Val och optimering av skyddskonfiguration för 110 kV transformatorns neutralpunktsjordningsmetoder

Introduktion

I högspänningssystem är transformatorns neutralpunktsjordning en kritisk faktor som påverkar systemets säkerhet, tillförlitlighet och stabilitet. För 110 kV-kraftsystem påverkar valet av neutralpunktsjordning direkt utrustningens isoleringsnivåer, överspänningsskydd, reläskyddskonfiguration och strömförsörjningens tillförlitlighet. I Kina använder 110 kV-system vanligtvis en delvis effektiv jordningsmetod, där vissa transformatorns neutralpunkter är direktjordade medan andra förblir ojordade, i syfte att begränsa enfasiga kortslutningsströmmar samtidigt som överspänningshot förhindras.

Den här artikeln analyserar egenskaperna, fördelarna och begränsningarna hos olika metoder för jordning av neutralpunkten på 110 kV-transformatorer, utforskar optimala strategier för skyddskonfiguration och presenterar framtida utvecklingstrender.

1 Viktiga metoder för jordning av neutralpunkt för 110 kV-transformatorer

1.1 Direkt jordning

Direkt jordningavser den direkta anslutningen av transformatorns neutralpunkt till jorden. Denna metod fixerar effektivt neutralpunktspotentialen, vilket säkerställer att den felfria fasspänningsökningen inte överstiger 1,4 gånger fasspänningen under ett enfasigt jordfel. Detta bidrar till att sänka kraven på utrustningens isolering och minska kostnaderna.

En betydande nackdel är dock att mycket hög enfas jordfelsström(upp till flera tusen ampere), vilket kan påverka brytarens brytkapacitet och systemets stabilitet. Därför används direktjordning vanligtvis i system med 110 kV och högre spänning där snabb felavhjälpning är nödvändig.

1.2 Ojordad neutralledare

I en ojordat system, transformatorns neutralpunkt är isolerad från jorden. När ett enfasigt jordfel inträffar är felströmmen mycket liten (främst systemets kapacitiva ström), vilket gör att systemet kan fortsätta att fungera under en kort period (vanligtvis upp till 2 timmar). Detta förbättrar avsevärt strömförsörjningens tillförlitlighet.

I ojordade system kan dock enfasiga jordfel orsaka att den felfria fasspänningen stiger till nätspänningsnivån. Om isoleringen är svag kan detta leda till haveri, vilket eskalerar till ett fas-till-fas-fel. Dessutom kan intermittent ljusbågsjordning generera bågöverspänningar, vilket når 3–3,5 gånger fasspänningen, vilket utgör ett hot mot transformatorns isolering.

1.3 Jordning via liten impedans

För att balansera fördelarna och nackdelarna med direktjordning och ojordade system, impedansjordningsmetodanvänds ofta. Detta inkluderar jordning genom ett litet motstånd eller en liten reaktans.

• Jordning med litet motståndBegränsar felströmmen till flera hundra ampere, vilket minskar påverkan på systemet samtidigt som det möjliggör snabb skyddsdrift. Denna metod undertrycker överspänningar effektivt och är lämplig för kabelintensiva distributionsnät med stora kapacitiva strömmar.
• Jordning med liten reaktansKan kompensera systemets kapacitiva ström genom induktiv ström, vilket minskar sannolikheten för återantändning av ljusbågen. Denna metod anses ofta vara en kompenserad jordningsmetod.

Jordning via låg impedans kombinerar fördelarna med både direkta och ojordade system, vilket ger överspänningsdämpning och relativt hög tillförlitlighet i strömförsörjningen. Det används ofta i 110 kV-system, särskilt de med betydande kapacitiva strömmar eller som kräver hög elkvalitet.

2 Skyddskonfiguration för 110 kV transformatorns neutralpunkter

2.1 Överspänningshot

Isoleringsnivån för en 110 kV transformators neutralpunkt är vanligtvis halvisolerad, med en spänningsklassning som endast motsvarar en tredjedel av nätänden. Detta gör neutralpunkten sårbar för överspänningsskador. Primära överspänningstyper inkluderar:

• Överspänning i strömfrekvensenUppstår på grund av linjeomkoppling, asymmetriska kortslutningar eller plötsligt lastbortfall.
• ResonansöverspänningOrsakas av svängningar på grund av interaktioner mellan induktiva och kapacitiva element under systemdrift eller fel.
• Omkopplingsöverspänning: Till följd av omvandling av magnetisk och elektrostatisk energi vid öppning eller slutning av brytare.
• BlixtnedslagsöverspänningOrsakas av blixtnedslag, kännetecknas av hög amplitud och kort varaktighet.

2.2 Vanliga skyddsanordningar

För att skydda transformatorns neutralpunkt används vanligtvis följande skyddsanordningar:

• ÖverspänningsskyddDessa begränsar blixtnedslagsöverspänningar och vissa kopplingsöverspänningar. Standardavledare är dock ofta otillräckliga för den låga isoleringsnivån i 110 kV transformatorns neutralpunkter, vilket gör valet utmanande.
• IsoleringsgapDessa skyddar mot överspänningar i nätfrekvens och resonans. När överspänning uppstår bryts gapet ner, vilket jordar neutralpunkten för att begränsa spänningsökningen. En nackdel är svårigheten att exakt justera gapavståndet, vilket kan leda till felkoordination i skyddet.
• Parallellkoppling av överspänningsskydd och gapDetta är en vanligt förekommande skyddsmetod. Överspänningsskyddet hanterar blixtnedslagsöverspänningar, medan mellanrummet åtgärdar nätfrekvens- och resonansöverspänningar. Mellanrummet skyddar också överspänningsskyddet från alltför höga nätfrekvensöverspänningar som kan orsaka fel. Denna metod erbjuder kompletterande fördelar.

2.3 Konfiguration av reläskydd

Reläskydd för en 110kV transformatorns neutralpunkt omfattar huvudsakligen följande aspekter:

• NollföljdsströmsskyddFör direktjordade transformatorer är nollföljdsströmsskydd konfigurerat för att snabbt ta bort jordfel. Skyddet är vanligtvis uppdelat i sektioner, med korta tidsfördröjningar för fellokalisering och längre tidsfördröjningar för att utlösa alla sidor av transformatorn.
• Nollföljdsspänningsskydd och gapströmsskyddFör ojordade transformatorer finns det nollföljdsspänningsskydd och mellanspänningsskydd. När ett jordfel orsakar att systemet förlorar sin jordpunkt, vilket leder till en stigande nollpunktsspänning, bryts mellanspänningen ner. Mellanspänningsskyddet eller nollföljdsspänningsskyddet verkar med en tidsfördröjning (0,3–0,5 s) för att lösa ut transformatorn på alla sidor.
• Samordning av säkerhetskopieringsskyddFör att säkerställa selektivitet måste tidsfördröjningarna för nollföljdsskydd koordineras. Till exempel bör tidsfördröjningen för ett reservskydd på en transformator vara längre än för det linjeskydd det reservskyddar.

3 optimeringsrekommendationer och fallanalys

3.1 Begränsningar med traditionella metoder

Medan användningen av överspänningsavledare parallella med mellanrumär vanligt, men denna metod har flera brister:

• Svårigheter att välja överspänningsskyddDet är utmanande att hitta standardiserade överspänningsskydd som uppfyller kraven för både hög kontinuerlig driftspänning och låg blixtspänning för 110 kV transformatorns neutralpunkter.
• Utmaningar i gapsettingLuftgapsgenombrottsspänningen är utsatt för spridning, vilket gör det svårt att noggrant koordinera gapsoperationen för felförhållanden med "jordförlust" och "jord".
• Komplexiteten hos reläskyddSkydd mot "jordförlust" (såsom nollföljdsöverspänningsskydd och mellanrumsöverströmsskydd) kan fungera felaktigt, vilket kräver ytterligare blockeringskriterier, vilket ökar komplexiteten och minskar tillförlitligheten.

3.2 Fördelar med jordning via liten reaktans

Forskning och praktik visar att jordning av neutralpunkten via en liten reaktanserbjuder betydande fördelar jämfört med traditionella metoder för partiell jordning:

• Minskade krav på isoleringsnivåEfter att ha använt jordning med låg reaktans kan isolationsnivån för transformatorns neutralpunkt sänkas från 35 kV till 20 kV, vilket eliminerar behovet av överspänningsskydd och spänningsavledare och förenklar skyddskonfigurationen.
• Enhetligt jordningslägeDenna metod eliminerar risken för ett isolerat, ojordat system, vilket möjliggör förenkling eller utelämnande av relaterat skydd, vilket ökar tillförlitligheten.
• Bibehållande av fördelarDen bibehåller fördelarna med partiell jordning, såsom enkelt och tillförlitligt nollföljdsskydd, samtidigt som den begränsar enfasiga kortslutningsströmmar.

3.3 Fallstudieanalys

Ett exempel är en transformation av en 110 kV terminalstation. Den ursprungliga designen använde en överspänningsavledare parallell med ett mellanrumför neutralpunktsskydd. Efter införandet av jordning med låg reaktans minskades dock kravet på isoleringsnivå för transformatorns neutralpunkt, skyddsanordningarna förenklades och driftsäkerheten förbättrades. Beräkningar visade att jordningsmotståndet kunde begränsa felströmmen till några hundra ampere, och nollföljdsskyddet kunde enkelt koordineras.

Ett annat fall gällde ett fel i en 110 kV transformatorstation där ett transient enfasigt jordfel på inkommande ledning ledde till neutralpunktsfel och transformatorutlösning. Analysen visade att även om ledningsfelet var transient, återkoppling från ett stort antal asynkronmotorerpå lastsidan tillhandahöll energi till ljusbågen, vilket upprätthöll felet. Detta belyser att för transformatorer med betydande motorbelastningar (ekvivalenta källor) är fullständigt neutralpunktsskydd, inklusive nollföljdsöverströmsskydd, gapströmsskydd och nollföljdsspänningsskydd, avgörande under konstruktionsfasen.

4 Slutsats och framtidsutsikter

Valet av metod för jordning av neutralpunkten för 110 kV-transformatorer och dess skyddskonfiguration är en mångfacetterad uppgift som kräver hänsyn till systemstruktur, lastegenskaper och tillförlitlighetskrav. Även om den traditionella metoden med partiell jordning i kombination med överspänningsskydd och avledare är vanlig, möter den utmaningar i val av enhet och koordinering av inställningar. jordningsmetod med liten reaktanserbjuder ett lovande alternativ, som potentiellt sänker isoleringskraven, förenklar skyddet och förbättrar tillförlitligheten.

Framtida utvecklingstrender kommer att fokusera på följande områden:

• Tillämpning av nya enheterSåsom kompositgap eller kontrollerbara gap som används parallellt med överspänningsskydd, vilket förbättrar skyddets tillförlitlighet och noggrannhet.
• Digital skyddsteknikAnvändning av mikrodatorbaserat skydd med avancerade algoritmer (t.ex. vågformsidentifiering, harmonisk analys) för att förbättra känsligheten och tillförlitligheten hos jordfelsskyddet.
• Standardisering och modulariseringUtveckling av standardiserad och modulär neutralpunktsskyddsutrustning för att förenkla design och underhåll.

Sammanfattningsvis är optimering av 110 kV-transformatorns neutralpunktsjordningsmetod och skyddskonfiguration avgörande för att förbättra kraftsystemets säkerhet, tillförlitlighet och ekonomiska drift. Med tekniska framsteg förväntas mer intelligenta och effektiva lösningar dyka upp och få bred tillämpning.