Valg og beskyttelseskonfigurationsoptimering af 110 kV transformatorens neutralpunktsjordingsmetoder

Indledning

I højspændingssystemer er transformerens neutralpunktsjordingsmetode en kritisk faktor, der påvirker systemets sikkerhed, pålidelighed og stabilitet. For 110 kV-strømsystemer påvirker valget af neutralpunktsjordingsmetode direkte udstyrets isolationsniveauer, overspændingsbeskyttelse, relæbeskyttelseskonfiguration og strømforsyningens pålidelighed. I Kina anvender 110 kV-systemer typisk en delvist effektiv jordingsmetode, hvor nogle transformer-nulpunkter er direkte jordede, mens andre forbliver ujordede, med det formål at begrænse enfasede kortslutningsstrømme og samtidig forhindre overspændingstrusler.

Denne artikel analyserer karakteristika, fordele og begrænsninger ved forskellige metoder til jordforbindelse af 110 kV transformere til neutralpunkt, udforsker optimale strategier for beskyttelseskonfiguration og præsenterer fremtidige udviklingstendenser.

1 Vigtige metoder til jordforbindelse af neutrale punkter for 110 kV transformere

1.1 Direkte jordforbindelse

Direkte jordforbindelserefererer til den direkte forbindelse af transformatorens neutralpunkt til jord. Denne metode fastsætter effektivt neutralpunktspotentialet og sikrer, at den ikke-fejlbehæftede fasespændingsstigning ikke overstiger 1,4 gange fasespændingen under en enfaset jordfejl. Dette hjælper med at sænke kravene til udstyrets isolering og reducere omkostningerne.

En betydelig ulempe er imidlertid, at meget høj enfaset jordfejlstrøm(op til flere tusinde ampere), hvilket kan påvirke afbryderens afbrydelseskapacitet og systemets stabilitet. Derfor anvendes direkte jordforbindelse generelt i systemer med 110 kV og højere spænding, hvor hurtig fejlretning er nødvendig.

1.2 Ujordet neutralleder

I en ujordet system, transformatorens neutralpunkt er isoleret fra jorden. Når der opstår en enfaset jordfejl, er fejlstrømmen meget lille (primært systemets kapacitive strøm), hvilket gør det muligt for systemet at fortsætte driften i en kort periode (typisk op til 2 timer). Dette forbedrer markant strømforsyningens pålidelighed.

I ujordede systemer kan enfasede jordfejl dog forårsage, at den ikke-fejlrelaterede fasespænding stiger til netspændingsniveauet. Hvis isoleringen er svag, kan dette føre til nedbrud, der eskalerer til en fase-til-fase-fejl. Derudover kan intermitterende lysbuejording generere bueoverspændinger, der når 3-3,5 gange fasespændingen, hvilket udgør en trussel mod transformerens isolering.

1.3 Jordforbindelse via lille impedans

For at afveje fordele og ulemper ved direkte jordforbindelse og ujordede systemer, impedansjordingsmetodebruges ofte. Dette inkluderer jordforbindelse gennem en lille modstand eller en lille reaktans.

• Jordforbindelse med lille modstandBegrænser fejlstrømmen til flere hundrede ampere, hvilket reducerer påvirkningen på systemet, samtidig med at den muliggør hurtig beskyttelsesdrift. Denne metode undertrykker overspændinger effektivt og er velegnet til kabelintensive distributionsnetværk med store kapacitive strømme.
• Jordforbindelse med lille reaktansKan udligne systemets kapacitive strøm gennem induktiv strøm, hvilket reducerer sandsynligheden for genantændelse af lysbuen. Denne metode betragtes ofte som en kompenseret jordingsmetode.

Jordforbindelse via lav impedans kombinerer fordelene ved både direkte og ujordede systemer og tilbyder overspændingsundertrykkelse og relativt høj strømforsyningspålidelighed. Det bruges i vid udstrækning i 110 kV-systemer, især dem med betydelige kapacitive strømme eller som kræver høj effektkvalitet.

2 Beskyttelseskonfiguration for 110 kV transformatorens neutralpunkter

2.1 Overspændingstrusler

Isolationsniveauet for et 110 kV transformers neutralpunkt er typisk halvisoleret, med en spændingsklassificering på kun en tredjedel af linjeenden. Dette gør neutralpunktet sårbart over for overspændingsskader. Primære overspændingstyper omfatter:

• Overspænding i strømfrekvensOpstår som følge af linjeskift, asymmetriske kortslutninger eller pludseligt belastningstab.
• ResonansoverspændingForårsaget af svingninger på grund af interaktioner mellem induktive og kapacitive elementer under systemdrift eller fejl.
• Skift af overspændingResulterer i omdannelsen af ​​magnetisk og elektrostatisk energi under åbning eller lukning af afbrydere.
• LynoverspændingForårsaget af lynnedslag, karakteriseret ved høj amplitude og kort varighed.

2.2 Almindelige beskyttelsesanordninger

For at beskytte transformatorens nulpunkt anvendes følgende beskyttelsesanordninger almindeligvis:

• OverspændingsafledereDisse begrænser lynnedslag og visse koblingsoverspændinger. Standard overspændingsafledere er dog ofte utilstrækkelige til det lave isolationsniveau i 110 kV transformatorens neutralpunkter, hvilket gør valget udfordrende.
• IsolationshullerDisse beskytter mod overspændinger i netfrekvens og resonans. Når der opstår overspænding, bryder gabet ned, hvilket jorder neutralpunktet for at begrænse spændingsstigningen. En ulempe er vanskeligheden ved præcist at justere gabafstanden, hvilket kan føre til fejlkoordinering af beskyttelsen.
• Parallelforbindelse af overspændingsafleder og mellemrumDette er en udbredt beskyttelsesmetode. Overspændingsaflederen håndterer lynnedslag, mens gabet adresserer netfrekvens- og resonansoverspændinger. Gabet beskytter også overspændingsaflederen mod for høje netfrekvensoverspændinger, der kan forårsage dens svigt. Denne tilgang tilbyder supplerende fordele.

2.3 Konfiguration af relæbeskyttelse

Relæbeskyttelse for et 110kV transformer-nulpunkt omfatter hovedsageligt følgende aspekter:

• NulsekvensstrømbeskyttelseFor direkte jordede transformere er nulsekvensstrømbeskyttelse konfigureret til hurtigt at fjerne jordfejl. Beskyttelsen er normalt opdelt i sektioner med korte tidsforsinkelser til fejllokalisering og længere tidsforsinkelser til udløsning af alle sider af transformeren.
• Nulsekvensspændingsbeskyttelse og mellemrumsstrømsbeskyttelseFor ujordede transformere er der etableret nulsekvensspændingsbeskyttelse og mellemrumsstrømsbeskyttelse. Når en jordfejl får systemet til at miste sit jordpunkt, hvilket fører til en stigning i nulpunktsspændingen, afbrydes mellemrummet. Mellemrumsbeskyttelse eller nulsekvensspændingsbeskyttelse virker med en tidsforsinkelse (0,3-0,5 s) for at udløse transformeren på alle sider.
• Koordinering af backupbeskyttelseFor at sikre selektivitet skal tidsforsinkelser for nulsekvensbeskyttelse koordineres. For eksempel bør tidsforsinkelsen for en backup-beskyttelse på en transformer være længere end tidsforsinkelsen for den linjebeskyttelse, den backuper.

3 optimeringsanbefalinger og caseanalyse

3.1 Begrænsninger ved traditionelle metoder

Mens brugen af overspændingsafledere parallelle med mellemrumer almindelig, har denne tilgang flere mangler:

• Vanskeligheder med valg af overspændingsaflederDet er udfordrende at finde standard overspændingsafledere, der opfylder kravene til både høj kontinuerlig driftsspænding og lav lynimpuls-restspænding til 110 kV transformer-nulpunkter.
• Udfordringer i Gap SettingLuftgabets gennemslagsspænding er underlagt spredning, hvilket gør det vanskeligt nøjagtigt at koordinere gabets drift for "tab af jord" og "med jord" fejltilstande.
• Kompleksiteten af ​​relæbeskyttelseBeskyttelse mod "tab af jord" (såsom nulsekvensoverspændings- og mellemrumsoverstrømsbeskyttelse) kan fungere forkert, hvilket nødvendiggør yderligere blokeringskriterier, hvilket øger kompleksiteten og reducerer pålideligheden.

3.2 Fordele ved jordforbindelse via lille reaktans

Forskning og praksis viser, at jordforbindelse af neutralpunktet via en lille reaktanstilbyder betydelige fordele i forhold til traditionelle metoder til delvis jordforbindelse:

• Reducerede krav til isoleringsniveauEfter at have implementeret jordforbindelse med lav reaktans, kan transformerens neutralpunkts isolationsniveau sænkes fra 35 kV til 20 kV, hvilket fjerner behovet for overspændingsafledere og -gab, og beskyttelseskonfigurationen forenkles.
• Samlet jordforbindelsestilstandDenne metode eliminerer forekomsten af ​​et isoleret, ujordet system, hvilket muliggør forenkling eller udeladelse af relateret beskyttelse og dermed forbedrer pålideligheden.
• Bevarelse af fordeleDen bevarer fordelene ved delvis jordforbindelse, såsom enkel og pålidelig nulsekvensbeskyttelse, samtidig med at den begrænser enfasede kortslutningsstrømme.

3.3 Casestudieanalyse

Et eksempel er en 110 kV transformation af en terminalstation. Det oprindelige design brugte en overspændingsafleder parallelt med et mellemrumtil beskyttelse af neutralpunktet. Efter at have indført jordforbindelse med lav reaktans blev kravet til isolationsniveau for transformerens neutralpunkt dog reduceret, beskyttelsesanordningerne blev forenklet, og driftssikkerheden blev forbedret. Beregninger viste, at jordingsmodstanden kunne begrænse fejlstrømmen til et par hundrede ampere, og at nulsekvensbeskyttelsen let kunne koordineres.

Et andet tilfælde involverede en fejl i en 110 kV transformerstation, hvor en transient enfaset jordfejl på den indgående linje førte til et neutralpunktsafbrydelse og en transformerudløsning. Analysen viste, at selvom linjefejlen var transient, feedback fra et stort antal asynkronmotorerpå lastsiden leverede energi til lysbuen, hvilket opretholdt fejlen. Dette understreger, at for transformere med betydelige motorbelastninger (ækvivalente kilder) er fuldstændig neutralpunktsbeskyttelse, herunder nulsekvensoverstrømsbeskyttelse, mellemrumsstrømsbeskyttelse og nulsekvensspændingsbeskyttelse, afgørende i designfasen.

4 Konklusion og fremtidsudsigter

Valg af 110 kV transformerens neutralpunktsjordingsmetode og dens beskyttelseskonfiguration er en mangesidet opgave, der kræver hensyntagen til systemstruktur, belastningskarakteristika og pålidelighedskrav. Mens den traditionelle delvise jordingsmetode kombineret med overspændingsafledere og afledergab er almindelig, står den over for udfordringer i forbindelse med valg af enhed og koordinering af indstillinger. jordingsmetode med lille reaktanstilbyder et lovende alternativ, der potentielt sænker isoleringskravene, forenkler beskyttelsen og forbedrer pålideligheden.

Fremtidige udviklingstendenser vil fokusere på følgende områder:

• Anvendelse af nye enhederSåsom kompositgab eller kontrollerbare gab, der anvendes parallelt med overspændingsafledere, hvilket forbedrer beskyttelsens pålidelighed og nøjagtighed.
• Digital beskyttelsesteknologiBrug af mikrocomputerbaseret beskyttelse med avancerede algoritmer (f.eks. bølgeformidentifikation, harmonisk analyse) for at forbedre følsomheden og pålideligheden af ​​jordfejlsbeskyttelse.
• Standardisering og modulariseringUdvikling af standardiseret og modulært neutralpunktbeskyttelsesudstyr for at forenkle design og vedligeholdelse.

Kort sagt er optimering af 110 kV-transformatorens neutralpunktsjordingsmetoder og beskyttelseskonfiguration afgørende for at forbedre elsystemets sikkerhed, pålidelighed og økonomiske drift. Med teknologiske fremskridt forventes der at dukke mere intelligente og effektive løsninger op og få udbredt anvendelse.