Valg og optimalisering av beskyttelseskonfigurasjon for 110 kV transformatorens nøytralpunktjordingsmetoder

Introduksjon

I høyspenningssystemer er transformatorens nøytralpunktjordingsmetoden en kritisk faktor som påvirker systemets sikkerhet, pålitelighet og stabilitet. For 110 kV-systemer påvirker valget av nøytralpunktjording direkte utstyrets isolasjonsnivåer, overspenningsvern, relébeskyttelseskonfigurasjon og strømforsyningens pålitelighet. I Kina bruker 110 kV-systemer vanligvis en delvis effektiv jordingsmetode, hvor noen transformatornøytralpunkter er direkte jordet mens andre forblir ujordet, med sikte på å begrense enfasede kortslutningsstrømmer samtidig som overspenningstrusler forhindres.

Denne artikkelen analyserer egenskapene, fordelene og begrensningene ved ulike metoder for jording av nøytralpunkt på 110 kV-transformatorer, utforsker optimale strategier for beskyttelseskonfigurasjon og presenterer fremtidige utviklingstrender.

1 Viktige metoder for jording av nøytralpunkt for 110 kV transformatorer

1.1 Direkte jording

Direkte jordingrefererer til den direkte tilkoblingen av transformatorens nøytralpunkt til jord. Denne metoden fikserer effektivt nøytralpunktpotensialet, og sikrer at den ikke-feilmessige fasespenningsøkningen ikke overstiger 1,4 ganger fasespenningen under en enfaset jordfeil. Dette bidrar til å redusere kravene til utstyrets isolasjon og redusere kostnader.

En betydelig ulempe er imidlertid at veldig høy enfaset jordfeilstrøm(opptil flere tusen ampere), noe som kan påvirke sikringsbryterens avbrytekapasitet og systemstabilitet. Derfor brukes direkte jording vanligvis i systemer med 110 kV og høyere spenning der rask feilretting er nødvendig.

1.2 Ujordet nøytralleder

I en ujordet system, er transformatorens nullpunkt isolert fra jord. Når det oppstår en enfaset jordfeil, er feilstrømmen svært liten (hovedsakelig systemets kapasitive strøm), slik at systemet kan fortsette å fungere i en kort periode (vanligvis opptil 2 timer). Dette forbedrer betraktelig strømforsyningens pålitelighet.

I ujordede systemer kan imidlertid enfasede jordfeil føre til at den ikke-feilende fasespenningen stiger til nettspenningsnivået. Hvis isolasjonen er svak, kan dette føre til havari, som eskalerer til en fase-til-fase-feil. I tillegg kan intermitterende lysbuejording generere bueoverspenninger, og når 3–3,5 ganger fasespenningen, noe som utgjør en trussel mot transformatorens isolasjon.

1.3 Jording via liten impedans

For å balansere fordelene og ulempene ved direkte jording og ujordede systemer, impedansjordingsmetodebrukes ofte. Dette inkluderer jording gjennom en liten motstand eller en liten reaktans.

• Jording med liten motstandBegrenser feilstrømmen til flere hundre ampere, noe som reduserer påvirkningen på systemet samtidig som den muliggjør rask beskyttelsesoperasjon. Denne metoden undertrykker overspenninger effektivt og er egnet for kabelintensive distribusjonsnett med store kapasitive strømmer.
• Jording med liten reaktansKan oppveie systemets kapasitive strøm gjennom induktiv strøm, noe som reduserer sannsynligheten for nyantennelse av lysbuen. Denne metoden regnes ofte som en kompensert jordingsmetode.

Jording via liten impedans kombinerer fordelene med både direkte og ujordede systemer, og tilbyr overspenningsdemping og relativt høy pålitelighet i strømforsyningen. Den er mye brukt i 110 kV-systemer, spesielt de med betydelige kapasitive strømmer eller som krever høy strømkvalitet.

2 Beskyttelseskonfigurasjon for 110 kV transformatorens nøytralpunkter

2.1 Overspenningstrusler

Isolasjonsnivået til et 110 kV transformatornøytralpunkt er vanligvis halvisolert, med en spenningsklassifisering som bare er en tredjedel av linjeenden. Dette gjør nøytralpunktet sårbart for overspenningsskader. Primære overspenningstyper inkluderer:

• Overspenning i strømfrekvens: Som følge av linjebytte, asymmetriske kortslutninger eller plutselig lasttap.
• ResonansoverspenningForårsaket av svingninger på grunn av interaksjoner mellom induktive og kapasitive elementer under systemdrift eller feil.
• Bytte overspenning: Som følge av omdannelse av magnetisk og elektrostatisk energi under åpning eller lukking av effektbrytere.
• LynoverspenningForårsaket av lynnedslag, kjennetegnet av høy amplitude og kort varighet.

2.2 Vanlige beskyttelsesenheter

For å beskytte transformatorens nullpunkt brukes vanligvis følgende beskyttelsesanordninger:

• OverspenningsavledereDisse begrenser lynoverspenning og visse koblingsoverspenninger. Standard overspenningsavledere er imidlertid ofte utilstrekkelige for det lave isolasjonsnivået til 110 kV transformatornøytralpunkter, noe som gjør valget utfordrende.
• IsolasjonshullDisse beskytter mot overspenninger i nettfrekvens og resonans. Når overspenning oppstår, brytes gapet ned, og nøytralpunktet jordes for å begrense spenningsøkningen. En ulempe er vanskeligheten med å justere gapavstanden nøyaktig, noe som kan føre til feilkoordinering av beskyttelsen.
• Parallellkobling av overspenningsavleder og gapDette er en mye brukt beskyttelsesmetode. Overspenningsavlederen håndterer lynnedslag, mens gapet adresserer overspenninger i nettfrekvens og resonans. Gapet beskytter også overspenningsavlederen mot for høye overspenninger i nettfrekvens som kan forårsake feil. Denne tilnærmingen gir komplementære fordeler.

2.3 Konfigurasjon av relébeskyttelse

Relébeskyttelse for et 110 kV transformatornøytralpunkt omfatter hovedsakelig følgende aspekter:

• NullsekvensstrømbeskyttelseFor direkte jordede transformatorer er nullsekvensstrømvern konfigurert for raskt å fjerne jordfeil. Vernet er vanligvis delt inn i seksjoner, med korte tidsforsinkelser for feillokalisering og lengre tidsforsinkelser for utløsning av alle sider av transformatoren.
• Nullsekvensspenningsbeskyttelse og gapstrømbeskyttelseFor ujordede transformatorer er det satt opp nullsekvensspenningsvern og mellomromsstrømsvern. Når en jordfeil fører til at systemet mister jordpunktet, noe som fører til en økning i nullpunktspenningen, brytes mellomrommet ut. Mellomromsstrømsvern eller nullsekvensspenningsvern virker med en tidsforsinkelse (0,3–0,5 s) for å løse ut transformatoren på alle sider.
• Koordinering av sikkerhetskopieringsbeskyttelseFor å sikre selektivitet må tidsforsinkelsene for nullsekvensbeskyttelse koordineres. For eksempel bør tidsforsinkelsen for en backup-beskyttelse på en transformator være lengre enn tidsforsinkelsen for linjebeskyttelsen den backuper.

3 optimaliseringsanbefalinger og caseanalyse

3.1 Begrensninger ved tradisjonelle metoder

Mens bruken av overspenningsavledere parallelt med gaper vanlig, men denne tilnærmingen har flere mangler:

• Vanskeligheter med valg av overspenningsavlederDet er utfordrende å finne standard overspenningsavledere som oppfyller kravene til både høy kontinuerlig driftsspenning og lav lynimpuls-restspenning for 110 kV transformatornøytralpunkter.
• Utfordringer i gapsettingLuftgap-gjennombruddsspenningen er utsatt for spredning, noe som gjør det vanskelig å koordinere gapoperasjonen nøyaktig for "tap av jord" og "med jord"-feilforhold.
• Kompleksiteten til relébeskyttelseBeskyttelse mot "tap av jord" (som nullsekvensoverspenning og gapoverstrømsbeskyttelse) kan fungere feil, noe som nødvendiggjør ytterligere blokkeringskriterier, noe som øker kompleksiteten og reduserer påliteligheten.

3.2 Fordeler med jording via liten reaktans

Forskning og praksis viser at jording av nøytralpunktet via en liten reaktanstilbyr betydelige fordeler i forhold til tradisjonelle metoder for delvis jording:

• Reduserte krav til isolasjonsnivåEtter å ha tatt i bruk jording med liten reaktans, kan isolasjonsnivået til transformatorens nøytralpunkt senkes fra 35 kV til 20 kV, noe som eliminerer behovet for overspenningsavledere og -gap og forenkler beskyttelseskonfigurasjonen.
• Enhetlig jordingsmodusDenne metoden eliminerer forekomsten av et isolert, ujordet system, noe som muliggjør forenkling eller utelatelse av tilhørende beskyttelse, og dermed forbedrer påliteligheten.
• Bevaring av fordelerDen opprettholder fordelene med delvis jording, som enkel og pålitelig nullsekvensbeskyttelse, samtidig som den begrenser enfasede kortslutningsstrømmer.

3.3 Analyse av casestudier

Et eksempel er en transformasjon av en 110 kV terminalstasjon. Den opprinnelige designen brukte en overspenningsavleder parallelt med et gapfor beskyttelse av nullpunkt. Etter å ha tatt i bruk jording med liten reaktans, ble imidlertid kravet til isolasjonsnivå for transformatorens nullpunkt redusert, beskyttelsesenhetene ble forenklet og driftssikkerheten ble forbedret. Beregninger viste at jordingsmotstanden kunne begrense feilstrømmen til noen få hundre ampere, og nullsekvensbeskyttelsen kunne enkelt koordineres.

Et annet tilfelle involverte en feil i en 110 kV transformatorstasjon der en forbigående enfase jordfeil på innkommende linje førte til nullpunktsavbrudd og transformatorutløsning. Analysen viste at selv om linjefeilen var forbigående, tilbakemeldinger fra et stort antall asynkronmotorerpå lastsiden ga energi til lysbuen, og opprettholdt feilen. Dette fremhever at for transformatorer med betydelige motorbelastninger (ekvivalente kilder) er fullstendig nullpunktbeskyttelse, inkludert nullsekvensoverstrøm, gapstrøm og nullsekvensspenningsbeskyttelse, avgjørende i designfasen.

4 Konklusjon og fremtidsutsikter

Valg av jordingsmetode for nøytralpunkt for 110 kV-transformatorer og dens beskyttelseskonfigurasjon er en mangesidig oppgave som krever vurdering av systemstruktur, lastegenskaper og pålitelighetskrav. Selv om den tradisjonelle delvise jordingsmetoden kombinert med overspenningsavledere og avledergap er vanlig, møter den utfordringer i valg av enhet og koordinering av innstillinger. jordingsmetode med liten reaktanstilbyr et lovende alternativ, som potensielt reduserer isolasjonskravene, forenkler beskyttelsen og forbedrer påliteligheten.

Fremtidige utviklingstrender vil fokusere på følgende områder:

• Bruk av nye enheterSlik som komposittgap eller kontrollerbare gap som brukes parallelt med overspenningsavledere, noe som forbedrer beskyttelsens pålitelighet og nøyaktighet.
• Digital beskyttelsesteknologiBruk av mikrodatamaskinbasert beskyttelse med avanserte algoritmer (f.eks. bølgeformidentifikasjon, harmonisk analyse) for å forbedre følsomheten og påliteligheten til jordfeilbeskyttelse.
• Standardisering og modulariseringUtvikling av standardisert og modulært nøytralpunktbeskyttelsesutstyr for å forenkle design og vedlikehold.

Oppsummert er optimalisering av nøytralpunktjordingsmetoden og beskyttelseskonfigurasjonen for 110 kV-transformatoren avgjørende for å forbedre sikkerheten, påliteligheten og den økonomiske driften av kraftsystemet. Med teknologiske fremskritt forventes det at mer intelligente og effektive løsninger vil dukke opp og få bred anvendelse.