzając zagrożenie dla izolacji transformatora.

1.3 Uziemienie poprzez małą impedancję

Aby zrównoważyć zalety i wady systemów uziemienia bezpośredniego i nieuziemionego, metoda uziemienia impedancyjnegojest często stosowane. Obejmuje to uziemienie poprzez małą rezystancję lub małą reaktancję.

• Uziemienie o małej rezystancji:Ogranicza prąd zwarciowy do kilkuset amperów, zmniejszając wpływ na system, a jednocześnie umożliwiając szybkie zadziałanie zabezpieczeń. Ta metoda skutecznie tłumi przepięcia i jest odpowiednia dla sieci dystrybucyjnych o dużej gęstości kabli i dużych prądach pojemnościowych.
• Uziemienie o małej reaktancji:Może kompensować prąd pojemnościowy systemu poprzez prąd indukcyjny, zmniejszając prawdopodobieństwo ponownego zapłonu łuku elektrycznego. Ta metoda jest często uważana za kompensowaną metodę uziemienia.

Uziemienie za pomocą małej impedancji łączy zalety systemów bezpośrednich i nieuziemionych, zapewniając tłumienie przepięć i stosunkowo wysoką niezawodność zasilania. Jest ono szeroko stosowane w systemach 110 kV, szczególnie tych o znacznych prądach pojemnościowych lub wymagających wysokiej jakości zasilania.

2 Konfiguracja zabezpieczeń dla punktów neutralnych transformatora 110 kV

2.1 Zagrożenia przepięciowe

Poziom izolacji punktu neutralnego transformatora 110 kV wynosi zazwyczaj półizolowany, z napięciem wytrzymywanym wynoszącym zaledwie jedną trzecią napięcia na końcu linii. To sprawia, że ​​punkt neutralny jest podatny na uszkodzenia spowodowane przepięciem. Podstawowe typy przepięć obejmują:

• Przepięcie częstotliwości sieciowej:Powstają w wyniku przełączania linii, niesymetrycznych zwarć lub nagłej utraty obciążenia.
• Przepięcie rezonansowe: Powstają na skutek oscylacji wywołanych interakcjami między elementami indukcyjnymi i pojemnościowymi podczas działania systemu lub awarii.
• Przepięcie przełączające:Powstaje w wyniku konwersji energii magnetycznej i elektrostatycznej podczas otwierania lub zamykania wyłączników.
• Przepięcie piorunowe:Powstają na skutek uderzeń piorunów, charakteryzują się dużą amplitudą i krótkim czasem trwania.

2.2 Typowe urządzenia ochronne

Do ochrony punktu neutralnego transformatora powszechnie stosuje się następujące urządzenia zabezpieczające:

• Ograniczniki przepięć:Ograniczają one przepięcia piorunowe i niektóre przepięcia łączeniowe. Jednak standardowe ograniczniki przepięć często okazują się niewystarczające dla niskiego poziomu izolacji punktów neutralnych transformatorów 110 kV, co utrudnia dobór.
• Luki izolacyjne: Chronią one przed przepięciami o częstotliwości sieciowej i przepięciami rezonansowymi. W przypadku wystąpienia przepięcia szczelina między przewodami ulega przebiciu, uziemiając punkt neutralny i ograniczając wzrost napięcia. Wadą jest trudność w precyzyjnym dopasowaniu odstępu między przewodami, co może prowadzić do braku koordynacji zabezpieczeń.
• Równoległe połączenie ogranicznika przepięć i przerwy: Jest to powszechnie stosowana metoda ochrony. Ogranicznik przepięć chroni przed przepięciami piorunowymi, natomiast szczelina zabezpiecza przed przepięciami o częstotliwości sieciowej i rezonansowymi. Szczelina chroni również ogranicznik przepięć przed nadmiernymi przepięciami o częstotliwości sieciowej, które mogłyby spowodować jego awarię. Takie podejście oferuje uzupełniające się korzyści.

2.3 Konfiguracja ochrony przekaźnika

Zabezpieczenie przekaźnikowe punktu neutralnego transformatora 110 kV obejmuje głównie następujące aspekty:

• Zabezpieczenie przed prądem składowej zerowejW przypadku transformatorów uziemionych bezpośrednio, zabezpieczenie składowej zerowej prądu jest skonfigurowane w celu szybkiego usunięcia zwarć doziemnych. Zabezpieczenie jest zazwyczaj podzielone na sekcje, z krótkimi opóźnieniami czasowymi do lokalizacji zwarcia i dłuższymi opóźnieniami czasowymi do wyłączenia wszystkich stron transformatora.
• Zabezpieczenie przed składową zerową napięcia i zabezpieczenie przed prądem przerwy fazowejW przypadku transformatorów nieuziemionych stosuje się zabezpieczenie przed składową zerową napięcia i zabezpieczenie przed prądem zwarciowym. Gdy zwarcie doziemne powoduje utratę punktu uziemienia, co prowadzi do wzrostu napięcia w punkcie neutralnym, następuje przerwa w obwodzie. Zabezpieczenie przed prądem zwarciowym lub zabezpieczenie przed napięciem zerowym działa z opóźnieniem czasowym (0,3–0,5 s), wyzwalając transformator ze wszystkich stron.
• Koordynacja ochrony kopii zapasowychAby zapewnić selektywność, opóźnienia czasowe zabezpieczeń składowej zerowej muszą być skoordynowane. Na przykład, opóźnienie czasowe zabezpieczenia rezerwowego transformatora powinno być dłuższe niż opóźnienie czasowe zabezpieczenia linii, które ono zabezpiecza.

3 Rekomendacje optymalizacyjne i analiza przypadków

3.1 Ograniczenia tradycyjnych metod

Podczas korzystania z ograniczniki przepięć równoległe z przerwamijest powszechne, jednak podejście to ma kilka wad:

• Trudności w wyborze ogranicznika przepięć:Znalezienie standardowych ograniczników przepięć spełniających wymagania zarówno w zakresie wysokiego napięcia ciągłego pracy, jak i niskiego napięcia szczątkowego udarowego piorunowego w punktach neutralnych transformatorów 110 kV stanowi wyzwanie.
• Wyzwania w ustalaniu luk:Napięcie przebicia szczeliny powietrznej ulega rozproszeniu, przez co trudno jest dokładnie skoordynować działanie szczeliny w przypadku „utraty uziemienia” i „zwarcia doziemnego”.
• Złożoność ochrony przekaźników:Zabezpieczenia przed utratą uziemienia (takie jak zabezpieczenia nadnapięciowe składowej zerowej i zabezpieczenia nadprądowe szczelinowe) mogą działać nieprawidłowo, co powoduje konieczność stosowania dodatkowych kryteriów blokowania, co zwiększa złożoność i zmniejsza niezawodność.

3.2 Zalety uziemienia poprzez małą reaktancję

Badania i praktyka wskazują, że uziemienie punktu neutralnego za pomocą małej reaktancjizapewnia znaczące korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami częściowego uziemienia:

• Obniżone wymagania dotyczące poziomu izolacji:Po zastosowaniu uziemienia o małej reaktancji poziom izolacji punktu neutralnego transformatora można obniżyć z 35 kV do 20 kV, eliminując potrzebę stosowania ograniczników przepięć i przerw oraz upraszczając konfigurację zabezpieczeń.
• Tryb uziemienia ujednoliconego:Metoda ta eliminuje występowanie izolowanego, nieuziemionego układu, umożliwiając uproszczenie lub pominięcie powiązanych zabezpieczeń, a tym samym zwiększenie niezawodności.
• Utrzymanie korzyści:Zapewnia korzyści wynikające z częściowego uziemienia, takie jak prosta i niezawodna ochrona przed składową zerową, ograniczając jednocześnie jednofazowe prądy zwarciowe.

3.3 Analiza studium przypadku

Przykładem jest transformacja stacji końcowej 110 kV. W pierwotnym projekcie zastosowano ogranicznik przepięć równoległy z przerwądo zabezpieczenia punktu neutralnego. Jednak po zastosowaniu uziemienia o małej reaktancji, wymagania dotyczące poziomu izolacji punktu neutralnego transformatora zostały obniżone, urządzenia zabezpieczające zostały uproszczone, a niezawodność działania poprawiona. Obliczenia wykazały, że rezystancja uziemienia może ograniczyć prąd zwarciowy do kilkuset amperów, a zabezpieczenie składowej zerowej można łatwo skoordynować.

Inny przypadek dotyczył awarii w stacji elektroenergetycznej 110 kV, gdzie przejściowe zwarcie doziemne jednofazowe w linii zasilającej doprowadziło do przebicia punktu neutralnego i wyłączenia transformatora. Analiza wykazała, że ​​chociaż zwarcie linii miało charakter przejściowy, sprzężenie zwrotne z dużej liczby silników asynchronicznychPo stronie obciążenia dostarczały energię dla łuku elektrycznego, podtrzymując zwarcie. To podkreśla, że ​​w przypadku transformatorów ze znacznym obciążeniem silnika (źródła zastępcze), pełna ochrona punktu neutralnego, obejmująca zabezpieczenie nadprądowe składowej zerowej, zabezpieczenie przed prądem przerwy fazowej i zabezpieczenie przed napięciem składowej zerowej, jest niezbędna na etapie projektowania.

4 Wnioski i perspektywy

Wybór metody uziemienia punktu neutralnego transformatora 110 kV i konfiguracji jego zabezpieczeń to zadanie wieloaspektowe, wymagające uwzględnienia struktury systemu, charakterystyki obciążenia i wymagań niezawodnościowych. Chociaż tradycyjna metoda częściowego uziemienia w połączeniu z ogranicznikami przepięć i przerwami międzyprzewodowymi jest powszechna, wiąże się ona z wyzwaniami w zakresie doboru urządzeń i koordynacji ich ustawień. metoda uziemienia małej reaktancjioferuje obiecującą alternatywę, która potencjalnie obniża wymagania dotyczące izolacji, upraszcza ochronę i poprawia niezawodność.

Przyszłe trendy rozwojowe będą koncentrować się na następujących obszarach:

• Zastosowanie nowych urządzeń:Takie jak przerwy kompozytowe lub przerwy sterowalne stosowane równolegle z ogranicznikami przepięć, zwiększające niezawodność i dokładność ochrony.
• Technologia ochrony cyfrowej:Wykorzystywanie ochrony opartej na mikrokomputerze z zaawansowanymi algorytmami (np. identyfikacja przebiegu, analiza harmonicznych) w celu zwiększenia czułości i niezawodności ochrony przed zwarciem doziemnym.
• Standaryzacja i modularyzacja:Opracowanie znormalizowanego i modułowego sprzętu zabezpieczającego punkt neutralny w celu uproszczenia projektowania i konserwacji.

Podsumowując, optymalizacja metody uziemienia punktu neutralnego transformatora 110 kV i konfiguracji zabezpieczeń ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia bezpieczeństwa, niezawodności i ekonomicznej eksploatacji systemu elektroenergetycznego. Wraz z postępem technologicznym oczekuje się pojawienia się bardziej inteligentnych i wydajnych rozwiązań, które znajdą szerokie zastosowanie.