systém uzemnění neutrály olejem chlazeného transformátoru 110 kV

Aolejem chlazený výkonový transformátor 110 kV hraje klíčovou roli při přeměně napětí a přenosu velkých množství elektrické energie. Transformátor však nelze posuzovat odděleně od uzemňovacího uspořádání elektrické sítě.

Systém uzemnění neutrály transformátoru ovlivňuje:

• Proud zemní poruchy
• Dočasné a přechodné přepětí
• Citlivost a selektivitu ochrany
• Požadavky na izolaci transformátoru
• Stabilita systému
• Bezpečnost personálu a zařízení

Z tohoto důvodu není uzemnění neutrály pouhým výběrem doplňku. Musí být koordinováno s připojením vinutí transformátoru, filozofií uzemnění soustavy, úrovní izolace, ochranným schématem a uzemňovací mříží podstanice.

Tento článek vysvětluje hlavní funkce, komponenty a inženýrské aspekty systému uzemnění středu pro olejem chlazený transformátor 110 kV.

Důležité: Příslušnou metodu uzemnění středu musí určit provozovatel soustavy a kvalifikovaní inženýři elektrických sítí. Nesmí být vybrána pouze na základě napěťového označení transformátoru.

Co je neutrální bod transformátoru 110 kV?

Pokud je vinutí třífázového transformátoru spojeno do hvězdy (Y), jsou tři konce vinutí spojeny v jednom společném bodě. Toto spojení se nazývá neutrální bod a obvykle se označuje písmenem N.

Neutrální bod poskytuje referenční bod pro fázová napětí vzhledem k zemi. Avšak nesmí se předpokládat, že jeho potenciál je vždy nulový.

Během normálního vyváženého provozu může být jeho napětí vzhledem k zemi blízké nule. Při zemní poruše, spínací události, ferorezonanci nebo jiné nevyvážené podmínce se napětí neutrálního bodu může výrazně posunout.

Neutrální svorka a její izolace musí být proto navrženy podle:

• Připojení vinutí
• Zvolená metoda uzemnění
• Návrh izolace transformátoru
• Očekávané dočasné přepětí
• Bleskové a komutační přepětí
• Doba reakce ochrany
• Studie koordinace izolace systému

IEC 60076-3 stanovuje požadavky na izolaci transformátoru, dielektrické zkoušky a vnější vzdálenosti pro jednotlivá vinutí a svorky.

Co je Transformátor Uzemnění neutrály?

Uzemnění neutrálu transformátoru je úmyslné spojení neutrálu hvězdově zapojeného vinutí se zemí.

V závislosti na návrhu sítě může být neutrální bod:

• Přímo uzemněné
• Uzemněn přes odpor
• Uzemněn přes reaktor
• Uzemněn přes jinou impedanci
• Připojen přes uzemňovací transformátor
• Provozován bez uzemnění za stanovených podmínek
• Přepínán mezi uzemněným a neuzemněným stavem v rámci schváleného provozního režimu

Způsob uzemnění určuje velikost a chování nulové posloupnosti proudu při poruše fáze proti zemi. Ovlivňuje také dočasné přepětí, činnost relé a izolační zatížení transformátoru a připojeného zařízení.

IEEE C62.92 popisuje základní kritéria používaná pro výběr parametrů uzemnění neutrálu s cílem omezit poruchový proud a přepětí v distribučních soustavách. Pokyny pro přenosové soustavy v této normě se rovněž týkají uzemnění neutrálu transformátoru a specifikace uzemňovacího zařízení.

Proč potřebuje transformátor 110 kV správné uzemnění neutrálu?

1. Omezení zemní poruchové proudové složky

Při vzniku poruchy mezi fází a zemí určuje uzemnění návratovou cestu a velikost nulové poruchové proudové složky.

Neutrální bod přímo uzemněný umožňuje vysoký zemní poruchový proud, čímž umožňuje ochranným zařízením poruchu rychle detekovat a odstranit. Uzemnění přes impedanci omezuje proud na vypočtenou hodnotu, přičemž stále poskytuje měřitelný signál pro ochranu.

Správná metoda závisí na úrovni poruchového proudu v síti, návrhu ochrany a provozních požadavcích.

2. Omezení dočasného přepětí

V izolované nebo nedostatečně uzemněné soustavě může jednofázová zemní porucha způsobit zvýšení napětí mezi neporušenými fázemi a zemí. To může vést k vyššímu namáhání izolace transformátorových svorek, kabelů, rozvaděčů a dalších zařízení.

Správně navržené uzemnění pomáhá ovládat posun neutrálu i dočasné přepětí.

3. Ochrana izolace neutrálu transformátoru

Některé transformátory používají stupňovanou izolaci, což znamená, že úroveň izolace v blízkosti neutrálního konce vinutí je nižší než u přívodního svorkovnice. Takový neutrální bod nesmí být vystaven napěťovému namáhání přesahujícímu jeho přiřazenou úroveň izolace.

Zda se používá stupňovaná izolace, musí být potvrzeno na základě konstrukce transformátoru a údajů na typovém štítku – nesmí být předpokládáno pouze na základě napěťového označení.

Ochrana izolace neutrálu může vyžadovat koordinaci mezi:

• Uzemňovacím spínačem
• Ochranný přepěťový zařízení
• Ochrannou mezerou
• Neutrálním proudovým transformátorem
• Diferenční ochrana transformátoru
• Omezenou ochranou proti zemní poruše
• Nulovosekvencní nadproudovou ochranou
• Ochranou neutrálu proti přepětí

4. Podpora selektivní ochrany

Známá cesta nulového sériového proudu umožňuje ochranným relé rozlišit zemní poruchy od normálního zátěžového proudu a jiných provozních stavů soustavy.

V závislosti na filozofii ochrany může být proud v neutrále měřen pro:

• Přetěžovací ochranu proti zemnímu poruchovému proudu
• Omezenou ochranou proti zemní poruše
• Diferenční ochrana transformátoru
• Monitorování nerovnováhy v neutrále
• Detekci proudu přes ochrannou mezeru

Nastavení ochrany musí být založena na studii zkratových poměrů a koordinace ochran.

5. Zlepšení stability soustavy a řízení poruch

Rychlé a selektivní izolování poruchy snižuje tepelné i mechanické namáhání transformátoru a omezuje riziko přeměny místní poruchy na širší poruchu celé soustavy.

Uzemnění nepotlačuje poruchy. Jeho účel je ovládat jejich elektrické účinky a umožnit ochrannému systému reagovat tak, jak byl navržen.

Hlavní součásti systému uzemnění středu transformátoru

Uzemnění středu transformátoru 110 kV může zahrnovat několik součástí. Přesné uspořádání se liší podle projektu.

1. Uzemňovací spínač středu

Uzemňovací spínač středu zajišťuje řízené kovové spojení mezi středem transformátoru a uzemňovacím systémem rozvoden.

Může být ovládán ručně nebo elektricky a může obsahovat indikaci polohy, závazné blokování a rozhraní pro dálkové ovládání.

Jeho požadované parametry mohou zahrnovat:

• Nejvyšší napětí soustavy
• Trvalý proud, je-li použitelné
• Krátceodbojné proudové zatížení
• Maximální výdržný proud
• Úroveň izolace
• Mechanická odolnost
• Ovládací mechanismus
• OCHRANA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ
• Požadavky na pomocné kontakty

Poloha spínače musí být řízena schváleným provozním postupem. Obsluha nesmí předpokládat, že střed musí být vždy uzemněn nebo vždy odpojen.

Přepínání středu transformátoru mění nulovou sériovou impedanci sítě a může ovlivnit:

• Proudový zemní poruchový proud
• Citlivost relé
• Dočasné přepětí
• Paralelní provoz transformátorů
• Koordinace ochran

Mělo by se proto považovat za provoz systému, nikoli za izolovanou mechanickou akci.

2. Vodič uzemnění neutrálu

Uzemňovací vodič spojuje neutrální svorku, uzemňovací spínač a uzemňovací mřížku podstanice.

Musí být dimenzován pro vypočtený poruchový proud a dobu odpojení. Jeho návrh musí také zohledňovat:

• Tepelnou odolnost
• Elektrodynamické síly
• Mechanickou ochranu
• Korozce
• Spolehlivost připojení
• Trasování a vzdálenosti
• Přístup pro kontrolu a údržbu

Tam, kde jsou vyžadovány záložní uzemňovací vodiče, musí být připojeny k vhodně odděleným bodům uzemňovací sítě v souladu s povoleným návrhem rozvodny.

Počet, materiál a průřez vodičů musí odpovídat specifikaci projektu a místním normám.

3. Uzemňovací síť rozvodny

Uzemňovací síť rozptýlí poruchový proud do země a vytvoří ekvipotenciální referenční bod pro rozvodnu.

Při jejím návrhu je třeba zohlednit více než pouze jednu hodnotu odporu vůči zemi. Důležitými faktory jsou:

• Maximální zemní poruchový proud
• Doba poruchy
• Rezistivita půdy
• Geometrie sítě
• Tepelné zařazení vodičů
• Krokové napětí
• Dotykové napětí
• Převedený potenciál
• Vlastnosti povrchové vrstvy
• Korozní přídavek
• Připojení ke konstrukcím zařízení a oplocení

Univerzální požadavek, jako je například „odpor uzemnění musí být vždy nižší než 4 Ω“, nesmí být uplatňován na každou 110 kV rozvodnu. Přijatelné řešení musí být stanoveno studií uzemnění a příslušnými národními nebo provozními požadavky.

4. Ochranný jiskřiště neutrálu

Mezi neutrálu transformátoru a zemi lze instalovat jiskřiště s oxidovou vrstvou k omezení specifikovaných přechodných přepětí.

Během normálního provozu jiskřiště vykazuje vysokou impedanci. Pokud přepětí překročí jeho ochrannou charakteristiku, začne vést proud blesku a omezuje napětí působící na izolaci neutrály.

Výběr jiskřiště vyžaduje koordinaci následujících parametrů:

• Nominální pracovní napětí
• Jmenovité napětí
• Schopnost odolat dočasnému přepětí
• Jmenovitý výbojový proud
• Energetická kapacita
• Ostatní napětí
• Úroveň izolace neutrálu transformátoru
• Podmínky uzemnění soustavy

IEC 60099-4 se vztahuje na bezmezerové kovovooksidové přepěťové ochrany používané k omezení přepětí v střídavých soustavách nad 1 kV. IEC 60099-4

Přepěťovou ochranu nesmí být vybírána pouze na základě jmenovitého napětí soustavy transformátoru. Na neutrálu se může vyskytovat jiné napěťové zatížení než na fázových svorkách.

5. Ochranná mezera na neutrálu

Mezera pro ochranu vzduchem může být připojena mezi neutrálem transformátoru a zemí. Za normálních podmínek zůstává nevodivá. Pokud napětí na neutrálu dosáhne úrovně výboje mezery, dojde k průrazu vzduchové mezery a vytvoří se cesta pro vybíjení.

Do obvodu mezery lze instalovat proudový transformátor, aby proud procházející mezerou spustil poplach nebo vypínací signál.

Mezera vyžaduje pečlivou koordinaci, protože její chování ovlivňují:

• Tvar elektrody
• Vzdálenost mezi elektrodami
• Hustota vzduchu
• Nadmořská výška
• Vlhkost a znečištění
• Geometrie instalace
• Napětí síťové frekvence
• Impulsní napětí
• Úroveň izolace neutrálu

Ochranné mezery mohou vykazovat větší rozptyl přepětí než varistory na bázi oxidu kovu. Jejich činnost může také vyvolat oříznuté impulzy a následný síťový proud.

Nastavení mezery musí proto být určeno studiemi koordinace izolace a ochrany, nikoli prostým převzetím standardní fyzické vzdálenosti z jiného projektu.

6. Proudový transformátor neutrálu

Proudový transformátor v neutrálovém připojení může poskytnout měřicí signály pro ochranu transformátoru a zemní poruchy.

Možné aplikace zahrnují:

• Neutrální ochrana proti přetížení proudem
• Omezenou ochranou proti zemní poruše
• Diferenční ochrana transformátoru
• Detekci proudu přes ochrannou mezeru
• Záznam událostí

Jeho poměr, třída, napětí kolena charakteristiky, zátěž a hodnota krátkodobého proudu musí odpovídat schématu relé a vypočtené zátěži při poruchovém stavu.

7. Počítadlo přepěťových výbojů a monitor unikajícího proudu

Počítadlo přepěťových výbojů zaznamenává výbojové události prostřednictvím přepěťového omezovače. Některá zařízení také poskytují indikaci unikajícího proudu.

Zvýšení počtu operací počítadla automaticky neznamená, že je omezovač vadný. Ukazuje pouze, že došlo k výbojovým událostem, a mělo by být vyhodnoceno společně s:

• Záznamy poruch v síti
• Bouřkovou aktivitou
• Spínacími událostmi
• Trendy unikajícího proudu
• Teplotou omezovače
• Fyzický stav
• Kritéria pro kontrolu výrobcem

Připojení čítače musí zůstat krátké, přímé a řádně uzemněné, protože nadměrná délka vodičů může snížit ochranný účinek.

Jak spolu pracují přepěťový ochranný prvek a ochranná mezeru?

Pokud jsou oba prvky nainstalovány, poskytují neutrální přepěťový ochranný prvek a ochranná mezera obvykle doplňkovou ochranu.

Ochranný přepěťový zařízení

Přepěťový ochranný prvek je primárně vybírán tak, aby omezil přechodné přepětí a zároveň udržel předvídatelnou úroveň ochrany.

Ochrannou mezerou

Ochranná mezera může poskytnout záložní ochranu nebo reagovat za určitých dočasných nebo síťových přepětí, v závislosti na konkrétním uspořádání.

Jejich koordinace musí zajistit, že:

• Přepěťový ochranný prvek chrání transformátor v rámci své energetické kapacity.
• Ochranná mezera se neaktivuje zbytečně při běžných přechodných jevech.
• Ochranná mezera se aktivuje dříve, než dojde k přetížení izolace neutrály za podmínek, pro které je navržena.
• Reléová ochrana odstraňuje jakýkoli následný proud síťové frekvence.
• Ochranný jiskřiště není vystaveno nepřijatelnému dočasnému přepětí.

Není správné tvrdit, že ochranný jiskřiště a jiskřový mezerový prvek budou vždy reagovat ve stálém pořadí. Jejich odezva závisí na průběhu napětí, jeho trvání, ochranných charakteristikách a konfiguraci sítě.

Koordinace izolace by měla vycházet z principů normy IEC 60071-1, která se zabývá výběrem jmenovitých výdržných napětí pro izolaci mezi fází a zemí, mezi fázemi a podélnou izolací v střídavých soustavách nad 1 kV. IEC 60071-1

Běžné metody uzemnění neutrálu

Pevné uzemnění

Neutrální bod je připojen k zemi prostřednictvím cesty s velmi nízkou impedancí.

Typické vlastnosti:

• Vysoký zemní poruchový proud
• Jasný nulový sériový referenční bod
• Rychlé zjišťování poruchy
• Nižší dočasné přepětí
• Vyšší požadavky na zatížení při poruchách

Uzemnění přes odpor

Odpor uzemnění neutrálu omezuje proud zemní poruchy na vypočtenou úroveň.

Typické vlastnosti:

• Snížení poškození zařízení při zemních poruchách
• Řízený proud ochrany
• Definované tepelné zatížení odporu
• Potřeba dozoru teploty a spojitosti odporu

Uzemnění přes tlumivku

Uzemňovací tlumivka omezuje proud prostřednictvím induktivní impedance.

Typické vlastnosti:

• Snížený zemní poruchový proud
• Specifické nulové posloupnosti systému
• Potřeba podrobných přechodných a ochranných studií

Rezonanční uzemnění

Reaktor je naladěn tak, aby kompenzoval kapacitu sítě vůči zemi při zemní poruše.

Toto uspořádání je častěji spojováno s určitými středním napětím sítí a nemělo by být bez specifického systémového studia předpokládáno pro vinutí 110 kV.

Selektivní uzemnění středu

V rozvodnách s transformátory provozovanými paralelně může provozovatel systému uzemnit vybrané neutrály transformátorů za účelem řízení nulové posloupnosti proudu a výkonu ochran.

Otevření nebo uzavření jednoho neutrálního spínače mění uzemňovací podmínky celého propojeného systému. Proto jsou nezbytné zámkové mechanismy a provozní postupy.

Proč je uzemnění středu důležité při napájení a odpojování?

Přepínání transformátoru může způsobit přechodné a dočasné přepětí. Stav neutrálu během napájení nebo odpojení může ovlivnit napěťové namáhání vinutí s postupnou izolací.

Některé provozní postupy distribučních společností vyžadují, aby byl před zapnutím nebo vypnutím transformátoru uzemňovací spínač neutrálu uzavřen. Toto však nesmí být prezentováno jako univerzální pravidlo.

Správná posloupnost přepínání závisí na:

• Konstrukci izolace transformátoru
• Uspořádání vypínačů
• Počtu transformátorů zapojených paralelně
• Konfiguraci uzemnění soustavy
• Nastavení ochrany
• Hodnotách ochranných jiskřišť
• Provozních pravidlech distribuční společnosti
• Výsledcích studií přepínání a izolace

Provozovatelé musí dodržovat schválený postup přepínání pro danou rozvodnu.

Kontrolní seznam pro kontrolu a údržbu

Údržbu musí provádět oprávněný personál v souladu s elektrickými bezpečnostními postupy na místě.

Přepínač uzemnění středy

Kontrola:

• Indikace polohy otevřeno a zavřeno
• Mechanické seřízení
• Stav kontaktů
• Ovládací mechanismus
• Motorové a řídicí obvody
• Pomocné kontakty
• Propojovací
• Čistota a neporušenost izolátorů
• Příznaky přehřátí nebo výbojů

Uzemňovací vodiče

Zkontrolujte:

• Uvolněné nebo poškozené spoje
• Poškozené vodiče nebo prasklé vodiče
• Korozce
• Neobvyklé zahřívání
• Nedostatečné vzdálenosti
• Mechanické poškození
• Neoprávněné úpravy

Ochranný přepěťový zařízení

Kontrola:

• Stav keramického nebo polymerového pouzdra
• Znečištění a stopy výbojů
• Těsnost svorek
• Vedení uzemňovacího vodiče
• Údaje počítadla přepětí
• Indikace unikajícího proudu, pokud je k dispozici
• Diagnostické výsledky dle výrobce

Ochrannou mezerou

Ověřte:

• Stav elektrod
• Správný rozestup mezi elektrodami
• Zarovnání
• Povrchové znečištění
• Důkazy předchozího výboje
• Připojení proudových transformátorů
• Vzdálenosti od sousedních zařízení

Zemnící mřížka

Provádět prohlídky a zkoušky podle plánu údržby rozvoden, včetně:

• Kontinuita připojení
• Měření odporu nebo impedance zemnění
• Hodnocení stavu půdy
• Přezkum napětí krokového a dotykového po významných úpravách
• Hodnocení koroze
• Ověření nově připojeného zařízení

Běžné problémy a jejich důsledky

Nesprávná poloha uzemňovacího spínače

Nesprávná poloha spínače může změnit proud zemní poruchy a zneplatnit koordinaci relé.

Uvolněné spojení nulového vodiče

Spojení s vysokým odporem nebo přerušované spojení může způsobit zahřívání, jiskření a nepředvídatelné napětí na nulovém vodiči.

Příliš tenký uzemňovací vodič

Vodič s nedostatečnou tepelnou nebo mechanickou odolností může selhat během zemní poruchy s vysokým proudem.

Nesprávné parametry ochranného varistoru

Ochranný varistor s nedostatečnou odolností vůči dočasným přepětím se může přehřát nebo selhat. Příliš vysoká úroveň ochrany může vést k nedostatečné ochraně neutrálu transformátoru.

Znečištěná nebo nesprávně nastavená ochranná mezerová elektroda

Znečištění, nadmořská výška nebo nesprávný rozestup mohou změnit napětí výboje a způsobit předčasné vypnutí nebo selhání vypnutí.

Nesouhlasné nastavení ochranných funkcí

I správně nainstalovaný uzemňovací systém nemůže poskytnout účinnou ochranu, pokud jsou příslušné funkce relé nesprávně vybrány nebo nastaveny.

Technické informace potřebné pro individuální návrh

Před zadáním transformátoru 110 kV a balíčku pro uzemnění neutrálu by výrobce měl obdržet:

• Jmenovité napětí soustavy a nejvyšší napětí pro zařízení
• Frekvence soustavy
• Jmenovitý výkon transformátoru
• Napětí vinutí a zapojení
• Vektrová skupina
• Úroveň izolace neutrálu
• Požadavek na úplnou nebo stupňovitou izolaci
• Maximální a minimální zemní poruchový proud
• Doba odstranění poruchy
• Filozofie uzemnění
• Podmínky paralelního provozu transformátorů
• Jednopólové schéma ochrany
• Zátěž ochranného přepěťového varistoru
• Nadmořská výška místa a úroveň znečištění
• Teplota okolí
• Požadavky na seizmickou odolnost a klimatické podmínky
• Platné normy IEC, IEEE, národní nebo rozvodných společností

Tyto parametry určují vhodné hodnocení zařízení a návrh rozhraní.

Přizpůsobená řešení transformátorů 110 kV od Dingxin Electric

Dingxin Electric vyrábí přizpůsobené olejové síťové transformátory a koordinované doplňky k transformátorům pro projekty rozvodných společností, průmyslu, obnovitelných zdrojů energie a infrastruktury.

Náš inženýrský tým může nakonfigurovat:

• Jmenovitý výkon a převodový poměr
• Transformátorová impedance
• Vektrová skupina
• Rozsah zapojení a uspořádání OLTC
• Úplnou nebo stupňovitou izolaci
• Rozhraní neutrálního vodiče a uzemnění
• Rozhraní uzemňovacích spínačů
• Transformátory neutrálního proudu
• Zařízení pro přepěťové ochrany a ochranné mezery
• Příslušenství pro monitorování a ochranu
• Chladicí systém
• Průchodky a kabelová rozhraní
• Platné požadavky IEC, IEEE nebo projektově specifické požadavky

Prodiskutujte svůj projekt transformátoru 110 kV

Hledáte přizpůsobený olejový transformátor 110 kV nebo koordinované řešení uzemnění neutrály?

Zašlete společnosti Dingxin Electric jednoduchý schématu zapojení, jmenovitý výkon transformátoru, poměr napětí, způsob uzemnění soustavy, úroveň izolace neutrály, zkratový proud, podmínky na místě a použitelné normy.

Kontaktujte Dingxin Electric pro projektově specifický návrh transformátoru a technické posouzení.