110 kV маслен трансформатор с потопена в масло конструкция и система за заземяване на неутралната точка

A110 kV маслен силов трансформатор изпълнява критична роля при преобразуването на напрежението и преноса на електроенергия в големи обеми. Трансформаторът обаче не може да се разглежда изолирано от заземителната схема на електрическата мрежа.

Системата за заземяване на неутралната точка на трансформатора влияе върху:

• Ток при повреда към земя
• Временни и преходни прекомерни напрежения
• Чувствителността и селективността на защитата
• Изискванията към изолацията на трансформатора
• Стабилност на системата
• Безопасността на персонала и оборудването

Поради тази причина заземяването на неутралната точка не е просто избор на аксесоар. То трябва да бъде координирано с начина на свързване на намотките на трансформатора, философията на заземяване на системата, нивото на изолация, схемата за защита и заземителната мрежа на подстанцията.

Тази статия обяснява основните функции, компоненти и инженерни аспекти на система за заземяване на неутралната точка за трансформатор с маслено охлаждане и номинално напрежение 110 kV.

Важно: Подходящият метод за заземяване на неутралната точка трябва да бъде определен от оператора на системата и квалифицирани инженери по електроенергийни системи. Той не трябва да се избира единствено въз основа на номиналното напрежение на трансформатора.

Какво представлява неутралната точка на трансформатор 110 kV?

Когато намотката на трифазен трансформатор е свързана в звезда (wye), трите края на намотките се съединяват в обща точка. Това съединение се нарича неутрална точка и обикновено се обозначава с буквата N.

Неутралната точка осигурява референтна точка за фазово-земните напрежения. Въпреки това не трябва да се предполага, че потенциалът ѝ винаги е нула.

При нормална балансирана работа напрежението ѝ спрямо земята може да е близо до нула. При земен пробой, комутационно събитие, ферорезонанс или друго несиметрично състояние напрежението на неутралната точка може значително да се измести.

Неутралният терминал и неговата изолация следователно трябва да бъдат проектирани според:

• Свързване на намотките
• Избраният метод за заземяване
• Проектиране на изолацията на трансформатора
• Очаквани временни прекомерни напрежения
• Мълнии и прекомерни напрежения при превключване
• Време за действие на защитата
• Изследване на координацията на изолацията на системата

IEC 60076-3 определя изискванията към изолацията на трансформаторите, диелектричните изпитания и външните разстояния за отделните намотки и терминали.

Какво е Трансформатор Заземяване на неутрала?

Заземяването на неутралната точка на трансформатора е преднамерено свързване на неутралната точка на звезден намотка към земята.

В зависимост от конструкцията на мрежата неутралната точка може да бъде:

• Системи със заземяване чрез непосредствено свързване
• Заземена чрез резистор
• Заземена чрез реактор
• Заземена чрез друг импеданс
• Свързана чрез заземителен трансформатор
• Работеща без заземяване при определени условия
• Превключвана между заземено и незаземено състояние според одобрен режим на работа

Методът на заземяване определя големината и поведението на тока в нулевата последователност по време на фазово-земен късо съединение. Той също влияе върху временния прекомерен напрежение, работата на релета и изолационното напрежение, приложено върху трансформатора и свързаното оборудване.

IEEE C62.92 описва основните съображения, използвани за избор на параметрите за заземяване на неутралната точка с цел контролиране на тока при земно късо съединение и прекомерното напрежение в електрическите системи на енергийните компании. Ръководството му за преносни системи също засяга заземяването на неутралната точка на трансформаторите и специфицирането на заземително оборудване.

Защо един трансформатор от 110 kV изисква правилно уредено заземяване на неутралната точка?

1. Контролиране на тока при повреда към земя

Когато възникне повреда между фаза и земя, уреденото заземяване определя пътя за връщане и големината на тока при нулевата последователност.

Заземяването с непосредствено свързване на неутралната точка може да позволи висок ток при повреда към земя, което дава възможност на защитните устройства бързо да регистрират и отстранят повредата. Заземяването чрез импеданс ограничава тока до предварително изчислена стойност, като все пак осигурява измерим сигнал за целите на защитата.

Правилният метод зависи от нивото на повреден ток в мрежата, проекта на защитата и експлоатационните изисквания.

2. Ограничаване на временния прекомерен напрежение

В незаземена или недостатъчно заземена система еднофазна повреда към земя може да доведе до повишаване на напрежението между здравите фази и земята. Това може да подложи на по-голямо напрежение терминалите на трансформатора, кабелите, превключващото оборудване и други устройства.

Правилно проектираното заземяване помага за контролиране на изместването на неутралната точка и на временното прекомерно напрежение.

3. Защита на изолацията на неутралния проводник на трансформатора

Някои трансформатори използват стъпенчена изолация, което означава, че нивото на изолация в близост до неутралния край на намотката е по-ниско от това при линейния терминал. Такъв неутрален проводник не трябва да бъде подложен на напрежение, превишаващо зададеното му ниво на изолация.

Дали се използва стъпенчена изолация, трябва да се потвърди от проекта и табелката на трансформатора – не се предполага само въз основа на номиналното напрежение.

Защитата на изолацията на неутралния проводник може да изисква координация между:

• Заземяващият прекъсвач
• Уред за защита от пренапрежение
• Защитният интервал
• Токовият трансформатор за неутралния проводник
• Диференциалната защита на трансформатора
• Ограничена земна повреда (REF) защита
• Нулево-последователностна токова защита
• Неутрална защита срещу прекомерно напрежение

4. Поддържане на селективна защита

Известната нулева последователност на тока позволява на защитните реле да различават земни повреди от нормалния товарен ток и други системни условия.

В зависимост от философията на защитата токът в неутрала може да се измерва за:

• Земна повреда – защита от токов претоварване
• Ограничена земна повреда (REF) защита
• Диференциалната защита на трансформатора
• Мониторинг на неуравновесеност в неутрала
• Откриване на ток през защитен интервал

Настройките на защитата трябва да се базират на проучване за късо съединение и координация на защитата.

5. Подобряване на стабилността на системата и управлението на повреди

Бързото и селективно изолиране на повредата намалява термичното и механичното напрежение върху трансформатора и ограничава риска от локална повреда да се разрасне до по-голямо системно нарушение.

Заземяването не елиминира повредите. Целта му е да контролира техните електрически ефекти и да позволи на системата за защита да реагира както е проектирано.

Основни компоненти на системата за заземяване на неутралната точка на трансформатор

Разположението за заземяване на неутралната точка на трансформатор 110 kV може да включва няколко компонента. Точната конфигурация варира според проекта.

1. Превключвател за заземяване на неутралната точка

Превключвателят за заземяване на неутралната точка осигурява контролиран метален връзка между неутралната точка на трансформатора и системата за заземяване на подстанцията.

Той може да се управлява ръчно или електрически и може да включва индикация на положението, блокировки и интерфейси за дистанционно управление.

Изискваните му параметри могат да включват:

• Най-високо напрежение на системата
• Постоянен ток, когато е приложимо
• Ток на кратковременна издръжливост
• Пиков ток на издържане
• Ниво на изолация
• Механична издръжливост
• Операционен механизъм
• Опазване на околната среда
• Изисквания към помощните контакти

Положението на превключвателя трябва да се регулира от одобрената експлоатационна процедура. Операторите не трябва да предполагат, че неутралът винаги трябва да бъде заземен или винаги прекъснат.

Превключването на неутрала на трансформатора променя нулевата последователност на импеданса на мрежата и може да повлияе на:

• Ток при земно късо съединение
• Чувствителността на релетата
• Временни прекомерни напрежения
• Работата на трансформатори в паралел
• Координация на защитата

Следователно това трябва да се разглежда като операция на системата, а не като изолирано механично действие.

2. Проводник за заземяване на неутрала

Заземяващият проводник свързва неутралния терминал, заземяващия превключвател и заземителната мрежа на подстанцията.

Той трябва да бъде проектиран за изчислената стойност на тока при повреда и времето за изключване. Проектът му трябва също да взема предвид:

• Топлова устойчивост
• Електродинамични сили
• Механична защита
• Корозия
• Надеждност на връзката
• Маршрутизация и разстояния
• Достъп за инспекция и поддръжка

Когато са необходими резервни заземяващи проводници, те трябва да се свързват към подходящо отделени точки в заземителната мрежа в съответствие с одобрената проектирана подстанция.

Броят, материалът и напречното сечение на проводниците трябва да отговарят на проектната спецификация и местните стандарти.

3. Заземителна мрежа на подстанцията

Заземителната мрежа разпределя тока при повреда в земята и създава еквипотенциална референтна точка за подстанцията.

Проектирането ѝ трябва да взема предвид повече от една стойност на земното съпротивление. Важни фактори включват:

• Максимален ток при земна повреда
• Продължителност на повредата
• Резистентност на почвата
• Геометрия на мрежата
• Топлинна номинална стойност на проводника
• Стъпково напрежение
• Допирно напрежение
• Пренесено потенциално напрежение
• Характеристики на повърхностния слой
• Резерв за корозия
• Свързаност с конструкции на оборудването и огради

Универсалното изискване „съпротивлението на заземяването винаги трябва да е по-малко от 4 Ω“ не трябва да се прилага за всяка 110 kV подстанция. Допустимото проектиране трябва да бъде определено чрез изследване на заземяването и приложимите национални или търговски изисквания.

4. Нейтрален предпазител от пренапрежения

Предпазител от пренапрежения с метален оксид може да бъде инсталиран между неутралния полюс на трансформатора и земята, за да се ограничат определени преходни пренапрежения.

По време на нормална работа предпазителят показва високо съпротивление. Когато пренапрежението надвиши неговата защитна характеристика, той провежда импулсния ток и ограничава напрежението, приложено към изолацията на неутрала.

Изборът на предпазител изисква координация на:

• Продължително работно напрежение
• Номинално Напрежение
• Способност за издръжане на временни пренапрежения
• Номинален ток за разтоварване
• Енергийна способност
• Остатъчно напрежение
• Ниво на изолация на неутрала на трансформатора
• Състояние на заземяване на системата

IEC 60099-4 се отнася за безпробойни металоксидни предпазители за импулсни токове, използвани за ограничаване на импулсите в променливотокови системи над 1 kV. IEC 60099-4

Предпазителят не трябва да се избира само според номиналното системно напрежение на трансформатора. Неутралът може да изпитва различно напрежение в сравнение с линейните терминали.

5. Неутрален защитен интервал

Може да се монтира защитен въздушен интервал между неутралния проводник на трансформатора и земята. При нормални условия той остава непроводим. Ако напрежението на неутралния проводник достигне стойността на пробивното напрежение на интервала, въздушният интервал се пробива и осигурява път за разряд.

Във веригата на интервала може да се монтира трансформатор за ток, така че токът през интервала да активира сигнал за тревога или изключване.

Интервалът изисква внимателно координиране, тъй като неговото поведение се влияе от:

• Формата на електродите
• Разстоянието между електродите
• Плътност на въздуха
• Височина
• Влажността и замърсяването
• Геометрията на монтажа
• Напрежението с честота на електроенергийната мрежа
• Импулсно напрежение
• Нивото на изолация на неутралния проводник

Защитните промеждутъци могат да проявяват по-голямо разсейване на пробивното напрежение в сравнение с металоксидните предпазители.

Настройката на промеждутъка следователно трябва да се определя чрез изследвания за координация на изолацията и защита, а не чрез копиране на стандартно физическо разстояние от друг проект.

6. Трансформатор за ток в неутралната верига

Трансформатор за ток в неутралната верига може да осигурява сигнали за измерване за защита на трансформатора и срещу земни повреди.

Възможни приложения включват:

• Защита от надток в неутралната верига
• Ограничена земна повреда (REF) защита
• Диференциалната защита на трансформатора
• Откриване на ток през защитен интервал
• Регистриране на събития

Неговото съотношение, клас, напрежение в коляното, натоварване и номинален ток при кратковременна работа трябва да съответстват на релейната схема и изчислената аварийна мощност.

7. Броач на импулсни пренапрежения и монитор на токове на изтичане

Броачът на импулсни пренапрежения регистрира случаите на разряд през предпазителя срещу импулсни пренапрежения. Някои устройства също предоставят индикация за токовете на изтичане.

Увеличаването на броя на операциите на броача не доказва автоматично, че предпазителят е дефектен. То показва, че са възникнали случаи на разряд и трябва да се оценява заедно с:

• Записи на нарушения в системата
• Гърмови явления
• Превключвателни събития
• Тенденции в тока на изтичане
• Температура на предпазителя от пренапрежение
• Физическо състояние
• Критерии за инспекция от производителя

Връзката към брояча трябва да остава кратка, директна и правилно заземена, тъй като излишната дължина на проводника може да намали защитната ефективност.

Как работят заедно предпазителят от пренапрежение и защитният интервал?

Когато и двете устройства са инсталирани, нейтралният предпазител от пренапрежение и защитният интервал обикновено осигуряват допълваща защита.

Уред за защита от пренапрежение

Предпазителят от пренапрежение се избира предимно за ограничаване на преходните свръхнапрежения, като се поддържа предсказуемо защитно ниво.

Защитният интервал

Пробивният интервал може да осигури резервна защита или да реагира при определени временни или честотни пренапрежения, в зависимост от схемата.

Тяхното съгласуване трябва да гарантира, че:

• Предпазителят защитава трансформатора в рамките на неговата енергийна способност.
• Пробивният интервал не се задейства ненужно при обичайните преходни процеси.
• Пробивният интервал се задейства преди изолацията на неутралния проводник да бъде прекомерно напрегната при условията, за които е проектиран.
• Релейната защита изключва всеки честотен следващ ток.
• Предпазителят не е изложен на недопустимо временно пренапрежение.

Неточно е твърдението, че предпазителят и пробивният интервал винаги действат в фиксирана последователност. Тяхната реакция зависи от формата на напрежението, продължителността му, защитните характеристики и конфигурацията на системата.

Съгласуването на изолацията трябва да следва принципите на IEC 60071-1, който регулира избора на номинални издръжливи напрежения за изолацията между фаза и земя, между фази и надлъжна изолация в променливотокови системи над 1 kV. IEC 60071-1

Често използвани методи за заземяване на неутралната точка

Непосредствено заземяване

Неутралната точка е свързана със земята чрез път с много ниско импеданс.

Типични характеристики:

• Висок ток при повреда към земята
• Явна референтна нулева последователност
• Бързо откриване на повреди
• По-ниско временно пренапрежение
• По-високи изисквания към способността за изключване на повреди

Заземяване чрез резистор

Резистор за заземяване на неутралната точка ограничава тока при повреда към земята до изчислено ниво.

Типични характеристики:

• Намалено повреждане на оборудването по време на земни повреди
• Контролирана защитна токова сила
• Определена термична товароподемност за резистора
• Необходимост от наблюдение на температурата и непрекъснатостта на резистора

Заземяване чрез реактор

Реакторът за заземяване ограничава тока чрез индуктивно съпротивление.

Типични характеристики:

• Намален ток при земна повреда
• Специфично за системата нулево-последователно поведение
• Необходимост от подробни преходни и защитни изследвания

Резонансно заземяване

Реакторът се настройва, за да компенсира капацитета на мрежата при повреда към земя.

Тази конфигурация по-често се свързва с определени мрежи за средно напрежение и не трябва да се приема като приложима за намотка от 110 kV без специално проучване на системата.

Селективно заземяване на неутрала

В подстанции с трансформатори, работещи паралелно, операторът на системата може да заземи избрани неутрални точки на трансформаторите, за да контролира нулевата последователност на тока и ефективността на защитата.

Отварянето или затварянето на един неутрален прекъсвач променя заземителното състояние на цялата свързана система. Затова са задължителни блокиращи устройства и експлоатационни процедури.

Защо е важно заземяването на неутрала по време на включване и изключване?

Превключването на трансформатор може да генерира преходни и временни прекомерни напрежения. Състоянието на неутрала по време на включване или изключване може да повлияе върху напрежението, приложено към намотка със стъпаловидна изолация.

Някои служебни процедури изискват затваряне на прекъсвача за заземяване на неутралната точка преди включване или изключване на трансформатор. Това обаче не трябва да се представя като универсално правило.

Правилната последователност на превключване зависи от:

• Конструкцията на изолацията на трансформатора
• Разположението на прекъсвачите
• Броя на трансформаторите, работещи успоредно
• Конфигурацията на заземяването на системата
• Настройките на защитните устройства
• Номиналните стойности на предпазителите срещу пренапрежения
• Експлоатационните правила на електроснабдителя
• Резултатите от изследванията на превключването и изолацията

Операторите трябва да следват одобрената инструкция за превключване за конкретната подстанция.

Чеклист за инспекция и поддръжка

Поддръжката трябва да се извършва от упълномощен персонал в съответствие с електрическите процедури за безопасност на обекта.

Превключвател за заземяване на неутрала

Проверка на:

• Индикация на отворено и затворено положение
• Механично съосване
• Състояние на контакт
• Операционен механизъм
• Моторни и управляеми вериги
• Помощни контакти
• Пантови
• Чистота и цялостност на изолаторите
• Признаци на прегряване или разряд

Заземителни проводници

Инспектирайте за:

• Разхлабени или повредени връзки
• Счупени жили или пукнати проводници
• Корозия
• Аномално затопляне
• Недостатъчни разстояния
• Механични повреди
• Несанкционирани модификации

Уред за защита от пренапрежение

Проверка на:

• Състояние на порцелановата или полимерната корпусна част
• Замърсяване и следи от разряд
• Затегнатост на терминала
• Маршрут на заземяващия проводник
• Показания на буревия брояч
• Индикация на токовете на изтичане, когато е налична
• Диагностични резултати, предписани от производителя

Защитният интервал

Проверете:

• Състояние на електродите
• Правилно разстояние между контактите
• Приспособяване
• Повърхностно замърсяване
• Доказателства за предишно разреждане
• Връзки на трансформатори за ток
• Разстояния до съседно оборудване

Заземителна мрежа

Извършете инспекции и изпитания според плана за поддръжка на подстанцията, включително:

• Непрекъснатост на връзките
• Измервания на заземително съпротивление или импеданс
• Оценка на състоянието на почвата
• Преглед на стъпковото и докосвателното напрежение след големи модификации
• Оценка на корозията
• Потвърждаване на новосвързаното оборудване

Чести проблеми и тяхното последствие

Неправилно положение на заземяващия превключвател

Неправилно положение на превключвателя може да промени тока при земно късо съединение и да направи недействителна координацията на релетата.

Лошо свързан неутрален проводник

Връзка с високо съпротивление или преривиста връзка може да предизвика затопляне, дъгов разряд и непредсказуемо напрежение в неутралния проводник.

Недостатъчно дебел заземяващ проводник

Проводник с недостатъчна термична или механична устойчивост може да се повреди по време на земно късо съединение с висок ток.

Неправилна класификация на устройството за защита от пренапрежения

Арестиер с недостатъчна способност за издръжливост при временни пренапрежения може да се прегрее или да излезе от строя. Твърде високо защитно ниво може да остави неутралната точка на трансформатора недостатъчно защитена.

Замърсен или неправилно настроен защитен интервал

Замърсяване, надморска височина или неправилно разстояние могат да променят напрежението на пробив и да предизвикат преждевременно задействане или невключване.

Несъгласувани защитни настройки

Дори правилно инсталираната заземителна система не може да осигури ефективна защита, ако функциите на свързаните релейни устройства са неправилно избрани или настроени.

Инженерна информация, необходима за персонализиран проект

Преди определяне на трансформатор и комплект за заземяване на неутралната точка за 110 kV производителят трябва да получи:

• Номинално напрежение на системата и най-високо напрежение за оборудването
• Честота на системата
• Номинална мощност на трансформатора
• Напрежение на навивката и начин на свързване
• Векторна група
• Изолационно ниво на неутралната точка
• Изискване за пълна или ступенчата изолация
• Максимален и минимален ток при земно късо съединение
• Време за отстраняване на повредата
• Философия на заземяването
• Условия за паралелна работа на трансформатори
• Еднолинейна диаграма на защитата
• Режим на работа на предпазителите срещу пренапрежения
• Алтитюда на обекта и ниво на замърсяване
• Температура на околната среда
• Сейсмични и климатични изисквания
• Приложими стандарти на IEC, IEEE, национални или от електроснабдителни компании

Тези параметри определят подходящите номинални стойности на оборудването и проекта на интерфейса.

Персонализирани трансформаторни решения за 110 kV от Dingxin Electric

Dingxin Electric произвежда персонализирани маслени силови трансформатори и съответстващи аксесоари за трансформатори за проекти в енергоснабдителния сектор, промишлеността, възобновяемите енергийни източници и инфраструктурата.

Нашите инженери могат да конфигурират:

• Номинална мощност и напрежение
• Импеданс на трансформатора
• Векторна група
• Диапазон на стъпките и подредба на устройството за регулиране под товар (OLTC)
• Пълна или ступенчата изолация
• Неутрални терминали и заземителни интерфейси
• Интерфейси за прекъсвачи за заземяване
• Трансформатори за неутрален ток
• Устройства за предпазни разрядни пръти и защитни промеждутъци
• Аксесоари за мониторинг и защита
• Система за охлаждане
• Пробкови изолатори и кабелни интерфейси
• Приложими изисквания по IEC, IEEE или специфични за проекта

Обсъдете своя проект за трансформатор 110 kV

Търсите ли персонализиран маслен трансформатор 110 kV или координирано решение за заземяване на неутрала?

Изпратете на Dingxin Electric вашата еднолинейна схема, номиналната мощност на трансформатора, напрежението, метода на системно заземяване, нивото на изолация на неутрала, тока при повреда, условията на мястото и приложимите стандарти.

Свържете се с Dingxin Electric за предложение за трансформатор, специфично за проекта, и технически преглед.