110 kV oliegeïmmersive transformator neutraal aardingsysteem

A110 kV oliegeïmmersive vermogenstransformator speelt een cruciale rol bij spanningsomzetting en grootschalige stroomtransmissie. De transformator kan echter niet los worden gezien van de aardingsopstelling van het elektriciteitsnet.

Het neutraal aardingsysteem van de transformator beïnvloedt:

• Aardfoutstroom
• Tijdelijke en transiënte overspanning
• Gevoeligheid en selectiviteit van de beveiliging
• Isolatievereisten van de transformator
• Systeem Stabiliteit
• Veiligheid van personeel en apparatuur

Om deze reden is neutraal aarding niet eenvoudigweg een accessoirekeuze. Het moet worden afgestemd op de wikkelingsaansluiting van de transformator, de systeemaardingsfilosofie, het isolatieniveau, het beveiligingsschema en het aardingsrooster van de onderstation.

Dit artikel legt de belangrijkste functies, onderdelen en technische overwegingen uit van een neutraal aardingsysteem voor een 110 kV oliegekoelde transformator.

BELANGRIJK: De geschikte manier van neutraal aarden moet worden bepaald door de systeembeheerder en gekwalificeerde elektriciteitsnettechnici. Het mag niet uitsluitend worden gekozen op basis van de spanningswaarde van de transformator.

Wat is het neutraalpunt van een 110 kV-transformator?

Wanneer een driefasentransformatorwikkeling in ster- of wye-configuratie is aangesloten, zijn de drie wikkelingseinden verbonden in één gemeenschappelijk punt. Deze verbinding wordt het neutraalpunt genoemd en wordt meestal aangegeven met de letter N.

Het neutraalpunt biedt een referentiepunt voor de fasen-aardspanningen. Er mag echter niet automatisch van worden uitgegaan dat het potentieel ervan altijd nul is.

Tijdens normale, gebalanceerde werking kan de spanning ten opzichte van aarde bijna nul zijn. Tijdens een aardfout, een schakelgebeurtenis, ferroresonantie of een andere ongebalanceerde toestand kan de neutraalspanning sterk verschuiven.

De neutrale aansluiting en de bijbehorende isolatie moeten daarom worden ontworpen volgens:

• De wikkelingsaansluiting
• De gekozen aardingsmethode
• Het isolatieontwerp van de transformator
• Verwachte tijdelijke overspanningen
• Blikseminslag- en schakeloverspanningen
• De werktijd van de beveiliging
• De isolatiecoördinatiestudie van het systeem

IEC 60076-3 specificeert de isolatievereisten voor transformatoren, diëlektrische tests en externe luchtafstanden voor afzonderlijke wikkelingen en aansluitingen.

Wat is Transformator Aarding van de neutrale geleider?

De neutraal-aarding van een transformator is de opzettelijke verbinding van de neutraal van een stervormige wikkeling met de aarde.

Afhankelijk van het netontwerp kan de neutraal:

• Direct geaarde
• Via een weerstand worden geaard
• Via een reactor worden geaard
• Via een andere impedantie worden geaard
• Via een aardtransformator worden verbonden
• Onder gespecificeerde omstandigheden ongeaard worden bedreven
• Onder een goedgekeurd bedrijfsschema worden geschakeld tussen geaarde en ongeaarde toestanden

De aardingsmethode bepaalt de grootte en het gedrag van de nulvolgordestroom tijdens een fase-naar-aarde-fout. Daarnaast beïnvloedt deze methode de tijdelijke overspanning, de werking van relais en de isolatiebelasting die op de transformator en aangesloten apparatuur wordt uitgeoefend.

IEEE C62.92 beschrijft de basisoverwegingen die worden gebruikt bij het kiezen van neutraal-aaringsparameters voor het beheersen van aardfoutstromen en overspanningen in nutsvoorzieningsnetten. De richtlijnen voor transmissiesystemen behandelen ook de neutraal-aarding van transformatoren en de specificatie van aardingsapparatuur.

Waarom heeft een 110 kV-transformator een juiste neutraal-aardingsopstelling nodig?

1. Beheersen van de aardfoutstroom

Wanneer een fase-aardfout optreedt, bepaalt de aardingsopstelling het terugkeerpad en de omvang van de nulvolgordefoutstroom.

Een massief geaarde neutraal kan een hoge aardfoutstroom toestaan, waardoor beveiligingsapparatuur de fout snel kan detecteren en verwijderen. Aardingsimpedantie beperkt de stroom tot een berekende waarde, terwijl er nog steeds een meetbaar signaal voor beveiliging wordt geleverd.

De juiste methode hangt af van het netwerkfoutniveau, het beveiligingsontwerp en de operationele vereisten.

2. Beperken van tijdelijke overspanning

In een niet-geaard of onvoldoende geaard systeem kan een enkelfasige aardfout leiden tot een stijging van de gezonde fase-aardspanningen. Dit kan transformatoraansluitingen, kabels, schakelapparatuur en andere apparatuur blootstellen aan verhoogde isolatiespanning.

Een correct ontworpen aardingsopstelling helpt bij het beheersen van neutraalverplaatsing en tijdelijke overspanning.

3. Bescherming van de neutrale isolatie van transformatoren

Sommige transformatoren gebruiken trapsgewijs geïsoleerde wikkelingen, wat betekent dat het isolatieniveau bij het neutrale uiteinde van een wikkeling lager is dan bij de lijnansluiting. Een dergelijke neutrale aansluiting mag niet worden blootgesteld aan een spanningsbelasting die hoger is dan het toegewezen isolatieniveau.

Of er trapsgewijze isolatie wordt gebruikt, moet worden bevestigd op basis van het transformatordesign en het typeplaatje – niet alleen op basis van de spanningsspecificatie.

Bescherming van de neutrale isolatie kan coördinatie vereisen tussen:

• De aardingschakelaar
• Overspanningsbeveiliging
• Beschermingsklem
• Neutrale stroomtransformator
• Transformator differentiële bescherming
• Beperkte aardfoutbescherming
• Nulvolgorde-overstroombeveiliging
• Neutrale overspanningsbescherming

4. Ondersteuning van selectieve beveiliging

Een bekend nulvolgordestroompad stelt beveiligingsrelais in staat aardfouten te onderscheiden van normale belastingsstroom en andere systeemomstandigheden.

Afhankelijk van de beveiligingsfilosofie kan de neutrale stroom worden gemeten voor:

• Aardfout-overstroombeveiliging
• Beperkte aardfoutbescherming
• Transformator differentiële bescherming
• Monitoring van neutraal onevenwicht
• Detectie van stroom door een beschermingsklem

De instellingen van de beveiliging moeten gebaseerd zijn op een kortsluitings- en beveiligingscoördinatiestudie.

5. Verbetering van systeemstabiliteit en foutbeheer

Snelle, selectieve foutisolatie vermindert thermische en mechanische belasting op de transformator en beperkt het risico dat een lokale fout zich ontwikkelt tot een grotere systeemstoornis.

Aarding elimineert geen fouten. Het doel ervan is hun elektrische effecten te beheersen en het beveiligingssysteem in staat te stellen te reageren zoals ontworpen.

Belangrijkste onderdelen van een transformator-neutraal-aardingsysteem

Een 110 kV transformator-neutraal-aardingsopstelling kan verschillende onderdelen omvatten. De exacte configuratie verschilt per project.

1. Neutraal-aardingsschakelaar

De neutraal-aardingsschakelaar zorgt voor een gecontroleerde metalen verbinding tussen het neutraalpunt van de transformator en het aardingsstelsel van de onderstation.

De schakelaar kan handmatig of elektrisch worden bediend en kan voorzien zijn van positie-indicatie, vergrendeling en afstandsbedieningsinterfaces.

De vereiste nominale waarden kunnen omvatten:

• Hoogste systeemspanning
• Continue stroom, indien van toepassing
• Kortdurende standhoudende stroom
• Piekwrijvingsstroom
• Isolatieklasse
• Mechanische levensduur
• Schakelmechanisme
• MILIEUBESCHERMING
• Vereisten voor hulpcontacten

De schakelaarpositie moet worden beheerd volgens een goedgekeurde bedrijfsprocedure. Operators mogen niet aannemen dat het neutraalpunt altijd geaard of altijd ontkoppeld moet zijn.

Het schakelen van het neutraalpunt van een transformator verandert de nulvolgorde-impedantie van het netwerk en kan van invloed zijn op:

• Aardfoutstroom
• Relaisgevoeligheid
• Tijdelijke overspanning
• Parallelle transformatorbedrijfsvoering
• Beveiligingscoördinatie

Het dient daarom als een systeemoperatie te worden beschouwd, niet als een geïsoleerde mechanische handeling.

2. Neutraal aardingskabel

De aardingskabel verbindt de neutrale aansluiting, de aardingschakelaar en het aardingsrooster van de onderstation.

Hij moet zijn uitgevoerd voor de berekende foutstroom en de uitschakeltijd. Het ontwerp moet ook rekening houden met:

• Thermische bestendigheid
• Elektrodynamische krachten
• Mechanische Bescherming
• Corrosie
• Betrouwbaarheid van verbindingen
• Routering en vrijgave
• Toegang voor inspectie en onderhoud

Waar dubbele aardingsgeleiders vereist zijn, moeten deze verbonden worden met passend gescheiden punten op het aardingsnetwerk overeenkomstig het goedgekeurde substationontwerp.

Het aantal, het materiaal en de doorsnede van de geleiders moeten voldoen aan de projectspecificatie en lokale normen.

3. Aardingsnetwerk van het substation

Het aardingsnetwerk verspreidt foutstroom naar de aarde en creëert een equipotentiaalreferentie voor het substation.

Bij het ontwerp moet meer worden meegenomen dan slechts één waarde voor aardweerstand. Belangrijke factoren zijn:

• Maximale aardfoutstroom
• Foutduur
• Grondweerstand
• Geometrie van het netwerk
• Thermische belastbaarheid van de geleiders
• Stapspanning
• Aanraakspanning
• Overgedragen potentiaal
• Karakteristieken van de oppervlaktelaag
• Corrosietoevoeging
• Aansluitingen op apparatuurconstructies en hekwerken

Een universele eis zoals „de aardingsweerstand moet altijd lager zijn dan 4 Ω“ mag niet op elke 110 kV-substation worden toegepast. Het aanvaardbare ontwerp moet worden vastgesteld op basis van de aardingsstudie en de toepasselijke nationale of nutsbedrijfsvereisten.

4. Neutraal overspanningsbeveiligingsapparaat

Een metaaloxide-overspanningsbeveiligingsapparaat kan tussen de transformatorneutraal en aarde worden geïnstalleerd om gespecificeerde transiënte overspanningen te beperken.

Tijdens normaal bedrijf vertoont het overspanningsbeveiligingsapparaat een hoge impedantie. Wanneer een overspanning de beschermkarakteristiek overschrijdt, leidt het stroom van de overspanningsstoot en beperkt het de spanning die op de neutrale isolatie wordt toegepast.

De keuze van het overspanningsbeveiligingsapparaat vereist coördinatie van:

• Continue bedrijfsspanning
• Gekwalificeerde Spanning
• Vermogen om tijdelijke overspanningen te verdragen
• Nominale Aflossingsstroom
• Energiecapaciteit
• Restspanning
• Isolatieniveau van de transformatorneutraal
• Aardingsconditie van het systeem

IEC 60099-4 is van toepassing op spleetloze metaaloxideafleiders die worden gebruikt om overspanningen te beperken in wisselstroomsystemen boven 1 kV. IEC 60099-4

Een overspanningsafleider mag niet uitsluitend worden geselecteerd op basis van de nominale systeemspanning van de transformator. De neutraal kan een andere spanningsbelasting ondervinden dan de lijnterminals.

5. Beschermende neutraalspleet

Een beschermende luchtspleet kan tussen de transformatorneutraal en aarde worden aangesloten. Onder normale omstandigheden blijft deze niet-geleidend. Als de neutraalspanning het vonkoverslagniveau van de spleet bereikt, breekt de luchtspleet door en biedt een afvoerpad.

Een stroomtransformator kan in de spleetcircuit worden geïnstalleerd, zodat de spleetstroom een alarm- of uitschakelsignaal activeert.

De spleet vereist zorgvuldige afstemming, omdat haar gedrag wordt beïnvloed door:

• Elektrodevorm
• Afstand tussen de elektroden
• Luchtdichtheid
• Hoogte boven zeeniveau
• Vochtigheid en vervuiling
• Montagegeometrie
• Wisselspanning bij netspanningsfrequentie
• Impuls spanning
• Isolatieniveau van de nulgeleider

Beschermingsafstanden kunnen een grotere spreiding in vonkafstand vertonen dan metaaloxideafleiders. Hun werking kan ook afgekapt impulsverloop en netafgerichte volgstroom veroorzaken.

De afstelling van de afstand moet daarom worden bepaald op basis van isolatiecoördinatie- en beschermingsstudies, niet door een standaardafstand van een ander project over te nemen.

6. Nulgeleiderstroomtransformator

Een stroomtransformator in de nulgeleiderverbinding kan meetsignalen leveren voor transformatorbescherming en aardfoutbescherming.

Mogelijke toepassingen zijn:

• Neutrale overstroombeveiliging
• Beperkte aardfoutbescherming
• Transformator differentiële bescherming
• Detectie van stroom door een beschermingsklem
• Gebeurtenisregistratie

De verhouding, klasse, kniepuntspanning, belasting en kortstondige stroomwaarde moeten overeenkomen met het relaisschema en de berekende foutbelasting.

7. Bliksemschakelaarteller en lekstroommonitor

Een bliksemschakelaarteller registreert ontladingsgebeurtenissen via de bliksemschakelaar. Sommige apparaten geven ook een indicatie van de lekstroom.

Een toename van de telleracties bewijst niet automatisch dat de bliksemschakelaar defect is. Het geeft aan dat ontladingsgebeurtenissen hebben plaatsgevonden en dient te worden beoordeeld in combinatie met:

• Systeemstoringregistraties
• Blikseminactiviteit
• Schakelgebeurtenissen
• Lekstroomtrends
• Temperatuur van de bliksemschakelaar
• Fysieke toestand
• Inspectiecriteria van de fabrikant

De aansluiting van de teller moet kort, direct en correct geaard blijven, omdat onnodige kabel lengte de beschermingsprestaties kan verminderen.

Hoe werken de overspanningsbeveiliging en de beveiligingsopening samen?

Wanneer beide zijn geïnstalleerd, bieden de neutrale overspanningsbeveiliging en de beveiligingsopening normaal gesproken complementaire bescherming.

Overspanningsbeveiliging

De overspanningsbeveiliging wordt voornamelijk geselecteerd om transiënte overspanning te beperken terwijl een voorspelbaar beschermingsniveau wordt gehandhaafd.

Beschermingsklem

De opening kan back-upbescherming bieden of reageren onder specifieke tijdelijke of netspannings-overspanningsomstandigheden, afhankelijk van de opstelling.

Hun coördinatie moet garanderen dat:

• De overspanningsbeveiliging de transformator beschermt binnen zijn energiecapaciteit.
• De opening niet onnodig reageert bij gewone transiënten.
• De opening wel reageert voordat de neutrale isolatie overbelast raakt onder de omstandigheden waarop deze is ontworpen.
• Relaisbeveiliging onderbreekt elke stroom op netfrequentie die na een storing blijft doorgaan.
• De overspanningsafleider wordt niet blootgesteld aan een onaanvaardbare tijdelijke overspanning.

Het is onjuist om te beweren dat de overspanningsafleider en de vonkbrug altijd in een vaste volgorde reageren. Hun reactie hangt af van de spanningsvorm, de duur, de beveiligingskenmerken en de systeemconfiguratie.

Isolatiecoördinatie dient te geschieden volgens de beginselen van IEC 60071-1, waarin de keuze van de nominale weerstandsspanningen voor aardings-, fase-fase- en longitudinale isolatie in wisselstroomsystemen boven 1 kV wordt behandeld. IEC 60071-1

Veelvoorkomende methoden voor neutraal-aarding

Solide aarding

De nulgeleider is via een zeer lage impedantie met aarde verbonden.

Typische kenmerken:

• Hoge aardfoutstroom
• Duidelijke nulvolgordereferentie
• Snelle foutdetectie
• Lagere tijdelijke overspanning
• Hogere eisen voor foutbelasting

Weerstandsgeaard systeem

Een neutraalgeaard weerstand beperkt de aardfoutstroom tot een berekend niveau.

Typische kenmerken:

• Minder schade aan apparatuur tijdens aardfouten
• Gecontroleerde beveiligingsstroom
• Gedefinieerde thermische belasting voor de weerstand
• Noodzaak van toezicht op temperatuur en continuïteit van de weerstand

Spoelgeaard systeem

Een geaard spoel beperkt de stroom via inductieve impedantie.

Typische kenmerken:

• Verminderde aardfoutstroom
• Systeemspecifiek gedrag van de nulvolgorde
• Behoefte aan gedetailleerde transiënte- en beveiligingsstudies

Resonant geaard systeem

Een reactor is afgestemd om de aardfoutcapaciteit van het netwerk te compenseren.

Deze opstelling komt vaker voor in bepaalde middenspanningsnetwerken en mag niet zonder specifieke systeemanalyse worden verondersteld van toepassing te zijn op een 110 kV wikkeling.

Selectief geaarde neutraal

In onderstations met parallel werkende transformatoren kan de systeembeheerder geselecteerde transformatorneutralen aarden om de nulvolgordestroom en de beveiligingsprestaties te regelen.

Het openen of sluiten van één neutraalschakelaar verandert de aardingsomstandigheden van het gehele aangesloten systeem. Interlocking en bedrijfsprocedures zijn daarom essentieel.

Waarom is neutraal aarden belangrijk tijdens inschakelen en uitschakelen?

Het schakelen van een transformator kan transiënte en tijdelijke overspanningen veroorzaken. De neutrale toestand tijdens het inschakelen of uitschakelen kan invloed hebben op de spanningsbelasting die op een winding met trapvormige isolatie wordt uitgeoefend.

Sommige nutsbedrijfsprocedures vereisen dat de aardingschakelaar van de neutrale geleider wordt gesloten voordat een transformator wordt inge- of uitgeschakeld. Dit mag echter niet worden gepresenteerd als een universele regel.

De juiste schakelvolgorde hangt af van:

• Het isolatieontwerp van de transformator
• De opstelling van de stroomonderbrekers
• Het aantal parallel geschakelde transformatoren
• De systeem-aardingsconfiguratie
• Beschermingsinstellingen
• De nominale waarden van de overspanningsafleiders
• De bedrijfsregels van het nutsbedrijf
• De resultaten van schakel- en isolatiestudies

Operators moeten de goedgekeurde schakelinstructie voor het specifieke onderstation volgen.

Inspectie- en onderhoudschecklist

Onderhoud moet worden uitgevoerd door geautoriseerd personeel volgens de elektrische veiligheidsprocedures van de locatie.

Neutraal aardingschakelaar

Controleer:

• Aanduiding van open en gesloten positie
• Mechanische uitlijning
• Contactomstandigheden
• Schakelmechanisme
• Motor- en besturingscircuits
• Hulpcontacten
• In elkaar grijpende
• Reinheid en integriteit van isolatoren
• Tekenen van oververhitting of ontlading

Aardingsgeleiders

Controleer op:

• Losse of beschadigde verbindingen
• Gebroken aders of gebarsten geleiders
• Corrosie
• Abnormale verwarming
• Onvoldoende afstanden
• Mechanische beschadiging
• Ongeautoriseerde wijzigingen

Overspanningsbeveiliging

Controleer:

• Toestand van porselein- of polymeerbehuizing
• Verontreiniging en ontladingsmarkeringen
• Aansluitvingerigheid
• Aardingssnoeraanleg
• Uitslag van de overspanningsmeter
• Leakage-stroomindicatie, indien beschikbaar
• Door de fabrikant voorgeschreven diagnoseresultaten

Beschermingsklem

Controleer:

• Elektrodetoestand
• Juiste spleetafstand
• Uitlijning
• Oppervlakteverontreiniging
• Bewijs van eerdere ontlading
• Aansluitingen van stroomtransformatoren
• Vrij ruimten ten opzichte van aangrenzende apparatuur

Aardingsnet

Voer inspecties en tests uit volgens het onderhoudsplan voor de transformatorstation, inclusief:

• Continuïteit van aansluitingen
• Metingen van aardweerstand of -impedantie
• Beoordeling van de grondomstandigheden
• Beoordeling van stap- en aanraakspanning na grote wijzigingen
• Corrosiebeoordeling
• Verificatie van nieuw aangesloten apparatuur

Veelvoorkomende problemen en hun gevolgen

Onjuiste positie van de aardingschakelaar

Een onjuiste schakelaarpositie kan de aardfoutstroom wijzigen en de relaiscoördinatie ongeldig maken.

Losse neutrale verbinding

Een hoge-weerstand- of onderbrekende verbinding kan verwarming, boogvorming en onvoorspelbare neutrale spanning veroorzaken.

Te kleine aardingsgeleider

Een geleider met onvoldoende thermische of mechanische capaciteit kan tijdens een aardfout met hoge stroom uitvallen.

Onjuiste specificatie van de overspanningsbeveiliging

Een afleider met ontoereikende tijdelijke overspanningscapaciteit kan oververhitten of defect raken. Een te hoge beveiligingsniveau kan leiden tot onvoldoende bescherming van de transformatorneutraal.

Verontreinigde of verkeerd ingestelde beveiligingsopening

Verontreiniging, hoogte boven zeeniveau of verkeerde afstand kunnen de vonkoverslagspanning wijzigen en vroegtijdige werking of uitblijvende werking veroorzaken.

Niet afgestemde beveiligingsinstellingen

Zelfs een correct geïnstalleerd aardingsysteem kan geen effectieve bescherming bieden als de bijbehorende relaiefuncties verkeerd zijn geselecteerd of ingesteld.

Technische informatie vereist voor een op maat gemaakte ontwerpoplossing

Voor het specificeren van een 110 kV-transformator en neutraal-aardingspakket dient de fabrikant de volgende gegevens te ontvangen:

• Systeemnominaalspanning en hoogste spanning voor apparatuur
• Systeemfrequentie
• Nominaal vermogen van de transformator
• Wikkelspanning en aansluiting
• Vector Groep
• Isolatieniveau van de neutrale geleider
• Vereiste voor volledige of trapsgewijze isolatie
• Maximale en minimale aardfoutstroom
• Foutuitschakeltijd
• Aardingfilosofie
• Voorwaarden voor parallelle werking van transformatoren
• Eenvoudig schema van de beveiliging
• Belasting van de overspanningsafleiders
• Plaatselijke hoogte boven zeeniveau en vervuilingsgraad
• Omgevings temperatuur
• Seismische en klimatologische vereisten
• Toepasselijke IEC-, IEEE-, nationale of netbeheerderstandaarden

Deze parameters bepalen de geschikte apparatuurwaarderingen en de interface-ontwerp.

Aangepaste 110 kV-transformatoplossingen van Dingxin Electric

Dingxin Electric produceert aangepaste oliegevulde vermogenstransformatoren en bijbehorende transformatortoebehoren voor netbeheerders, industriële toepassingen, hernieuwbare-energieprojecten en infrastructuurprojecten.

Ons engineeringteam kan configureren:

• Nominale capaciteit en spanningsverhouding
• Transformatorimpedantie
• Vector Groep
• Tapbereik en OLTC-opstelling
• Volledige of trapsgewijze isolatie
• Neutraal aansluitpunt en aardinginterfaces
• Aardingschakelaarinterfaces
• Neutrale stroomtransformatoren
• Bliksembeschermers en beschermende kloofopstellingen
• Controle- en beveiligingsaccessoires
• Koelsysteem
• Doorgangen en kabelinterfaces
• Toepasselijke IEC-, IEEE- of projectspecifieke eisen

Bespreek uw 110 kV-transformatorenproject

Zoekt u een aangepaste 110 kV-oliegevulde transformator of een gecoördineerde neutrale aardingsoplossing?

Stuur Dingxin Electric uw eenvoudig schema, transformatorvermogen, spanningsverhouding, systeemaardingsmethode, neutrale isolatieniveau, foutstroom, locatievoorwaarden en toepasselijke normen.

Neem contact op met Dingxin Electric voor een projectspecifiek transformatorvoorstel en technische beoordeling.