Оптимизация на избора и конфигурацията на защитата на методите за заземяване на неутралната точка на трансформатор 110 kV

Въведение

В енергийните системи с високо напрежение, методът за заземяване на неутралната точка на трансформатора е критичен фактор, влияещ върху безопасността, надеждността и стабилността на системата. За енергийни системи с напрежение 110 kV, изборът на метод за заземяване на неутралната точка влияе пряко върху нивата на изолация на оборудването, защитата от пренапрежение, конфигурацията на релейната защита и надеждността на захранването. В Китай, системите с напрежение 110 kV обикновено използват... частично ефективен метод за заземяване, където някои неутрални точки на трансформатора са директно заземени, докато други остават незаземени, с цел ограничаване на еднофазните токове на късо съединение, като същевременно се предотвратяват заплахи от пренапрежение.

Тази статия анализира характеристиките, предимствата и ограниченията на различните методи за заземяване на неутралната точка на трансформатори 110 kV, изследва оптималните стратегии за конфигуриране на защитата и представя бъдещите тенденции в развитието.

1 Ключови методи за заземяване на неутралната точка за трансформатори 110 kV

1.1 Директно заземяване

Директно заземяванеотнася се до директното свързване на неутралната точка на трансформатора към земята. Този метод ефективно фиксира потенциала на неутралната точка, като гарантира, че по време на еднофазно земно съединение, повишаването на фазното напрежение без повреда не надвишава 1,4 пъти фазното напрежение. Това спомага за намаляване на изискванията за изолация на оборудването и на разходите.

Съществен недостатък обаче е много висок еднофазен ток на заземяване(до няколко хиляди ампера), което може да повлияе на прекъсващата способност на прекъсвача и стабилността на системата. Следователно, директното заземяване обикновено се използва в системи с напрежение 110 kV и по-високо, където е необходимо бързо отстраняване на повредата.

1.2 Незаземен неутрален проводник

В един незаземена система, неутралната точка на трансформатора е изолирана от земята. При еднофазно заземяване, токът на повредата е много малък (главно капацитивният ток на системата), което позволява на системата да продължи да работи за кратък период (обикновено до 2 часа). Това значително подобрява надеждност на захранването.

Въпреки това, в незаземени системи, еднофазните земни съединения могат да доведат до повишаване на фазното напрежение без повреда до нивото на мрежовото напрежение. Ако изолацията е слаба, това може да доведе до пробив, ескалиращ до междуфазно съединение. Освен това, периодичното заземяване с дъга може да генерира дъгови пренапрежения, достигайки 3–3,5 пъти фазовото напрежение, представлявайки заплаха за изолацията на трансформатора.

1.3 Заземяване чрез малък импеданс

За да се балансират предимствата и недостатъците на директното заземяване и незаземените системи, метод за заземяване на импедансачесто се използва. Това включва заземяване чрез малко съпротивление или малко реактивно съпротивление.

• Заземяване с малко съпротивлениеОграничава тока на повреда до няколкостотин ампера, намалявайки въздействието върху системата, като същевременно позволява бързо задействане на защитата. Този метод ефективно потиска пренапреженията и е подходящ за кабелно-интензивни разпределителни мрежи с големи капацитивни токове.
• Заземяване с малка реактивностМоже да компенсира капацитивния ток на системата чрез индуктивен ток, намалявайки вероятността от повторно запалване на дъга. Този метод често се счита за компенсиран метод за заземяване.

Заземяването чрез малък импеданс комбинира предимствата както на директните, така и на незаземените системи, предлагайки потискане на пренапрежението и относително висока надеждност на захранването. То се използва широко в 110kV системи, особено в такива със значителни капацитивни токове или изискващи високо качество на захранването.

2 Конфигурация на защитата за неутрални точки на трансформатор 110kV

2.1 Заплахи от пренапрежение

Нивото на изолация на неутралната точка на трансформатор 110 kV обикновено е полуизолиран, с номинално напрежение, издържащо само на една трета от края на линията. Това прави неутралната точка уязвима към повреди от пренапрежение. Основните видове пренапрежение включват:

• Пренапрежение на мрежовата честотаВъзникващи от превключване на линията, асиметрични къси съединения или внезапна загуба на товар.
• Резонансно пренапрежениеПричинени от трептения, дължащи се на взаимодействия между индуктивни и капацитивни елементи по време на системни операции или повреди.
• Превключване на пренапрежениетоРезултат от преобразуването на магнитна и електростатична енергия по време на отваряне или затваряне на прекъсвачи.
• Пренапрежение от мълнияПричинява се от удари на мълния, характеризира се с висока амплитуда и кратка продължителност.

2.2 Общи защитни устройства

За защита на неутралната точка на трансформатора обикновено се използват следните защитни устройства:

• Аварийни отводителиТе ограничават пренапрежението от мълнии и някои пренапрежения при превключване. Стандартните отводители от пренапрежение обаче често са неадекватни за ниското ниво на изолация на неутралните точки на трансформатори от 110 kV, което прави избора им труден.
• Изолационни пропускиТези предпазители предпазват от пренапрежения, свързани с мрежовата честота и резонансни пренапрежения. При възникване на пренапрежение, междинната междина се прекъсва, заземявайки неутралната точка, за да ограничи повишаването на напрежението. Недостатък е трудността при прецизно регулиране на разстоянието между междините, което може да доведе до некоординиране на защитата.
• Паралелно свързване на отводител за пренапрежение и междинаТова е широко използван метод за защита. Отводният катод се справя с пренапрежението от мълния, докато междинната цепка се справя с пренапреженията на мрежовата честота и резонансните пренапрежения. Междинната цепка също така предпазва отводния катод от прекомерни пренапрежения на мрежовата честота, които биха могли да причинят повреда му. Този подход предлага допълнителни предимства.

2.3 Конфигурация на релейната защита

Релейната защита за неутрална точка на трансформатор 110 kV включва главно следните аспекти:

• Защита от ток с нулева последователностЗа директно заземени трансформатори, защитата по ток с нулева последователност е конфигурирана за бързо отстраняване на земни съединения. Защитата обикновено е разделена на секции, с кратки времезакъснения за локализиране на повредата и по-дълги времезакъснения за изключване от всички страни на трансформатора.
• Защита от нулево напрежение и защита от междинен токЗа незаземени трансформатори се настройват защита от нулева последователност на напрежение и защита от междинен ток. Когато земно съединение причини загуба на заземяващата точка на системата, което води до повишаване на напрежението в неутралната точка, междинната защита се прекъсва. Защитата от междинен ток или защитата от нулева последователност на напрежение действа със закъснение (0,3–0,5 s), за да изключи трансформатора от всички страни.
• Координация на защитата на резервните копияЗа да се осигури селективност, времевите закъснения на защитата с нулева последователност трябва да бъдат координирани. Например, времезакъснението за резервна защита на трансформатор трябва да бъде по-дълго от това на защитата на линията, която тя резервира.

3 Препоръки за оптимизация и анализ на казуса

3.1 Ограничения на традиционните методи

Докато използването на отводители от пренапрежение, успоредни с междиние често срещан, този подход има няколко недостатъка:

• Трудност при избора на предпазител от пренапрежениеТрудно е да се намерят стандартни отводители от пренапрежение, които отговарят на изискванията както за високо непрекъснато работно напрежение, така и за ниско остатъчно напрежение на мълниеносния импулс за неутрални точки на трансформатори 110 kV.
• Предизвикателства при определяне на пропускитеПробивното напрежение на въздушната междина е подложено на дисперсия, което затруднява точното координиране на работата на междината при условия на „загуба на земя“ и „със земя“.
• Сложност на релейната защитаЗащитата срещу „загуба на земя“ (като например защита от пренапрежение с нулева последователност и защита от свръхток в междина) може да се повреди, което налага допълнителни критерии за блокиране, което увеличава сложността и намалява надеждността.

3.2 Предимства на заземяването чрез малко реактивно съпротивление

Изследванията и практиката показват, че заземяване на неутралната точка чрез малко реактивно съпротивлениепредлага значителни предимства пред традиционните методи за частично заземяване:

• Изисквания за намалено ниво на изолацияСлед прилагане на заземяване с малко реактивно съпротивление, нивото на изолация на неутралната точка на трансформатора може да бъде намалено от 35kV на 20kV, като по този начин се елиминира необходимостта от предпазители от пренапрежение и разпределителни шайби и се опростява конфигурацията на защитата.
• Унифициран режим на заземяванеТози метод елиминира появата на изолирана незаземена система, позволявайки опростяване или пропускане на съответната защита, като по този начин повишава надеждността.
• Запазване на предимстватаЗапазва предимствата на частичното заземяване, като например проста и надеждна защита от нулева последователност, като същевременно ограничава токовете на късо съединение в еднофазни токове.

3.3 Анализ на казуса

Пример за това е трансформация на крайна подстанция 110kV. Първоначалният проект използваше отводител за пренапрежение, паралелен с междиназа защита на неутралната точка. След приемането на заземяване с малко реактивно съпротивление обаче, изискването за ниво на изолация на неутралната точка на трансформатора беше намалено, защитните устройства бяха опростени и експлоатационната надеждност беше подобрена. Изчисленията показаха, че съпротивлението на заземяването може да ограничи тока на повреда до няколкостотин ампера, а защитата с нулева последователност може лесно да се координира.

Друг случай включваше повреда в подстанция 110 kV, при която преходно еднофазно заземяване на входящата линия доведе до пробив в неутралната точка и изключване на трансформатора. Анализът показа, че въпреки че повредата в линията беше преходна, обратна връзка от голям брой асинхронни двигателиот страната на товара осигуряваше енергия за дъгата, поддържайки повредата. Това подчертава, че за трансформатори със значителни натоварвания на двигателя (еквивалентни източници), пълната защита на неутралната точка, включително защита от свръхток с нулева последователност, защита от ток на междина и защита от напрежение с нулева последователност, е от съществено значение по време на фазата на проектиране.

4 Заключение и перспектива

Изборът на метод за заземяване на неутралната точка на трансформатор 110kV и неговата конфигурация за защита е многостранна задача, която изисква отчитане на структурата на системата, характеристиките на натоварването и изискванията за надеждност. Въпреки че традиционният метод за частично заземяване, комбиниран с предпазители от пренапрежение и междини, е често срещан, той е изправен пред предизвикателства при избора на устройството и координацията на настройката. метод за заземяване с малък реактивен съпротивлениепредлага обещаваща алтернатива, потенциално намаляваща изискванията за изолация, опростяваща защитата и подобряваща надеждността.

Бъдещите тенденции в развитието ще се фокусират върху следните области:

• Приложение на нови устройстваКато например комбинирани междини или контролируеми междини, използвани паралелно с предпазители от пренапрежение, повишаващи надеждността и точността на защитата.
• Технология за цифрова защитаИзползване на микрокомпютърна защита с усъвършенствани алгоритми (напр. разпознаване на форма на вълната, хармоничен анализ) за подобряване на чувствителността и надеждността на защитата от земно съединение.
• Стандартизация и модуларизацияРазработване на стандартизирано и модулно оборудване за защита на неутралната точка за опростяване на проектирането и поддръжката.

В обобщение, оптимизирането на метода за заземяване на неутралната точка на трансформатор 110kV и конфигурацията на защитата е от решаващо значение за повишаване на безопасността, надеждността и икономичната работа на електроенергийната система. С технологичния напредък се очаква да се появят по-интелигентни и ефективни решения, които да намерят широко приложение.