Вибір та оптимізація конфігурації захисту методів заземлення нейтральної точки трансформатора 110 кВ

Вступ

У високовольтних енергосистемах метод заземлення нейтральної точки трансформатора є критичним фактором, що впливає на безпеку, надійність та стабільність системи. Для енергосистем 110 кВ вибір методу заземлення нейтральної точки безпосередньо впливає на рівні ізоляції обладнання, захист від перенапруги, конфігурацію релейного захисту та надійність електропостачання. У Китаї системи 110 кВ зазвичай використовують... частково ефективний метод заземлення, де деякі нейтральні точки трансформатора безпосередньо заземлені, а інші залишаються незаземленими, з метою обмеження струмів однофазного короткого замикання та запобігання загрозам перенапруги.

У цій статті аналізуються характеристики, переваги та обмеження різних методів заземлення нейтралі трансформатора 110 кВ, досліджуються оптимальні стратегії конфігурації захисту та представлені майбутні тенденції розвитку.

1 Ключові методи заземлення нейтральної точки для трансформаторів 110 кВ

1.1 Пряме заземлення

Пряме заземленнястосується безпосереднього з'єднання нейтральної точки трансформатора із землею. Цей метод ефективно фіксує потенціал нейтральної точки, гарантуючи, що під час однофазного замикання на землю підвищення напруги нормальної фази не перевищує 1,4 раза фазної напруги. Це допомагає знизити вимоги до ізоляції обладнання та зменшити витрати.

Однак, суттєвим недоліком є дуже високий струм однофазного замикання на землю(до кількох тисяч ампер), що може вплинути на здатність автоматичного вимикача та стабільність системи. Тому пряме заземлення зазвичай використовується в системах напругою 110 кВ і вище, де необхідне швидке усунення несправностей.

1.2 Незаземлена нейтраль

У незаземлена система, нейтральна точка трансформатора ізольована від землі. Коли виникає однофазне замикання на землю, струм замикання дуже малий (головним чином ємнісний струм системи), що дозволяє системі продовжувати роботу протягом короткого періоду (зазвичай до 2 годин). Це значно підвищує надійність електропостачання.

Однак у незаземлених системах однофазні замикання на землю можуть призвести до підвищення напруги нормальної фази до рівня напруги лінії. Якщо ізоляція слабка, це може призвести до пробою, що переростає в міжфазне замикання. Крім того, переривчаста дуга заземлення може генерувати дугових перенапруг, досягаючи 3–3,5-кратного перевищення фазної напруги, що створює загрозу для ізоляції трансформатора.

1.3 Заземлення через малий імпеданс

Щоб збалансувати переваги та недоліки прямого заземлення та незаземлених систем, метод заземлення імпедансомчасто використовується. Це включає заземлення через малий опір або малий реактивний опір.

• Заземлення з малим опоромОбмежує струм короткого замикання до кількох сотень ампер, зменшуючи вплив на систему, водночас забезпечуючи швидке спрацьовування захисту. Цей метод ефективно пригнічує перенапруги та підходить для розподільчих мереж з великою кількістю кабелів та великими ємнісними струмами.
• Заземлення з малим реактивним опоромМоже компенсувати ємнісний струм системи за рахунок індуктивного струму, зменшуючи ймовірність повторного займання дуги. Цей метод часто вважається компенсованим методом заземлення.

Заземлення через малий імпеданс поєднує переваги як прямих, так і незаземлених систем, забезпечуючи придушення перенапруги та відносно високу надійність електропостачання. Воно широко використовується в системах 110 кВ, особливо тих, що мають значні ємнісні струми або вимагають високої якості електроенергії.

2 Конфігурація захисту для нейтральних точок трансформатора 110 кВ

2.1 Загрози перенапруги

Рівень ізоляції нейтральної точки трансформатора 110 кВ зазвичай становить напівізольований, з номінальною витримуваною напругою лише на третині кінця лінії. Це робить нейтральну точку вразливою до пошкоджень від перенапруги. Основні типи перенапруги включають:

• Перенапруга частоти мережіВиникає внаслідок перемикання лінії, асиметричних коротких замикань або раптової втрати навантаження.
• Резонансна перенапругаВикликані коливаннями через взаємодію між індуктивними та ємнісними елементами під час роботи системи або несправностей.
• Комутаційна перенапругаВиникає в результаті перетворення магнітної та електростатичної енергії під час вмикання або вмикання автоматичних вимикачів.
• Перенапруга блискавкиВикликається ударами блискавки, характеризується високою амплітудою та короткою тривалістю.

2.2 Загальні захисні пристрої

Для захисту нейтральної точки трансформатора зазвичай використовуються такі захисні пристрої:

• Обмежувачі перенапругиВони обмежують перенапругу блискавки та певні комутаційні перенапруги. Однак стандартні розрядники часто не відповідають вимогам низького рівня ізоляції нейтральних точок трансформатора 110 кВ, що ускладнює вибір.
• Ізоляційні прогалиниЦі пристрої захищають від перенапруг промислової частоти та резонансних перенапруг. У разі перенапруги зазор пробивається, заземлюючи нейтральну точку, щоб обмежити підвищення напруги. Недоліком є ​​складність точного регулювання відстані зазору, що може призвести до неправильної координації захисту.
• Паралельне підключення розрядника та зазоруЦе широко використовуваний метод захисту. Розрядник справляється з перенапругою блискавки, тоді як розрядник реагує на перенапруги промислової частоти та резонансні перенапруги. Розрядник також захищає розрядник від надмірних перенапруг промислової частоти, які можуть призвести до його виходу з ладу. Такий підхід пропонує додаткові переваги.

2.3 Конфігурація релейного захисту

Релейний захист для нейтралі трансформатора 110 кВ включає в себе наступні аспекти:

• Захист від струму нульової послідовностіДля трансформаторів із прямим заземленням захист від струму нульової послідовності налаштовується для швидкого усунення замикань на землю. Захист зазвичай поділяється на секції з короткими затримками часу для локалізації несправності та довшими затримками часу для відключення з усіх боків трансформатора.
• Захист від напруги нульової послідовності та захист від струму розривуДля незаземлених трансформаторів встановлюється захист від напруги нульової послідовності та захист від струму заземлення. Коли замикання на землю призводить до втрати системи точки заземлення, що призводить до підвищення напруги в нейтральній точці, заземлення вимикається. Захист від струму заземлення або захист від напруги нульової послідовності спрацьовує із затримкою часу (0,3–0,5 с) для відключення трансформатора з усіх боків.
• Координація захисту резервних копійДля забезпечення селективності необхідно узгодити часові затримки захисту нульової послідовності. Наприклад, часова затримка резервного захисту трансформатора повинна бути довшою, ніж часова затримка захисту лінії, яку він резервує.

3 Рекомендації щодо оптимізації та аналіз випадків

3.1 Обмеження традиційних методів

Хоча використання розрядники, паралельні з проміжкамипоширений, цей підхід має кілька недоліків:

• Складність вибору розрядникаВажко знайти стандартні розрядники, які відповідають вимогам як високої тривалої робочої напруги, так і низької імпульсної залишкової напруги грози для нейтралей трансформатора 110 кВ.
• Проблеми у встановленні прогалинНапруга пробою повітряного зазору схильна до розсіювання, що ускладнює точну координацію роботи зазору в умовах «втрати землі» та «із землею».
• Складність релейного захистуЗахист від «втрати землі» (наприклад, захист від перенапруги нульової послідовності та захист від перевантаження по струму в проміжку) може вийти з ладу, що потребує додаткових критеріїв блокування, що збільшує складність та знижує надійність.

3.2 Переваги заземлення через малий реактивний опір

Дослідження та практика показують, що заземлення нейтральної точки через малий реактивний опірпропонує значні переваги порівняно з традиційними методами часткового заземлення:

• Знижені вимоги до рівня ізоляціїПісля застосування заземлення з малим реактивним опором рівень ізоляції нейтральної точки трансформатора можна знизити з 35 кВ до 20 кВ, що усуває необхідність використання розрядників та зазорів, а також спрощує конфігурацію захисту.
• Уніфікований режим заземленняЦей метод виключає виникнення ізольованої незаземленої системи, що дозволяє спростити або виключити пов'язаний захист, тим самим підвищуючи надійність.
• Збереження перевагВін зберігає переваги часткового заземлення, такі як простий та надійний захист нульової послідовності, одночасно обмежуючи струми однофазного короткого замикання.

3.3 Аналіз тематичного дослідження

Прикладом є трансформація кінцевої підстанції 110 кВ. У початковому проекті використовувалася розрядник, паралельний з проміжкомдля захисту нейтральної точки. Однак, після впровадження заземлення з малим реактивним опором, вимоги до рівня ізоляції нейтральної точки трансформатора були знижені, захисні пристрої спрощені, а експлуатаційна надійність покращена. Розрахунки показали, що опір заземлення може обмежувати струм короткого замикання кількома сотнями ампер, а захист нульової послідовності можна легко скоординувати.

Інший випадок стосувався несправності на підстанції 110 кВ, де тимчасове однофазне замикання на землю на вхідній лінії призвело до пробою зазору в нейтральній точці та відключення трансформатора. Аналіз показав, що хоча несправність лінії була тимчасовою, зворотний зв'язок від великої кількості асинхронних двигунівз боку навантаження забезпечувало енергію для дуги, підтримуючи КЗ. Це підкреслює, що для трансформаторів зі значними навантаженнями двигуна (еквівалентні джерела) повний захист нейтральної точки, включаючи захист від перевантаження по струму нульової послідовності, струму проміжку та напруги нульової послідовності, є важливим на етапі проектування.

4 Висновок та перспективи

Вибір методу заземлення нейтралі трансформатора 110 кВ та конфігурації його захисту є багатогранним завданням, яке вимагає врахування структури системи, характеристик навантаження та вимог до надійності. Хоча традиційний метод часткового заземлення в поєднанні з розрядниками та розрядниками є поширеним, він стикається з труднощами у виборі пристроїв та координації налаштування. метод заземлення з малим реактивним опоромпропонує перспективну альтернативу, потенційно знижуючи вимоги до ізоляції, спрощуючи захист та підвищуючи надійність.

Майбутні тенденції розвитку будуть зосереджені на таких напрямках:

• Застосування нових пристроївТакі як складені або керовані розрядники, що використовуються паралельно з розрядниками, підвищують надійність і точність захисту.
• Технологія цифрового захистуВикористання мікрокомп'ютерного захисту з передовими алгоритмами (наприклад, ідентифікація форми сигналу, аналіз гармонік) для підвищення чутливості та надійності захисту від замикання на землю.
• Стандартизація та модуляризаціяРозробка стандартизованого та модульного обладнання для захисту нейтральної точки для спрощення проектування та обслуговування.

Підсумовуючи, оптимізація методу заземлення нейтралі трансформатора 110 кВ та конфігурації захисту має вирішальне значення для підвищення безпеки, надійності та економічної експлуатації енергосистеми. З технологічним прогресом очікується поява більш інтелектуальних та ефективних рішень, які отримають широке застосування.