Выбор и оптимизация конфигурации защиты методов заземления нейтральной точки трансформатора 110 кВ

Введение

В высоковольтных энергосистемах способ заземления нейтрали трансформатора является критически важным фактором, влияющим на безопасность, надежность и стабильность системы. Для энергосистем 110 кВ выбор способа заземления нейтрали напрямую влияет на уровень изоляции оборудования, защиту от перенапряжений, конфигурацию релейной защиты и надежность электроснабжения. В Китае в системах 110 кВ обычно используется... частично эффективный метод заземлениягде некоторые нейтральные точки трансформатора напрямую заземлены, а другие остаются незаземленными, что позволяет ограничить однофазные токи короткого замыкания и предотвратить угрозу перенапряжения.

В данной статье анализируются характеристики, преимущества и ограничения различных методов заземления нейтральной точки трансформатора 110 кВ, рассматриваются оптимальные стратегии конфигурации защиты и представлены будущие тенденции развития.

1. Методы заземления ключевой нейтральной точки для трансформаторов 110 кВ.

1.1 Прямое заземление

Прямое заземлениеРечь идёт о прямом подключении нейтрали трансформатора к земле. Этот метод эффективно фиксирует потенциал нейтрали, гарантируя, что при однофазном замыкании на землю повышение напряжения на неповреждённой фазе не превысит 1,4 раза от напряжения на фазе. Это помогает снизить требования к изоляции оборудования и уменьшить затраты.

Однако существенным недостатком является очень высокий однофазный ток замыкания на землю(до нескольких тысяч ампер), что может повлиять на отключающую способность автоматического выключателя и стабильность системы. Поэтому прямое заземление обычно используется в системах напряжением 110 кВ и выше, где необходимо быстрое устранение неисправностей.

1.2 Незаземлённый нейтральный провод

В незаземленная системаВ этом случае нейтральная точка трансформатора изолирована от земли. При однофазном замыкании на землю ток короткого замыкания очень мал (в основном, это емкостной ток системы), что позволяет системе продолжать работу в течение короткого периода времени (обычно до 2 часов). Это значительно повышает... надежность электроснабжения.

Однако в незаземленных системах однофазные замыкания на землю могут привести к повышению напряжения на неповрежденной фазе до уровня линейного напряжения. Если изоляция слабая, это может привести к пробою, перерастающему в межфазное замыкание. Кроме того, прерывистое дуговое замыкание на землю может вызвать дуговые перенапряжения, достигая значения, в 3–3,5 раза превышающего фазное напряжение, что представляет угрозу для изоляции трансформатора.

1.3 Заземление через малое сопротивление

Для того чтобы сбалансировать преимущества и недостатки систем с прямым заземлением и без заземления, метод импедансного заземлениячасто используется. Это включает в себя заземление через небольшое сопротивление или небольшое реактивное сопротивление.

• Заземление с малым сопротивлением: Ограничивает ток короткого замыкания до нескольких сотен ампер, уменьшая воздействие на систему и обеспечивая при этом быстрое срабатывание защиты. Этот метод эффективно подавляет перенапряжения и подходит для распределительных сетей с большим количеством кабелей и большими емкостными токами.
• Заземление с малым реактивным сопротивлениемЭтот метод позволяет компенсировать емкостной ток системы за счет индуктивного тока, снижая вероятность повторного возникновения дуги. Он часто рассматривается как метод компенсированного заземления.

Заземление с малым импедансом сочетает в себе преимущества как прямых, так и незаземленных систем, обеспечивая подавление перенапряжений и относительно высокую надежность электроснабжения. Оно широко используется в системах 110 кВ, особенно в тех, где наблюдаются значительные емкостные токи или требуется высокое качество электроэнергии.

2 варианта защиты нейтральных точек трансформатора 110 кВ

2.1 Угрозы перенапряжения

Уровень изоляции нейтральной точки трансформатора 110 кВ обычно составляет полуизолированныйПри этом выдерживаемое напряжение составляет лишь одну треть от напряжения на конце линии. Это делает нейтральную точку уязвимой для повреждений, вызванных перенапряжением. К основным типам перенапряжений относятся:

• Перенапряжение промышленной частотыВозникает в результате переключения линий, асимметричных коротких замыканий или внезапной потери нагрузки.
• Резонансное перенапряжениеВызвано колебаниями, возникающими в результате взаимодействия индуктивных и емкостных элементов во время работы системы или при возникновении неисправностей.
• Перенапряжение при перенапряжении: Возникает в результате преобразования магнитной и электростатической энергии при размыкании или замыкании автоматических выключателей.
• Перенапряжение от молнииВызывается ударами молнии, характеризуется высокой амплитудой и короткой продолжительностью.

2.2 Общие защитные устройства

Для защиты нейтральной точки трансформатора обычно используются следующие защитные устройства:

• Ограничители перенапряженияЭти устройства ограничивают перенапряжение от молнии и некоторые перенапряжения при переключении. Однако стандартные ограничители перенапряжения часто оказываются неэффективными при низком уровне изоляции нейтральных точек трансформаторов 110 кВ, что затрудняет их выбор.
• Пробелы в изоляцииЭти устройства защищают от перенапряжений промышленной частоты и резонансных перенапряжений. При возникновении перенапряжения зазор разрушается, заземляя нейтральную точку и ограничивая повышение напряжения. Недостатком является сложность точной регулировки расстояния между зазорами, что может привести к несогласованности защиты.
• Параллельное соединение ограничителя перенапряжения и разрядникаЭто широко используемый метод защиты. Разрядник справляется с перенапряжениями от молнии, а зазор защищает от перенапряжений промышленной частоты и резонансных перенапряжений. Зазор также защищает разрядник от чрезмерных перенапряжений промышленной частоты, которые могут привести к его выходу из строя. Такой подход предлагает взаимодополняющие преимущества.

2.3 Конфигурация релейной защиты

Релейная защита нейтральной точки трансформатора 110 кВ включает в себя следующие основные аспекты:

• Защита от тока нулевой последовательностиДля трансформаторов с прямым заземлением используется защита от токов нулевой последовательности, предназначенная для быстрого устранения замыканий на землю. Защита обычно разделена на секции с короткими задержками для локализации повреждения и более длительными задержками для срабатывания всех сторон трансформатора.
• Защита от напряжения нулевой последовательности и защита от тока зазораДля незаземленных трансформаторов предусмотрена защита от перенапряжения нулевой последовательности и защита от перенапряжения зазора. Когда замыкание на землю приводит к потере системой точки заземления, вызывая повышение напряжения в нейтральной точке, происходит пробой зазора. Защита от перенапряжения зазора или защита от перенапряжения нулевой последовательности срабатывает с задержкой (0,3–0,5 с), отключая трансформатор со всех сторон.
• Координация резервного копирования и защитыДля обеспечения избирательности задержки срабатывания защиты нулевой последовательности должны быть согласованы. Например, задержка срабатывания резервной защиты трансформатора должна быть больше, чем задержка срабатывания резервной защиты линии.

3. Рекомендации по оптимизации и анализ конкретных случаев.

3.1 Ограничения традиционных методов

Хотя использование ограничители перенапряжения параллельно с зазорамиХотя этот подход широко распространен, он имеет ряд недостатков:

• Сложности при выборе ограничителя перенапряженияНайти стандартные ограничители перенапряжения, отвечающие требованиям как высокого непрерывного рабочего напряжения, так и низкого остаточного напряжения от ударной волны для нейтральных точек трансформаторов 110 кВ, довольно сложно.
• Проблемы определения разрываНапряжение пробоя воздушного зазора подвержено разбросу, что затрудняет точную координацию работы зазора в условиях «потери заземления» и «с заземлением».
• Сложность релейной защитыЗащита от «потери заземления» (например, от перенапряжения нулевой последовательности и защиты от перегрузки по току в зазоре) может работать со сбоями, что потребует дополнительных критериев блокировки, увеличивая сложность и снижая надежность.

3.2 Преимущества заземления с малым реактивным сопротивлением

Исследования и практика показывают, что заземление нейтральной точки через небольшое реактивное сопротивлениеобладает значительными преимуществами по сравнению с традиционными методами частичного заземления:

• Снижены требования к уровню теплоизоляции.После применения заземления с малым реактивным сопротивлением уровень изоляции нейтральной точки трансформатора может быть снижен с 35 кВ до 20 кВ, что исключает необходимость в ограничителях перенапряжения и разрядниках, а также упрощает конфигурацию защиты.
• Единый режим заземленияЭтот метод исключает возникновение изолированной незаземленной системы, позволяя упростить или вовсе отказаться от соответствующей защиты, тем самым повышая надежность.
• Сохранение преимуществОно сохраняет преимущества частичного заземления, такие как простая и надежная защита от нулевой последовательности, одновременно ограничивая однофазные токи короткого замыкания.

3.3 Анализ конкретного случая

Примером может служить преобразование терминальной подстанции 110 кВ. В первоначальном проекте использовалось разрядник параллельно с зазоромдля защиты нейтральной точки. Однако после применения заземления с малым реактивным сопротивлением требования к уровню изоляции нейтральной точки трансформатора были снижены, защитные устройства упрощены, а надежность эксплуатации повышена. Расчеты показали, что сопротивление заземления может ограничивать ток короткого замыкания несколькими сотнями ампер, а защита нулевой последовательности может быть легко скоординирована.

В другом случае произошла авария на подстанции 110 кВ, где кратковременное однофазное замыкание на землю на входящей линии привело к пробою нейтрального зазора и отключению трансформатора. Анализ показал, что, хотя повреждение линии было кратковременным, обратная связь от большого количества асинхронных двигателейНа стороне нагрузки энергия для дуги поддерживалась, вызывая короткое замыкание. Это подчеркивает, что для трансформаторов со значительными нагрузками от электродвигателей (эквивалентными источниками) полная защита нейтральной точки, включая защиту от перегрузки по току нулевой последовательности, тока в зазоре и напряжения нулевой последовательности, имеет важное значение на этапе проектирования.

4. Заключение и перспективы

Выбор метода заземления нейтральной точки трансформатора 110 кВ и конфигурации его защиты — многогранная задача, требующая учета структуры системы, характеристик нагрузки и требований к надежности. Хотя традиционный метод частичного заземления в сочетании с ограничителями перенапряжения и разрядниками является распространенным, он сопряжен с трудностями в выборе устройств и координации их настройки. метод заземления с малым реактивным сопротивлениемПредлагает перспективную альтернативу, потенциально снижающую требования к изоляции, упрощающую защиту и повышающую надежность.

Будущие тенденции развития будут сосредоточены на следующих областях:

• Применение новых устройствНапример, композитные или регулируемые зазоры, используемые параллельно с ограничителями перенапряжения, повышают надежность и точность защиты.
• Технология цифровой защитыИспользование защиты на основе микрокомпьютеров с применением передовых алгоритмов (например, идентификация формы сигнала, гармонический анализ) для повышения чувствительности и надежности защиты от замыкания на землю.
• Стандартизация и модульностьРазработка стандартизированного и модульного оборудования для защиты нейтральной точки с целью упрощения проектирования и технического обслуживания.

В заключение следует отметить, что оптимизация метода заземления нейтральной точки трансформатора 110 кВ и конфигурации защиты имеет решающее значение для повышения безопасности, надежности и экономичности работы энергосистемы. Ожидается, что с развитием технологий появятся и получат широкое применение более интеллектуальные и эффективные решения.