Optimizacija izbire in konfiguracije zaščite metod ozemljitve nevtralne točke 110 kV transformatorja

Uvod

V visokonapetostnih elektroenergetskih sistemih je metoda ozemljitve nevtralne točke transformatorja ključni dejavnik, ki vpliva na varnost, zanesljivost in stabilnost sistema. Pri 110 kV elektroenergetskih sistemih izbira metode ozemljitve nevtralne točke neposredno vpliva na raven izolacije opreme, zaščito pred prenapetostjo, konfiguracijo relejne zaščite in zanesljivost napajanja. Na Kitajskem 110 kV sistemi običajno uporabljajo delno učinkovita metoda ozemljitve, kjer so nekatere nevtralne točke transformatorja neposredno ozemljene, druge pa ostanejo neozemljene, s ciljem omejiti enofazne kratkostične tokove in hkrati preprečiti nevarnosti prenapetosti.

Ta članek analizira značilnosti, prednosti in omejitve različnih metod ozemljitve nevtralne točke 110 kV transformatorjev, raziskuje optimalne strategije konfiguracije zaščite in predstavlja prihodnje razvojne trende.

1 Ključne metode ozemljitve nevtralne točke za 110 kV transformatorje

1.1 Neposredna ozemljitev

Neposredna ozemljitevNanaša se na neposredno povezavo nevtralne točke transformatorja z zemljo. Ta metoda učinkovito fiksira potencial nevtralne točke in zagotavlja, da med enofaznim zemeljskim stikom porast napetosti v nefazni fazi ne preseže 1,4-kratnika fazne napetosti. To pomaga zmanjšati zahteve glede izolacije opreme in stroške.

Vendar pa je pomembna pomanjkljivost zelo visok enofazni tok zemeljskega stika(do nekaj tisoč amperov), kar lahko vpliva na prekinitveno zmogljivost odklopnika in stabilnost sistema. Zato se neposredna ozemljitev običajno uporablja v sistemih z napetostjo 110 kV in več, kjer je potrebna hitra odprava napake.

1.2 Neozemljen nevtralni vodnik

V neozemljen sistem, nevtralna točka transformatorja je izolirana od zemlje. Ko pride do enofaznega zemeljskega stika, je tok stika zelo majhen (predvsem kapacitivni tok sistema), kar omogoča, da sistem deluje kratek čas (običajno do 2 uri). To znatno izboljša zanesljivost napajanja.

Vendar pa lahko v neozemljenih sistemih enofazni zemeljski stiki povzročijo, da napetost fazne napetosti brez stikov naraste na raven omrežne napetosti. Če je izolacija šibka, lahko to povzroči preboj, ki se stopnjuje v medfazni stik. Poleg tega lahko občasni ozemljitveni oblok povzroči prenapetosti obloka, ki doseže 3–3,5-kratnik fazne napetosti in predstavlja nevarnost za izolacijo transformatorja.

1.3 Ozemljitev prek majhne impedance

Da bi uravnotežili prednosti in slabosti neposredne ozemljitve in neozemljenih sistemov, metoda ozemljitve impedancese pogosto uporablja. To vključuje ozemljitev z majhnim uporom ali majhno reaktanco.

• Ozemljitev z majhnim uporomOmejuje kratkostični tok na nekaj sto amperov, kar zmanjša vpliv na sistem, hkrati pa omogoča hitro delovanje zaščite. Ta metoda učinkovito zavira prenapetosti in je primerna za distribucijska omrežja z veliko kabli in velikimi kapacitivnimi tokovi.
• Ozemljitev z majhno reaktancoLahko izravna kapacitivni tok sistema z induktivnim tokom, s čimer zmanjša verjetnost ponovnega vžiga obloka. Ta metoda se pogosto šteje za kompenzirano ozemljitveno metodo.

Ozemljitev z majhno impedanco združuje prednosti tako neposrednih kot neozemljenih sistemov, saj ponuja dušenje prenapetosti in relativno visoko zanesljivost napajanja. Široko se uporablja v 110 kV sistemih, zlasti tistih z znatnimi kapacitivnimi tokovi ali tistih, ki zahtevajo visoko kakovost električne energije.

2 Konfiguracija zaščite za nevtralne točke transformatorja 110 kV

2.1 Grožnje prenapetosti

Raven izolacije nevtralne točke transformatorja 110 kV je običajno delno izolirana, z nazivno napetostno odpornostjo le na tretjini konca voda. Zaradi tega je nevtralna točka ranljiva za poškodbe zaradi prenapetosti. Glavne vrste prenapetosti vključujejo:

• Prenapetost omrežne frekvenceNastane zaradi preklapljanja omrežja, asimetričnih kratkih stikov ali nenadne izgube obremenitve.
• Resonančna prenapetost: Povzročajo jih nihanja zaradi interakcij med induktivnimi in kapacitivnimi elementi med delovanjem sistema ali napakami.
• Preklopna prenapetostNastane zaradi pretvorbe magnetne in elektrostatične energije med odpiranjem ali zapiranjem odklopnikov.
• Prenapetost strelePovzročajo ga udari strele, za katere je značilna velika amplituda in kratko trajanje.

2.2 Pogoste zaščitne naprave

Za zaščito nevtralne točke transformatorja se običajno uporabljajo naslednje zaščitne naprave:

• Prenapetostni odvodnikiTe omejujejo prenapetost strele in nekatere stikalne prenapetosti. Vendar pa standardni odvodniki prenapetosti pogosto niso ustrezni za nizko raven izolacije nevtralnih točk 110 kV transformatorja, zaradi česar je izbira zahtevna.
• Izolacijske vrzeliTe ščitijo pred prenapetostmi omrežne frekvence in resonančnimi prenapetostmi. Ko pride do prenapetosti, se reža prekine in ozemlji nevtralno točko, da se omeji dvig napetosti. Pomanjkljivost je težava pri natančnem nastavljanju razdalje reže, kar lahko povzroči napačno koordinacijo zaščite.
• Vzporedna povezava prenapetostnega odvodnika in režeTo je široko uporabljena metoda zaščite. Prenapetostni odvodnik obravnava prenapetost strele, medtem ko reža obravnava prenapetosti omrežne frekvence in resonančne prenapetosti. Reža ščiti prenapetostni odvodnik tudi pred prekomernimi prenapetostmi omrežne frekvence, ki bi lahko povzročile njegovo okvaro. Ta pristop ponuja dopolnilne prednosti.

2.3 Konfiguracija relejne zaščite

Relejna zaščita za nevtralno točko 110 kV transformatorja vključuje predvsem naslednje vidike:

• Zaščita pred ničelnim zaporedjem tokaPri neposredno ozemljenih transformatorjih je zaščita ničelnega zaporedja toka konfigurirana za hitro odpravo zemeljskih stikov. Zaščita je običajno razdeljena na odseke s kratkimi časovnimi zakasnitvami za lokalizacijo napake in daljšimi časovnimi zakasnitvami za izklop vseh strani transformatorja.
• Zaščita pred ničelno zaporedno napetostjo in zaščita pred vrzelnim tokomZa neozemljene transformatorje sta nastavljeni zaščita pred napetostjo ničelnega zaporedja in zaščita pred vrzelnim tokom. Ko zaradi zemeljskega stika sistem izgubi ozemljitveno točko, kar povzroči dvig napetosti v nevtralni točki, se vrzel prekine. Zaščita pred vrzelnim tokom ali zaščita pred napetostjo ničelnega zaporedja deluje s časovnim zamikom (0,3–0,5 s) in izklopi transformator na vseh straneh.
• Usklajevanje zaščite varnostnih kopijZa zagotovitev selektivnosti je treba uskladiti časovne zakasnitve zaščite ničelnega zaporedja. Na primer, časovna zakasnitev za rezervno zaščito na transformatorju mora biti daljša od časovne zakasnitve zaščite voda, ki jo ta varnostno kopira.

3 Priporočila za optimizacijo in analiza primera

3.1 Omejitve tradicionalnih metod

Medtem ko uporaba prenapetostni odvodniki vzporedno z režamiČeprav je ta pristop pogost, ima več pomanjkljivosti:

• Težave pri izbiri prenapetostnega odvodnikaTežko je najti standardne odvodnike prenapetosti, ki izpolnjujejo zahteve tako za visoko neprekinjeno obratovalno napetost kot za nizko preostalo napetost strele za nevtralne točke transformatorjev 110 kV.
• Izzivi pri določanju vrzeliPrebojna napetost zračne reže je podvržena razpršitvi, zaradi česar je težko natančno uskladiti delovanje reže pri pogojih "izgube ozemljitve" in "z ozemljitvijo".
• Kompleksnost relejne zaščiteZaščita pred "izgubo ozemljitve" (kot je zaščita pred prenapetostjo ničelnega zaporedja in zaščita pred preobremenitvijo reže) lahko ne deluje pravilno, kar zahteva dodatne kriterije blokiranja, kar poveča kompleksnost in zmanjša zanesljivost.

3.2 Prednosti ozemljitve z majhno reaktanco

Raziskave in praksa kažejo, da ozemljitev nevtralne točke preko majhne reaktanceponuja pomembne prednosti pred tradicionalnimi metodami delnega ozemljitve:

• Znižane zahteve glede izolacijePo uporabi ozemljitve z majhno reaktanco se lahko nivo izolacije nevtralne točke transformatorja zniža s 35 kV na 20 kV, s čimer se odpravi potreba po odvodnikih prenapetosti in režah ter poenostavi konfiguracija zaščite.
• Poenoten način ozemljitveTa metoda odpravlja pojav izoliranega neozemljenega sistema, kar omogoča poenostavitev ali opustitev povezane zaščite in s tem poveča zanesljivost.
• Ohranjanje prednostiOhranja prednosti delne ozemljitve, kot je preprosta in zanesljiva zaščita pred ničelnim zaporedjem, hkrati pa omejuje enofazne kratkostične tokove.

3.3 Analiza študije primera

Primer je transformacija 110 kV terminalne podpostaje. Prvotna zasnova je uporabljala prenapetostni odvodnik vzporeden z režoza zaščito nevtralne točke. Vendar pa se je po uvedbi ozemljitve z majhno reaktanco zmanjšala zahteva glede izolacijske ravni nevtralne točke transformatorja, poenostavile so se zaščitne naprave in izboljšala zanesljivost delovanja. Izračuni so pokazali, da lahko ozemljitvena upornost omeji tok kratkega stika na nekaj sto amperov, zaščito ničelnega zaporedja pa je mogoče enostavno koordinirati.

Drug primer je vključeval napako v 110 kV transformatorski postaji, kjer je prehodna enofazna zemeljska napaka na dovodnem vodu povzročila preboj reže v nevtralni točki in izklop transformatorja. Analiza je pokazala, da je bila napaka v vodu sicer prehodna, povratne informacije iz velikega števila asinhronih motorjevna strani obremenitve je zagotavljal energijo za oblok, ki je vzdrževal napako. To poudarja, da je za transformatorje z znatnimi obremenitvami motorja (enakovredni viri) v fazi načrtovanja bistvena popolna zaščita nevtralne točke, vključno z zaščito pred nadtokom ničelnega zaporedja, vrzelnim tokom in zaščito pred napetostjo ničelnega zaporedja.

4 Zaključek in napovedi

Izbira metode ozemljitve nevtralne točke 110 kV transformatorja in njene konfiguracije zaščite je večplastna naloga, ki zahteva upoštevanje strukture sistema, karakteristik obremenitve in zahtev glede zanesljivosti. Čeprav je tradicionalna metoda delnega ozemljitve v kombinaciji z odvodniki prenapetosti in režami pogosta, se sooča z izzivi pri izbiri naprav in koordinaciji nastavitev. metoda ozemljitve z majhno reaktancoponuja obetavno alternativo, ki potencialno znižuje zahteve glede izolacije, poenostavlja zaščito in izboljšuje zanesljivost.

Nadaljnji razvojni trendi se bodo osredotočili na naslednja področja:

• Uporaba novih napravNa primer sestavljene reže ali krmiljene reže, ki se uporabljajo vzporedno z odvodniki prenapetosti, kar poveča zanesljivost in natančnost zaščite.
• Tehnologija digitalne zaščiteUporaba mikroračunalniške zaščite z naprednimi algoritmi (npr. identifikacija valovnih oblik, harmonična analiza) za izboljšanje občutljivosti in zanesljivosti zaščite pred zemeljskim stikom.
• Standardizacija in modularizacijaRazvoj standardizirane in modularne opreme za zaščito nevtralne točke za poenostavitev načrtovanja in vzdrževanja.

Skratka, optimizacija metode ozemljitve nevtralne točke transformatorja 110 kV in konfiguracije zaščite je ključnega pomena za izboljšanje varnosti, zanesljivosti in ekonomičnega delovanja elektroenergetskega sistema. S tehnološkim napredkom se pričakuje, da se bodo pojavile in široko uporabljale inteligentnejše in učinkovitejše rešitve.