Selecția și optimizarea configurației de protecție a metodelor de împământare a punctului neutru al transformatoarelor de 110kV

Introducere

În sistemele de alimentare de înaltă tensiune, metoda de împământare a punctului neutru al transformatorului este un factor critic care influențează siguranța, fiabilitatea și stabilitatea sistemului. Pentru sistemele de alimentare de 110 kV, alegerea metodei de împământare a punctului neutru afectează direct nivelurile de izolație ale echipamentelor, protecția la supratensiune, configurația protecției releului și fiabilitatea alimentării cu energie. În China, sistemele de 110 kV adoptă de obicei o metodă de împământare parțial eficientă, unde unele puncte neutre ale transformatoarelor sunt direct legate la pământ, în timp ce altele rămân nelegate la pământ, cu scopul de a limita curenții de scurtcircuit monofazați, prevenind în același timp amenințările de supratensiune.

Acest articol analizează caracteristicile, avantajele și limitele diferitelor metode de legare la pământ a punctului neutru al transformatoarelor de 110 kV, explorează strategiile optime de configurare a protecției și prezintă tendințele viitoare de dezvoltare.

1 Metode cheie de împământare a punctului neutru pentru transformatoarele de 110 kV

1.1 Împământare directă

Împământare directăse referă la conectarea directă a punctului neutru al transformatorului la pământ. Această metodă fixează eficient potențialul punctului neutru, asigurându-se că, în timpul unui defect la masă monofazat, creșterea tensiunii fazei non-defect nu depășește de 1,4 ori tensiunea de fază. Acest lucru ajută la reducerea cerințelor de izolație a echipamentelor și la reducerea costurilor.

Totuși, un dezavantaj semnificativ este curent de defect la masă monofazat foarte mare(până la câteva mii de amperi), ceea ce poate afecta capacitatea de întrerupere a întrerupătorului și stabilitatea sistemului. Prin urmare, împământarea directă este utilizată în general în sistemele de 110 kV și tensiune mai mare, unde este necesară remedierea rapidă a defecțiunilor.

1.2 Neutru fără împământare

Într-un sistem neîmpământat, punctul neutru al transformatorului este izolat față de pământ. Când apare un defect la masă monofazat, curentul de defect este foarte mic (în principal curentul capacitiv al sistemului), permițând sistemului să continue să funcționeze pentru o perioadă scurtă de timp (de obicei până la 2 ore). Acest lucru îmbunătățește semnificativ fiabilitatea alimentării cu energie electrică.

Totuși, în sistemele neîmpământate, defectele de împământare monofazate pot determina creșterea tensiunii fazei neavariate la nivelul tensiunii de linie. Dacă izolația este slabă, acest lucru poate duce la o defecțiune, care se transformă într-un defect fază-fază. În plus, împământarea cu arc intermitent poate genera... supratensiuni de arc, atingând de 3-3,5 ori tensiunea de fază, reprezentând o amenințare pentru izolația transformatorului.

1.3 Împământare prin impedanță mică

Pentru a echilibra avantajele și dezavantajele sistemelor de împământare directă și neîmpământare, metoda de împământare prin impedanțăeste adesea utilizat. Aceasta include împământarea printr-o rezistență mică sau o reactanță mică.

• Împământare cu rezistență micăLimitează curentul de defect la câteva sute de amperi, reducând impactul asupra sistemului, permițând în același timp o funcționare rapidă a protecției. Această metodă suprimă eficient supratensiunile și este potrivită pentru rețelele de distribuție cu cabluri intensive și curenți capacitivi mari.
• Împământare cu reactanță micăPoate compensa curentul capacitiv al sistemului prin curent inductiv, reducând probabilitatea reaprinderii arcului. Această metodă este adesea considerată o metodă de împământare compensată.

Împământarea prin impedanță mică combină avantajele sistemelor directe și neîmpământate, oferind suprimarea supratensiunii și o fiabilitate relativ ridicată a alimentării cu energie. Este utilizată pe scară largă în sistemele de 110 kV, în special în cele cu curenți capacitivi semnificativi sau care necesită o calitate ridicată a energiei.

2 Configurații de protecție pentru punctele neutre ale transformatorului de 110kV

2.1 Amenințări de supratensiune

Nivelul de izolație al punctului neutru al unui transformator de 110 kV este de obicei semiizolat, cu o tensiune nominală de admisibilitate de doar o treime din capătul liniei. Acest lucru face ca punctul neutru să fie vulnerabil la deteriorarea prin supratensiune. Tipurile principale de supratensiune includ:

• Supratensiune de frecvență a puterii: Aparute din comutarea liniei, scurtcircuite asimetrice sau pierderi bruște de sarcină.
• Supratensiune de rezonanțăCauzate de oscilații datorate interacțiunilor dintre elementele inductive și capacitive în timpul funcționării sau defecțiunilor sistemului.
• Supratensiune de comutareRezultând din conversia energiei magnetice și electrostatice în timpul deschiderii sau închiderii întrerupătoarelor de circuit.
• Supratensiune la trăsnetCauzate de lovituri de trăsnet, caracterizate prin amplitudine mare și durată scurtă.

2.2 Dispozitive comune de protecție

Pentru a proteja punctul neutru al transformatorului, se utilizează în mod obișnuit următoarele dispozitive de protecție:

• Descărcătoare de supratensiuneAcestea limitează supratensiunea de trăsnet și anumite supratensiuni de comutare. Cu toate acestea, descărcătoarele standard sunt adesea inadecvate pentru nivelul scăzut de izolație al punctelor neutre ale transformatoarelor de 110 kV, ceea ce face ca selecția să fie dificilă.
• Lacune de izolareAcestea protejează împotriva supratensiunilor de frecvență industrială și a supratensiunilor de rezonanță. Când apare o supratensiune, întreruperea distanței între cabluri se produce, conectând la masă punctul neutru pentru a limita creșterea tensiunii. Un dezavantaj este dificultatea reglării precise a distanței dintre cabluri, ceea ce poate duce la o coordonare greșită a protecției.
• Conectarea paralelă a descărcătoarelor de supratensiune și a intervalului de tensiuneAceasta este o metodă de protecție utilizată pe scară largă. Descărcătorul de supratensiune se ocupă de supratensiunile de trăsnet, în timp ce spațiul dintre cabluri se ocupă de supratensiunile de frecvență industrială și de rezonanță. De asemenea, spațiul dintre cabluri protejează descărcătorul de supratensiuni excesive de frecvență industrială care ar putea provoca defectarea acestuia. Această abordare oferă avantaje complementare.

2.3 Configurarea protecției releului

Protecția cu relee pentru punctul neutru al unui transformator de 110 kV include în principal următoarele aspecte:

• Protecție la curent de secvență zeroPentru transformatoarele conectate direct la pământ, protecția la curent de secvență zero este configurată pentru a elimina rapid defectele la pământ. Protecția este de obicei împărțită în secțiuni, cu întârzieri scurte pentru localizarea defectului și întârzieri mai lungi pentru declanșarea tuturor părților transformatorului.
• Protecție la tensiune de secvență zero și protecție la curent de decalajPentru transformatoarele fără împământare, sunt configurate protecții la tensiune de secvență zero și protecții la curent de gol. Când un defect la masă face ca sistemul să-și piardă punctul de împământare, ceea ce duce la creșterea tensiunii în punctul neutru, golul se rupe. Protecția la curent de gol sau protecția la tensiune de secvență zero acționează cu o întârziere (0,3–0,5s) pentru a declanșa transformatorul din toate părțile.
• Coordonarea protecției de rezervăPentru a asigura selectivitatea, întârzierile de protecție de secvență zero trebuie coordonate. De exemplu, întârzierea pentru o protecție de rezervă pe un transformator ar trebui să fie mai mare decât cea a protecției de linie pe care o susține.

3 Recomandări de optimizare și analiză de caz

3.1 Limitările metodelor tradiționale

În timp ce utilizarea descărcătoare de supratensiune paralele cu golurieste comună, această abordare are mai multe neajunsuri:

• Dificultăți în selectarea descărcătoarelor de supratensiuneEste dificil să găsești descărcătoare de supratensiune standard care să îndeplinească cerințele atât pentru tensiunea de funcționare continuă ridicată, cât și pentru tensiunea reziduală impulsivă scăzută pentru punctele neutre ale transformatoarelor de 110 kV.
• Provocări în stabilirea decalajelorTensiunea de străpungere a întrefierului este supusă dispersiei, ceea ce face dificilă coordonarea precisă a funcționării întrefierului pentru condițiile de „pierdere a împământării” și de defect „cu împământarea”.
• Complexitatea protecției releelorProtecția împotriva „pierderii de masă” (cum ar fi protecția la supratensiune de secvență zero și la supracurentul de decalaj) poate funcționa defectuos, necesitând criterii suplimentare de blocare, ceea ce crește complexitatea și reduce fiabilitatea.

3.2 Avantajele împământării prin reactanță mică

Cercetările și practica indică faptul că legarea la pământ a punctului neutru printr-o reactanță micăoferă avantaje semnificative față de metodele tradiționale de împământare parțială:

• Cerințe reduse pentru nivelul de izolațieDupă adoptarea unei împământări cu reactanță mică, nivelul de izolație al punctului neutru al transformatorului poate fi redus de la 35 kV la 20 kV, eliminând necesitatea descărcătoarelor de supratensiune și a spațiilor de lucru și simplificând configurația protecției.
• Mod de împământare unificatAceastă metodă elimină apariția unui sistem izolat și neîmpământat, permițând simplificarea sau omiterea protecției aferente, sporind astfel fiabilitatea.
• Păstrarea avantajelorMenține beneficiile împământării parțiale, cum ar fi protecția simplă și fiabilă de secvență zero, limitând în același timp curenții de scurtcircuit monofazați.

3.3 Analiza studiului de caz

Un exemplu este o transformare a unei substații terminale de 110 kV. Proiectul original a folosit o descărcător de supratensiune paralel cu un spațiu liberpentru protecția punctului neutru. Cu toate acestea, după adoptarea unei împământări cu reactanță mică, cerința privind nivelul de izolație al punctului neutru al transformatorului a fost redusă, dispozitivele de protecție au fost simplificate și fiabilitatea operațională a fost îmbunătățită. Calculele au arătat că rezistența de împământare poate limita curentul de defect la câteva sute de amperi, iar protecția de secvență zero poate fi ușor coordonată.

Un alt caz a implicat o defecțiune într-o substație de 110 kV, unde o defecțiune monofazată tranzitorie la pământ pe linia de intrare a dus la o defecțiune a intervalului neutru și la declanșarea transformatorului. Analiza a arătat că, deși defectul liniei a fost tranzitoriu, feedback de la un număr mare de motoare asincronepe partea de sarcină a furnizat energie pentru arc, menținând defectul. Acest lucru evidențiază faptul că, pentru transformatoarele cu sarcini semnificative ale motorului (surse echivalente), protecția completă a punctului neutru, inclusiv protecția la supracurent de secvență zero, curentul de gol și tensiunea de secvență zero, este esențială în faza de proiectare.

4 Concluzie și perspective

Selectarea metodei de împământare a punctului neutru al transformatorului de 110kV și a configurației de protecție a acesteia este o sarcină complexă care necesită luarea în considerare a structurii sistemului, a caracteristicilor de sarcină și a cerințelor de fiabilitate. Deși metoda tradițională de împământare parțială combinată cu descărcătoare de supratensiune și breșe este comună, aceasta se confruntă cu provocări în selecția dispozitivului și coordonarea configurării. metodă de împământare cu reactanță micăoferă o alternativă promițătoare, putând reduce cerințele de izolație, simplificând protecția și îmbunătățind fiabilitatea.

Tendințele viitoare de dezvoltare se vor concentra pe următoarele domenii:

• Aplicarea noilor dispozitiveCum ar fi goluri compozite sau goluri controlabile utilizate în paralel cu descărcătoare de supratensiune, sporind fiabilitatea și precizia protecției.
• Tehnologie de protecție digitalăUtilizarea protecției bazate pe microcomputer cu algoritmi avansați (de exemplu, identificarea formei de undă, analiza armonică) pentru a îmbunătăți sensibilitatea și fiabilitatea protecției la defecțiuni la masă.
• Standardizare și modularizareDezvoltarea de echipamente standardizate și modulare de protecție a punctului neutru pentru a simplifica proiectarea și întreținerea.

În concluzie, optimizarea metodei de împământare a punctului neutru al transformatorului de 110 kV și a configurației de protecție este crucială pentru îmbunătățirea siguranței, fiabilității și funcționării economice a sistemului energetic. Odată cu progresele tehnologice, se așteaptă apariția unor soluții mai inteligente și mai eficiente, care să aibă o aplicare pe scară largă.