Optimizacija odabira i konfiguracije zaštite metoda uzemljenja neutralne točke transformatora od 110 kV

Uvod

U visokonaponskim elektroenergetskim sustavima, metoda uzemljenja neutralne točke transformatora ključni je faktor koji utječe na sigurnost, pouzdanost i stabilnost sustava. Za 110 kV elektroenergetske sustave, izbor metode uzemljenja neutralne točke izravno utječe na razinu izolacije opreme, zaštitu od prenapona, konfiguraciju relejne zaštite i pouzdanost napajanja. U Kini, 110 kV sustavi obično usvajaju... djelomično učinkovita metoda uzemljenja, gdje su neke neutralne točke transformatora izravno uzemljene, dok druge ostaju neuzemljene, s ciljem ograničavanja struja jednofaznog kratkog spoja uz sprječavanje prijetnji prenapona.

Ovaj članak analizira karakteristike, prednosti i ograničenja različitih metoda uzemljenja neutralne točke transformatora od 110 kV, istražuje optimalne strategije konfiguracije zaštite i predstavlja buduće trendove razvoja.

1 Ključne metode uzemljenja neutralne točke za transformatore od 110 kV

1.1 Izravno uzemljenje

Izravno uzemljenjeodnosi se na izravnu vezu neutralne točke transformatora sa zemljom. Ova metoda učinkovito fiksira potencijal neutralne točke, osiguravajući da tijekom jednofaznog zemljospoja, porast napona faze bez kvara ne prelazi 1,4 puta veći fazni napon. To pomaže u smanjenju zahtjeva za izolacijom opreme i smanjenju troškova.

Međutim, značajan nedostatak je vrlo visoka struja jednofaznog zemljospoja(do nekoliko tisuća ampera), što može utjecati na prekidnu sposobnost prekidača i stabilnost sustava. Stoga se izravno uzemljenje općenito koristi u sustavima od 110 kV i višeg napona gdje je potrebno brzo uklanjanje kvara.

1.2 Neuzemljeni neutralni vodič

U neuzemljeni sustav, neutralna točka transformatora je izolirana od zemlje. Kada dođe do jednofaznog zemljospoja, struja kvara je vrlo mala (uglavnom kapacitivna struja sustava), što omogućuje sustavu da nastavi raditi kratko vrijeme (obično do 2 sata). To značajno poboljšava pouzdanost napajanja.

Međutim, u neuzemljenim sustavima, jednofazni spojevi na zemaljsku mrežu mogu uzrokovati porast napona faze bez kvara do razine napona mreže. Ako je izolacija slaba, to može dovesti do proboja, što eskalira u međufazni spoj. Osim toga, povremeni luk uzemljenja može generirati prenaponi luka, dosežući 3–3,5 puta veći fazni napon, predstavljajući prijetnju izolaciji transformatora.

1.3 Uzemljenje putem male impedancije

Kako bi se uravnotežile prednosti i nedostaci izravnog uzemljenja i neuzemljenih sustava, metoda uzemljenja impedancečesto se koristi. To uključuje uzemljenje putem malog otpora ili male reaktancije.

• Uzemljenje s malim otporomOgraničava struju kvara na nekoliko stotina ampera, smanjujući utjecaj na sustav, a istovremeno omogućuje brzo djelovanje zaštite. Ova metoda učinkovito potiskuje prenapone i prikladna je za distribucijske mreže s velikim kabelskim opterećenjem i velikim kapacitivnim strujama.
• Uzemljenje s malom reaktancijomMože kompenzirati kapacitivnu struju sustava putem induktivne struje, smanjujući vjerojatnost ponovnog paljenja luka. Ova se metoda često smatra kompenziranom metodom uzemljenja.

Uzemljenje putem male impedancije kombinira prednosti izravnih i neuzemljenih sustava, nudeći supresiju prenapona i relativno visoku pouzdanost napajanja. Široko se koristi u 110 kV sustavima, posebno onima sa značajnim kapacitivnim strujama ili onima koji zahtijevaju visoku kvalitetu napajanja.

2 Konfiguracija zaštite za neutralne točke transformatora od 110 kV

2.1 Prijetnje prenapona

Razina izolacije neutralne točke transformatora od 110 kV obično je poluizolirani, s nazivnim naponom otpornosti od samo jedne trećine kraja voda. Zbog toga je neutralna točka osjetljiva na oštećenja od prenapona. Primarne vrste prenapona uključuju:

• Prenapon mrežne frekvencijeNastaje zbog prebacivanja mreže, asimetričnih kratkih spojeva ili iznenadnog gubitka opterećenja.
• Rezonantni prenaponUzrokovane oscilacijama zbog interakcija između induktivnih i kapacitivnih elemenata tijekom rada sustava ili kvarova.
• Preklopni prenaponNastaje pretvorbom magnetske i elektrostatičke energije tijekom otvaranja ili zatvaranja prekidača.
• Prenapon gromaUzrokuju ga udari groma, karakterizira ih velika amplituda i kratko trajanje.

2.2 Uobičajeni zaštitni uređaji

Za zaštitu neutralne točke transformatora obično se koriste sljedeći zaštitni uređaji:

• Odvodnici prenaponaOvi odvodnici prenapona ograničavaju prenapon uzrokovan udarom groma i određene prenapone sklopki. Međutim, standardni odvodnici prenapona često nisu dovoljni za nisku razinu izolacije neutralnih točaka transformatora od 110 kV, što otežava odabir.
• Izolacijske praznineOvi uređaji štite od prenapona mrežne frekvencije i rezonantnih prenapona. Kada dođe do prenapona, jaz se prekida, uzemljujući neutralnu točku kako bi se ograničio porast napona. Nedostatak je poteškoća u preciznom podešavanju udaljenosti jaza, što može dovesti do neusklađenosti zaštite.
• Paralelni spoj odvodnika prenapona i odvodnikaOvo je široko korištena metoda zaštite. Odvodnik prenapona rješava prenapon munje, dok odvodnik prenapona adresira prenapone mrežne frekvencije i rezonantne prenapone. Odvodnik prenapona također štiti odvodnik prenapona od prekomjernih prenapona mrežne frekvencije koji bi mogli uzrokovati njegov kvar. Ovaj pristup nudi komplementarne prednosti.

2.3 Konfiguracija relejne zaštite

Relejna zaštita za neutralnu točku transformatora od 110 kV uglavnom uključuje sljedeće aspekte:

• Zaštita od struje nulte sekvenceZa direktno uzemljene transformatore, zaštita strujom nulte sekvence konfigurirana je za brzo uklanjanje zemljospojeva. Zaštita je obično podijeljena u sekcije, s kratkim vremenskim kašnjenjima za lokalizaciju kvara i dužim vremenskim kašnjenjima za isključenje svih strana transformatora.
• Zaštita od napona nulte sekvence i zaštita od struje u praznom hoduZa neuzemljene transformatore postavlja se zaštita od napona nulte sekvence i zaštita od struje uzemljenja. Kada kvar uzemljenja uzrokuje gubitak uzemljenja u sustavu, što dovodi do porasta napona u neutralnoj točki, uzemljenje se prekida. Zaštita od struje uzemljenja ili zaštita od napona nulte sekvence djeluje s vremenskim zakašnjenjem (0,3–0,5 s) kako bi isključila transformator sa svih strana.
• Koordinacija zaštite sigurnosnih kopijaKako bi se osigurala selektivnost, vremenska kašnjenja zaštite nulte sekvence moraju biti koordinirana. Na primjer, vremensko kašnjenje za rezervnu zaštitu na transformatoru trebalo bi biti dulje od vremenskog kašnjenja zaštite voda koju rezervno uključuje.

3 Preporuke za optimizaciju i analiza slučaja

3.1 Ograničenja tradicionalnih metoda

Dok je korištenje odvodnici prenapona paralelni s razmacimauobičajen, ovaj pristup ima nekoliko nedostataka:

• Poteškoće u odabiru odvodnika prenaponaTeško je pronaći standardne odvodnike prenapona koji zadovoljavaju zahtjeve i visokog kontinuiranog radnog napona i niskog preostalog napona grmljavine za neutralne točke transformatora od 110 kV.
• Izazovi u postavljanju prazninaProbojni napon zračnog raspora podložan je disperziji, što otežava točnu koordinaciju rada raspora za uvjete "gubitka uzemljenja" i "kvar sa uzemljenjem".
• Složenost relejne zaštiteZaštita od "gubitka uzemljenja" (kao što je zaštita od prenapona nulte sekvence i zaštita od prekomjerne struje u jazu) može neispravno funkcionirati, što zahtijeva dodatne kriterije blokiranja, što povećava složenost i smanjuje pouzdanost.

3.2 Prednosti uzemljenja putem male reaktancije

Istraživanja i praksa pokazuju da uzemljenje neutralne točke putem male reaktancijenudi značajne prednosti u odnosu na tradicionalne metode djelomičnog uzemljenja:

• Zahtjevi za smanjenu razinu izolacijeNakon primjene uzemljenja s malom reaktancijom, razina izolacije neutralne točke transformatora može se smanjiti s 35 kV na 20 kV, čime se uklanja potreba za odvodnicima prenapona i odvodnicima te pojednostavljuje konfiguracija zaštite.
• Ujedinjeni način uzemljenjaOva metoda eliminira pojavu izoliranog neuzemljenog sustava, omogućujući pojednostavljenje ili izostavljanje povezane zaštite, čime se povećava pouzdanost.
• Zadržavanje prednostiZadržava prednosti djelomičnog uzemljenja, kao što je jednostavna i pouzdana zaštita nulte sekvence, a istovremeno ograničava struje kratkog spoja u jednoj fazi.

3.3 Analiza studije slučaja

Primjer je transformacija terminalne trafostanice od 110 kV. Izvorni dizajn koristio je odvodnik prenapona paralelan s razmakomza zaštitu neutralne točke. Međutim, nakon usvajanja uzemljenja s malom reaktancijom, smanjen je zahtjev za razinom izolacije neutralne točke transformatora, zaštitni uređaji su pojednostavljeni, a pouzdanost rada je poboljšana. Izračuni su pokazali da otpor uzemljenja može ograničiti struju kvara na nekoliko stotina ampera, a zaštita nulte sekvence može se lako koordinirati.

Drugi slučaj uključivao je kvar u trafostanici od 110 kV gdje je prolazni jednofazni spoj na zemlji na dovodnom vodu doveo do proboja razmaka u neutralnoj točki i isključenja transformatora. Analiza je pokazala da iako je kvar na vodu bio prolazan, povratne informacije od velikog broja asinhronih motorana strani opterećenja osiguravao je energiju za luk, održavajući kvar. To naglašava da je za transformatore sa značajnim opterećenjima motora (ekvivalentni izvori) potpuna zaštita neutralne točke, uključujući nadstruju nulte sekvence, struju razmaka i zaštitu od napona nulte sekvence, ključna tijekom faze projektiranja.

4 Zaključak i perspektive

Odabir metode uzemljenja neutralne točke transformatora od 110 kV i njegove konfiguracije zaštite višestruki je zadatak koji zahtijeva razmatranje strukture sustava, karakteristika opterećenja i zahtjeva pouzdanosti. Iako je tradicionalna metoda djelomičnog uzemljenja u kombinaciji s odvodnicima prenapona i odvodnicima uobičajena, suočava se s izazovima u odabiru uređaja i koordinaciji podešavanja. metoda uzemljenja s malom reaktancijomnudi obećavajuću alternativu, potencijalno smanjujući zahtjeve za izolacijom, pojednostavljujući zaštitu i poboljšavajući pouzdanost.

Budući razvojni trendovi usredotočit će se na sljedeća područja:

• Primjena novih uređajaKao što su kompozitni ili kontrolirani razmaci koji se koriste paralelno s odvodnicima prenapona, povećavajući pouzdanost i točnost zaštite.
• Tehnologija digitalne zaštiteKorištenje mikroračunalne zaštite s naprednim algoritmima (npr. identifikacija valnog oblika, harmonijska analiza) za poboljšanje osjetljivosti i pouzdanosti zaštite od zemljospoja.
• Standardizacija i modularizacijaRazvoj standardizirane i modularne opreme za zaštitu neutralne točke radi pojednostavljenja projektiranja i održavanja.

Ukratko, optimizacija metode uzemljenja neutralne točke transformatora od 110 kV i konfiguracije zaštite ključna je za poboljšanje sigurnosti, pouzdanosti i ekonomičnog rada elektroenergetskog sustava. S tehnološkim napretkom očekuje se pojava inteligentnijih i učinkovitijih rješenja koja će dobiti široku primjenu.