Оптимизација избора и конфигурације заштите метода уземљења неутралне тачке трансформатора од 110 kV

Увод

У високонапонским електроенергетским системима, метод уземљења неутралне тачке трансформатора је критични фактор који утиче на безбедност, поузданост и стабилност система. За електроенергетске системе од 110 kV, избор методе уземљења неутралне тачке директно утиче на нивое изолације опреме, заштиту од пренапона, конфигурацију релејне заштите и поузданост напајања. У Кини, системи од 110 kV обично усвајају... делимично ефикасан метод уземљења, где су неке неутралне тачке трансформатора директно уземљене док друге остају неуземљене, са циљем ограничавања једнофазних струја кратког споја и спречавања претњи од пренапона.

Овај чланак анализира карактеристике, предности и ограничења различитих метода уземљења неутралне тачке трансформатора од 110 kV, истражује оптималне стратегије конфигурације заштите и представља будуће трендове развоја.

1 Кључне методе уземљења неутралне тачке за трансформаторе од 110 kV

1.1 Директно уземљење

Директно уземљењеодноси се на директно повезивање неутралне тачке трансформатора са земљом. Ова метода ефикасно фиксира потенцијал неутралне тачке, осигуравајући да током једнофазног земљоспоја, пораст напона фазе без квара не прелази 1,4 пута већи фазни напон. Ово помаже у смањењу захтева за изолацијом опреме и смањењу трошкова.

Међутим, значајан недостатак је веома висока једнофазна струја земљоспоја(до неколико хиљада ампера), што може утицати на прекидачки капацитет прекидача и стабилност система. Стога се директно уземљење генерално користи у системима од 110 kV и вишег напона где је потребно брзо отклањање квара.

1.2 Неуземљена неутрална жица

У неуземљени систем, неутрална тачка трансформатора је изолована од земље. Када дође до једнофазног земљоспоја, струја квара је веома мала (углавном капацитивна струја система), што омогућава систему да настави да ради кратак период (обично до 2 сата). Ово значајно побољшава поузданост напајања.

Међутим, у неуземљеним системима, једнофазни земљоспојеви могу проузроковати пораст напона фазе без квара до нивоа напона мреже. Ако је изолација слаба, то може довести до квара, што ескалира у фазни квар. Поред тога, повремени лук уземљења може генерисати пренапони лука, достижући 3–3,5 пута већи фазни напон, представљајући претњу изолацији трансформатора.

1.3 Уземљење преко мале импедансе

Да би се уравнотежиле предности и мане директног уземљења и неуземљених система, метода уземљења импедансечесто се користи. Ово укључује уземљење преко малог отпора или мале реактансе.

• Уземљење са малим отпоромОграничава струју квара на неколико стотина ампера, смањујући утицај на систем, а истовремено омогућава брзо деловање заштите. Ова метода ефикасно сузбија пренапоне и погодна је за дистрибутивне мреже са великим кабловима и великим капацитивним струјама.
• Уземљење мале реактансеМоже да надокнади капацитивну струју система кроз индуктивну струју, смањујући вероватноћу поновног паљења лука. Ова метода се често сматра компензованом методом уземљења.

Уземљење путем мале импедансе комбинује предности и директног и неуземљеног система, нудећи супресију пренапона и релативно високу поузданост напајања. Широко се користи у системима од 110 kV, посебно онима са значајним капацитивним струјама или онима који захтевају висок квалитет напајања.

2 Конфигурација заштите за неутралне тачке трансформатора од 110 kV

2.1 Претње од пренапона

Ниво изолације неутралне тачке трансформатора од 110 kV је типично полуизоловано, са номиналним напоном издржљивости само једне трећине краја линије. Због тога је неутрална тачка подложна оштећењима од пренапона. Примарни типови пренапона укључују:

• Пренапон фреквенције мрежног напајања: Настаје услед прекидања мреже, асиметричних кратких спојева или изненадног губитка оптерећења.
• Резонантни пренапонУзроковане осцилацијама услед интеракција између индуктивних и капацитивних елемената током рада система или кварова.
• Прекидање пренапонаНастаје услед конверзије магнетне и електростатичке енергије током отварања или затварања прекидача.
• Пренапон грома: Узроковано ударима грома, карактерише се великом амплитудом и кратким трајањем.

2.2 Уобичајени заштитни уређаји

Да би се заштитила неутрална тачка трансформатора, обично се користе следећи заштитни уређаји:

• Одводници пренапонаОви одводници пренапона ограничавају пренапон грома и одређене прекидачке пренапоне. Међутим, стандардни одводници пренапона често нису адекватни за низак ниво изолације неутралних тачака трансформатора од 110 kV, што избор чини тешким.
• Изолационе празнинеОви штите од пренапона мрежне фреквенције и резонантних пренапона. Када дође до пренапона, заштитни јаз се прекида, уземљујући неутралну тачку како би се ограничио пораст напона. Мана је тешкоћа у прецизном подешавању растојања заштитног јаза, што може довести до некоординације заштите.
• Паралелно повезивање одводника пренапона и размакаОво је широко коришћена метода заштите. Одводник пренапона се бави пренапонима грома, док одводник решава пренапоне мрежне фреквенције и резонантне пренапоне. Одводник такође штити одводник пренапона од прекомерних пренапона мрежне фреквенције који би могли проузроковати његов квар. Овај приступ нуди комплементарне предности.

2.3 Конфигурација релејне заштите

Релејна заштита за неутралну тачку трансформатора од 110 kV углавном обухвата следеће аспекте:

• Заштита од струје нулте секвенцеЗа директно уземљене трансформаторе, заштита од струје нулте секвенце је конфигурисана да брзо уклони земљоспојеве. Заштита је обично подељена на секције, са кратким временским кашњењима за локализацију квара и дужим временским кашњењима за искључење свих страна трансформатора.
• Заштита од напона нулте секвенце и заштита од струје јазаЗа неуземљене трансформаторе, подешене су заштита од напона нулте секвенце и заштита од струје уземљења. Када земљоспој узрокује да систем изгуби тачку уземљења, што доводи до пораста напона неутралне тачке, уземљење се прекида. Заштита од струје уземљења или заштита од напона нулте секвенце делује са временским кашњењем (0,3–0,5s) да би искључила трансформатор са свих страна.
• Координација заштите резервних копијаДа би се осигурала селективност, временска кашњења заштите нулте секвенце морају бити координирана. На пример, временско кашњење за резервну заштиту на трансформатору треба да буде дуже од временског кашњења заштите линије коју резервише.

3 Препоруке за оптимизацију и анализа случаја

3.1 Ограничења традиционалних метода

Док је употреба одводници пренапона паралелни са размацимаИако је уобичајен, овај приступ има неколико недостатака:

• Тешкоће у избору одводника пренапонаТешко је пронаћи стандардне одводнике пренапона који испуњавају захтеве и високог континуираног радног напона и ниског заосталог напона импулса грома за неутралне тачке трансформатора од 110 kV.
• Изазови у постављању јазаПробојни напон ваздушног зазора је подложан дисперзији, што отежава прецизну координацију рада зазора за услове квара „губитак земље“ и „са земљом“.
• Сложеност релејне заштитеЗаштита од „губитка масе“ (као што је пренапон нулте секвенце и заштита од прекострујне заштите у јазу) може довести до квара, што захтева додатне критеријуме блокирања, што повећава сложеност и смањује поузданост.

3.2 Предности уземљења путем мале реактансе

Истраживања и пракса показују да уземљење неутралне тачке преко мале реактансенуди значајне предности у односу на традиционалне методе делимичног уземљења:

• Захтеви за смањени ниво изолацијеНакон усвајања уземљења са малом реактансом, ниво изолације неутралне тачке трансформатора може се смањити са 35kV на 20kV, чиме се елиминише потреба за одводницима пренапона и размацима и поједностављује конфигурација заштите.
• Уједињени режим уземљењаОва метода елиминише појаву изолованог неуземљеног система, омогућавајући поједностављење или изостављање повезане заштите, чиме се повећава поузданост.
• Задржавање предностиОдржава предности делимичног уземљења, као што је једноставна и поуздана заштита нулте секвенце, уз ограничавање једнофазних струје кратког споја.

3.3 Анализа студије случаја

Пример је трансформација терминалне подстанице од 110 kV. Оригинални пројекат је користио одводник пренапона паралелан са размакомза заштиту неутралне тачке. Међутим, након усвајања уземљења са малом реактансом, захтев за нивоом изолације неутралне тачке трансформатора је смањен, заштитни уређаји су поједностављени, а поузданост рада је побољшана. Прорачуни су показали да отпор уземљења може ограничити струју квара на неколико стотина ампера, а заштита нулте секвенце се може лако координирати.

Други случај се односио на квар у трафостаници од 110 kV где је краткотрајни једнофазни земљоспој на доводном водову довео до пробоја размака у неутралној тачки и искључења трансформатора. Анализа је показала да иако је квар на водову био краткотрајан, повратне информације од великог броја асинхроних моторана страни оптерећења обезбеђивала је енергију за лук, одржавајући квар. Ово истиче да је за трансформаторе са значајним оптерећењима мотора (еквивалентни извори), потпуна заштита неутралне тачке, укључујући заштиту од прекомерне струје нулте секвенце, струје размака и напона нулте секвенце, неопходна током фазе пројектовања.

4 Закључак и перспективе

Избор методе уземљења неутралне тачке трансформатора од 110 kV и његове конфигурације заштите је вишеструки задатак који захтева разматрање структуре система, карактеристика оптерећења и захтева за поузданошћу. Иако је традиционална метода делимичног уземљења у комбинацији са одводницима пренапона и размацима уобичајена, суочава се са изазовима у избору уређаја и координацији подешавања. метода уземљења са малом реактансомнуди обећавајућу алтернативу, потенцијално смањујући захтеве за изолацијом, поједностављујући заштиту и побољшавајући поузданост.

Будући трендови развоја ће се фокусирати на следеће области:

• Примена нових уређајаКао што су композитни размаци или контролисани размаци који се користе паралелно са одводницима пренапона, побољшавајући поузданост и тачност заштите.
• Технологија дигиталне заштитеКоришћење заштите засноване на микрорачунарима са напредним алгоритмима (нпр. идентификација таласних облика, хармонијска анализа) ради побољшања осетљивости и поузданости заштите од земљоспоја.
• Стандардизација и модуларизацијаРазвој стандардизоване и модуларне опреме за заштиту неутралне тачке ради поједностављења пројектовања и одржавања.

Укратко, оптимизација методе уземљења неутралне тачке трансформатора од 110 kV и конфигурације заштите је кључна за побољшање безбедности, поузданости и економичног рада електроенергетског система. Са технолошким напретком, очекује се појава интелигентнијих и ефикаснијих решења која ће добити широку примену.