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

Uvod

U visokonaponskim energetskim sistemima, metoda uzemljenja neutralne tačke transformatora je ključni faktor koji utiče na sigurnost, pouzdanost i stabilnost sistema. Za 110kV energetske sisteme, izbor metode uzemljenja neutralne tačke direktno utiče na nivoe izolacije opreme, zaštitu od prenapona, konfiguraciju relejne zaštite i pouzdanost napajanja. U Kini, 110kV sistemi obično usvajaju... djelomično učinkovita metoda uzemljenja, gdje su neke neutralne tačke transformatora direktno uzemljene, dok druge ostaju neuzemljene, s ciljem ograničavanja struja jednofaznog kratkog spoja i sprječavanja prijetnji od prenapona.

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

1 Ključne metode uzemljenja neutralne tačke za transformatore od 110 kV

1.1 Direktno uzemljenje

Direktno uzemljenjeOdnosi se na direktno spajanje neutralne tačke transformatora na zemlju. Ova metoda efikasno fiksira potencijal neutralne tačke, osiguravajući da tokom jednofaznog zemljospoja, porast napona faze bez kvara ne prelazi 1,4 puta veći fazni napon. Ovo pomaže u smanjenju zahtjeva za izolacijom opreme i smanjenju troškova.

Međutim, značajan nedostatak je vrlo visoka struja jednofaznog zemljospoja(do nekoliko hiljada ampera), što može uticati na prekidnu moć prekidača i stabilnost sistema. Stoga se direktno uzemljenje uglavnom koristi u sistemima od 110 kV i višeg napona gdje je potrebno brzo uklanjanje kvara.

1.2 Neuzemljeni neutralni vodič

U neuzemljeni sistem, neutralna tačka transformatora je izolovana od zemlje. Kada dođe do jednofaznog zemljospoja, struja kvara je vrlo mala (uglavnom kapacitivna struja sistema), što omogućava sistemu da nastavi raditi kratak period (obično do 2 sata). Ovo značajno poboljšava pouzdanost napajanja.

Međutim, u neuzemljenim sistemima, jednofazni kvarovi na zemlji mogu uzrokovati porast napona faze bez kvara do nivoa linijskog napona. Ako je izolacija slaba, to može dovesti do proboja, što eskalira u međufazni kvar. Pored toga, povremeni luk uzemljenja može generirati prenaponi luka, dostižući 3-3,5 puta veći fazni napon, predstavljajući opasnost za izolaciju transformatora.

1.3 Uzemljenje putem male impedanse

Da bi se uravnotežile prednosti i nedostaci direktnog uzemljenja i neuzemljenih sistema, metoda uzemljenja impedancese često koristi. To uključuje uzemljenje putem malog otpora ili male reaktanse.

• Uzemljenje s malim otporomOgraničava struju kvara na nekoliko stotina ampera, smanjujući utjecaj na sistem, a istovremeno omogućava brzo djelovanje zaštite. Ova metoda efikasno potiskuje prenapone i pogodna je za distribucijske mreže s velikim kablovima i velikim kapacitivnim strujama.
• Uzemljenje s malom reaktancomMože kompenzirati kapacitivnu struju sistema putem induktivne struje, smanjujući vjerovatnoću ponovnog paljenja luka. Ova metoda se često smatra kompenziranom metodom uzemljenja.

Uzemljenje putem male impedance kombinuje prednosti direktnih i neuzemljenih sistema, nudeći supresiju prenapona i relativno visoku pouzdanost napajanja. Široko se koristi u 110kV sistemima, posebno onima sa značajnim kapacitivnim strujama ili onima koji zahtijevaju visok kvalitet napajanja.

2 Konfiguracija zaštite za neutralne tačke transformatora od 110 kV

2.1 Prijetnje prenapona

Nivo izolacije neutralne tačke transformatora od 110 kV je obično poluizolovano, sa nazivnim naponom otpornosti od samo jedne trećine kraja linije. Zbog toga je neutralna tačka podložna oštećenjima od prenapona. Primarni tipovi prenapona uključuju:

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

2.2 Uobičajeni zaštitni uređaji

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

• Odvodnici prenaponaOvo ograničava prenapon uzrokovan udarom groma i određene prenapone preklapanja. Međutim, standardni odvodnici prenapona često nisu adekvatni za nizak nivo izolacije neutralnih tačaka transformatora od 110 kV, što izbor čini teškim.
• Izolacijske praznineOvi uređaji štite od prenapona mrežne frekvencije i rezonantnih prenapona. Kada dođe do prenapona, zaštitna tačka se prekida, uzemljujući neutralnu tačku kako bi se ograničio porast napona. Nedostatak je poteškoća u preciznom podešavanju udaljenosti zaštitne tačke, što može dovesti do loše koordinacije zaštite.
• Paralelno spajanje odvodnika prenapona i odvodnikaOvo je široko korištena metoda zaštite. Odvodnik prenapona rješava prenapon uzrokovan udarom groma, 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 tačku transformatora od 110 kV uglavnom uključuje sljedeće aspekte:

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

3 Preporuke za optimizaciju i analiza slučaja

3.1 Ograničenja tradicionalnih metoda

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

• Teškoće u odabiru odvodnika prenaponaTeško je pronaći standardne odvodnike prenapona koji ispunjavaju zahtjeve i visokog kontinuiranog radnog napona i niskog preostalog napona grmljavine za neutralne tačke transformatora od 110 kV.
• Izazovi u postavljanju prazninaProbojni napon zračnog raspora podložan je disperziji, što otežava preciznu koordinaciju rada raspora u uvjetima kvara "gubitak uzemljenja" i "sa uzemljenjem".
• Složenost relejne zaštiteZaštita od "gubitka uzemljenja" (kao što je zaštita od prenapona nulte sekvence i zaštita od prekomjerne struje u jazu) može doći do kvara, što zahtijeva dodatne kriterije blokiranja, što povećava složenost i smanjuje pouzdanost.

3.2 Prednosti uzemljenja putem male reaktanse

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

• Zahtjevi za smanjeni nivo izolacijeNakon usvajanja uzemljenja s malom reaktansom, nivo izolacije neutralne tačke transformatora može se smanjiti sa 35 kV na 20 kV, čime se eliminira potreba za odvodnicima prenapona i odvodnicima i pojednostavljuje konfiguracija zaštite.
• Ujedinjeni način uzemljenjaOva metoda eliminira pojavu izoliranog neuzemljenog sistema, omogućavajući pojednostavljenje ili izostavljanje povezane zaštite, čime se povećava pouzdanost.
• Zadržavanje prednostiZadržava prednosti djelomičnog uzemljenja, kao što su jednostavna i pouzdana zaštita od nulte sekvence, a istovremeno ograničava struje kratkog spoja u jednoj fazi.

3.3 Analiza studije slučaja

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

Drugi slučaj uključivao je kvar u trafostanici od 110 kV gdje je prolazni jednofazni spoj uzemljenja na dovodnom vodu doveo do proboja jaza neutralne tačke i isključenja transformatora. Analiza je pokazala da iako je kvar na vodu bio prolazan, povratne informacije od velikog broja asinhronih motorana strani opterećenja obezbjeđivao je energiju za luk, održavajući kvar. Ovo naglašava da je za transformatore sa značajnim opterećenjima motora (ekvivalentni izvori), potpuna zaštita neutralne tačke, uključujući zaštitu od prekostruje nulte sekvence, struje razmaka i napona nulte sekvence, neophodna tokom faze projektovanja.

4 Zaključak i perspektive

Izbor metode uzemljenja neutralne tačke transformatora od 110 kV i njene konfiguracije zaštite je višestruki zadatak koji zahtijeva razmatranje strukture sistema, karakteristika opterećenja i zahtjeva za pouzdanost. 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 reaktancomnudi obećavajuću alternativu, potencijalno smanjujući zahtjeve za izolacijom, pojednostavljujući zaštitu i poboljšavajući pouzdanost.

Budući razvojni trendovi će se fokusirati na sljedeća područja:

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

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