sistemul de legare la pământ a punctului neutru al transformatorului cu ulei, 110 kV

Atransformator de putere cu ulei, 110 kV îndeplinește un rol esențial în conversia tensiunii și în transportul masiv de energie electrică. Totuși, transformatorul nu poate fi considerat separat de dispozitivul de legare la pământ al rețelei electrice.

Sistemul de legare la pământ a punctului neutru al transformatorului influențează:

• Curentul de defect la pământ
• Supratensiunile temporare și tranzitorii
• Sensibilitatea și selectivitatea protecției
• Cerințele privind izolația transformatorului
• Stabilitatea sistemului
• Siguranța personalului și a echipamentelor

Din acest motiv, legarea la pământ a punctului neutru nu este doar o alegere simplă de accesorii. Aceasta trebuie coordonată cu tipul de conexiune al înfășurărilor transformatorului, filosofia de legare la pământ a sistemului, nivelul de izolație, schema de protecție și grila de legare la pământ a stației de transformare.

Acest articol explică funcțiile principale, componentele și considerentele ingineresti ale unui sistem de legare la pământ a punctului neutru pentru un transformator cu ulei de 110 kV.

Important: Metoda adecvată de legare la pământ a punctului neutru trebuie stabilită de operatorul de sistem și de ingineri calificați în domeniul sistemelor electrice. Aceasta nu trebuie aleasă exclusiv pe baza tensiunii nominale a transformatorului.

Ce este punctul neutru al unui transformator de 110 kV?

Când înfășurarea unui transformator trifazat este conectată în stea (sau în Y), cele trei capete ale înfășurărilor sunt unite într-un punct comun. Această conexiune se numește punct neutru și este de obicei identificată prin litera N.

Punctul neutru oferă un punct de referință pentru tensiunile de fază față de pământ. Totuși, nu trebuie presupus faptul că potențialul său este întotdeauna zero.

În timpul funcționării normale, echilibrate, tensiunea sa față de pământ poate fi aproape de zero. În cazul unei defecte de pământ, al unui eveniment de comutare, al unei ferorezonanțe sau al altei condiții nesimetrice, tensiunea punctului neutru poate suferi o deplasare semnificativă.

Terminalul neutru și izolația acestuia trebuie, așadar, proiectate în conformitate cu:

• Conexiunea înfășurării
• Metoda de legare la pământ aleasă
• Proiectarea izolației transformatorului
• Supratensiunile temporare prevăzute
• Supratensiunile cauzate de fulgere și de comutare
• Timpul de funcționare al protecției
• Studiul de coordonare a izolației sistemului

IEC 60076-3 specifică cerințele privind izolația transformatorului, încercările dielectrice și distanțele exterioare pentru fiecare înfășurare și terminal în parte.

Ce este Transformator Legare la pământ a neutrului?

Legarea la pământ a neutrului transformatorului este conectarea intenționată a neutru-lui unei înfășurări conectate în stea la pământ.

În funcție de concepția rețelei, neutru-l poate fi:

• Sistemele cu legare la pământ directă
• Legat la pământ printr-o rezistență
• Legat la pământ printr-un reactor
• Legat la pământ printr-o altă impedanță
• Conectat printr-un transformator de legare la pământ
• Exploatat fără legare la pământ în condiții specificate
• Comutat între stările de legare la pământ și fără legare la pământ în cadrul unui regim de exploatare aprobat

Metoda de legare la pământ determină mărimea și comportamentul curentului de secvență zero în timpul unui defect între fază și pământ. De asemenea, influențează supratensiunile temporare, funcționarea releelor și solicitarea izolației transformatorului și a echipamentelor conectate.

IEEE C62.92 descrie considerentele de bază utilizate pentru alegerea parametrilor de legare la pământ ai neutrului, în vederea controlului curentului de defect la pământ și al supratensiunilor în sistemele de distribuție. Îndrumările sale privind sistemele de transmisie abordează, de asemenea, legarea la pământ a neutrului transformatorului și specificarea echipamentelor de legare la pământ.

De ce are nevoie un transformator de 110 kV de o configurație corespunzătoare de legare la pământ a neutrului?

1. Controlul curentului de defect la pământ

Când apare un defect între fază și pământ, configurația de legare la pământ determină calea de întoarcere și mărimea curentului de defect în secvență zero.

Un neutru legat direct la pământ poate permite un curent mare de defect la pământ, permițând dispozitivelor de protecție să detecteze și să elimine defectul rapid. Legarea la pământ prin impedanță limitează curentul la o valoare calculată, oferind totuși un semnal măsurabil pentru protecție.

Metoda corectă depinde de nivelul de defect al rețelei, de proiectarea sistemului de protecție și de cerințele operaționale.

2. Limitarea supratensiunii temporare

Într-un sistem nelegat la pământ sau insuficient legat la pământ, un defect monofazat la pământ poate determina creșterea tensiunilor fază-pământ ale fazelor sănătoase. Aceasta poate expune terminalele transformatorului, cablurile, echipamentele de comutație și alte componente la o solicitare crescută a izolației.

O configurație de legare la pământ corect proiectată ajută la controlul deplasării neutrului și a supratensiunii temporare.

3. Protejarea izolației neutru-lui transformatorului

Unele transformatoare folosesc o izolație în trepte, ceea ce înseamnă că nivelul de izolație din apropierea capătului neutru al unei înfășurări este mai scăzut decât cel de la terminalul de linie. Acest neutru nu trebuie expus unei tensiuni care să depășească nivelul său de izolație atribuit.

Folosirea izolației în trepte trebuie confirmată pe baza proiectării și a plăcuței indicatoare a transformatorului — nu se poate presupune doar pe baza tensiunii nominale.

Protecția izolației neutru-lui poate necesita coordonarea între:

• Întrerupătorul de legare la pământ
• Dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor
• Golul de protecție
• Transformatorul de curent neutru
• Protecția diferențială a transformatorului
• Protecția defecțiunilor la pământ limitate
• Protecția de supracurent în secvență zero
• Protecție neutră împotriva supratensiunii

4. Susținerea protecției selective

O cale cunoscută pentru curentul de secvență zero permite releelor de protecție să distingă defectele de pământ de curentul normal de sarcină și de alte condiții ale sistemului.

În funcție de filosofia de protecție, curentul neutru poate fi măsurat pentru:

• Protecție împotriva supracurentului în caz de defect de pământ
• Protecția defecțiunilor la pământ limitate
• Protecția diferențială a transformatorului
• Monitorizarea dezechilibrului neutru
• Detectarea curentului prin spațiul de protecție

Setările de protecție trebuie stabilite pe baza unui studiu de scurtcircuit și de coordonare a protecției.

5. Îmbunătățirea stabilității sistemului și a gestionării defectelor

Izolarea rapidă și selectivă a defectelor reduce stresul termic și mecanic asupra transformatorului și limitează riscul ca un defect local să evolueze într-o perturbare mai amplă a sistemului.

Legarea la pământ nu elimină defecțiunile. Scopul ei este de a controla efectele electrice ale acestora și de a permite sistemului de protecție să răspundă conform proiectării.

Componentele principale ale unui sistem de legare la pământ a neutrului transformatorului

O configurație de legare la pământ a neutrului unui transformator de 110 kV poate include mai multe componente. Configurația exactă variază în funcție de proiect.

1. Întrerupătorul de legare la pământ a neutrului

Întrerupătorul de legare la pământ a neutrului asigură o conexiune metalică controlată între neutru și sistemul de legare la pământ al stației de transformare.

Poate fi acționat manual sau electric și poate include indicatoare de poziție, sisteme de blocare și interfețe pentru comandă la distanță.

Ratings-ul cerut poate include:

• Tensiunea maximă a sistemului
• Curent continuu, atunci când este cazul
• Curent de rezistență la scurt timp
• Curent de suport de vârf
• Nivelul de izolație
• Rezistență mecanică
• Mecanism de funcționare
• PROTECȚIA MEDIULUI
• Cerințe privind contactele auxiliare

Poziția întrerupătorului trebuie reglementată de o procedură de exploatare aprobată. Operatorii nu trebuie să presupună că neutru trebuie întotdeauna legat la pământ sau întotdeauna deconectat.

Schimbarea punctului neutru al unui transformator modifică impedanța de secvență zero a rețelei și poate afecta:

• Curentul de defect la pământ
• Sensibilitatea releelor
• Supratensiunea temporară
• Funcționarea în paralel a transformatorilor
• Coordonare protecție

Aceasta trebuie, așadar, tratată ca o operațiune sistemică, nu ca o acțiune mecanică izolată.

2. Conductor de legare la pământ a punctului neutru

Conductorul de legare la pământ conectează borna neutră, întrerupătorul de legare la pământ și grila de legare la pământ a stației de transformare.

Acesta trebuie dimensionat pentru curentul de defect calculat și timpul de eliminare al defectului. Proiectarea sa trebuie să țină cont, de asemenea, de:

• Rezistența termică
• Forțele electrodinamice
• Protecție mecanică
• Coroziune
• Fiabilitatea conexiunilor
• Trasarea și distanțele de siguranță
• Acces pentru inspecție și întreținere

Unde sunt necesari conductori de legare la pământ redundanți, aceștia trebuie să fie conectați la puncte corespunzător separate pe grila de legare la pământ, în conformitate cu proiectul de stație de transformare aprobat.

Numărul, materialul și aria secțiunii transversale a conductorilor trebuie să respecte specificația de proiect și standardele locale.

3. Grila de legare la pământ a stației de transformare

Grila de legare la pământ dispersează curentul de defect în pământ și creează o referință de echipotențialitate pentru stația de transformare.

Proiectarea acesteia trebuie să țină cont de mai mult decât o singură valoare a rezistenței la pământ. Factorii importanți includ:

• Curentul maxim de defect la pământ
• Durata defectului
• Rezistivitatea solului
• Geometria grilei
• Clasificarea termică a conductorului
• Tensiunea de pas
• Tensiunea de atingere
• Potențialul transmis
• Caracteristicile stratului superficial
• Rezervă de coroziune
• Conexiunile la structurile echipamentelor și la garduri

O cerință universală, precum «rezistența de legare la pământ trebuie să fie întotdeauna sub 4 Ω», nu trebuie aplicată tuturor stațiilor de transformare de 110 kV. Proiectarea acceptabilă trebuie stabilită prin studiul de legare la pământ și prin cerințele naționale sau ale operatorului.

4. Parafudru pentru neutrul transformatorului

Un parafudru cu oxid metalic poate fi instalat între neutrul transformatorului și pământ pentru a limita supratensiunile tranzitorii specificate.

În regim normal de funcționare, parafudrul prezintă o impedanță ridicată. Când o supratensiune depășește caracteristica sa de protecție, acesta conduce curentul de descărcare și limitează tensiunea aplicată izolației neutru.

Selectarea parafurtunilor necesită coordonarea următorilor parametri:

• Tensiune de funcționare continuă
• Tensiune nominală
• Capacitatea de rezistență la supratensiuni temporare
• Curent nominal de descărcare
• Capacitatea energetică
• Tensiunea reziduală
• Nivelul de izolare al neutrului transformatorului
• Starea de legare la pământ a sistemului

IEC 60099-4 se aplică parafurtunilor fără interstițiu din oxid metalic, utilizați pentru limitarea supratensiunilor în sistemele de curent alternativ cu tensiune nominală peste 1 kV. IEC 60099-4

Un parafurtun nu trebuie selectat doar pe baza tensiunii nominale a sistemului transformatorului. Neutrul poate suporta o sarcină de tensiune diferită față de bornele de linie.

5. Întrerupător de protecție pentru neutrul

Un spațiu aerian protector poate fi conectat între neutrul transformatorului și pământ. În condiții normale, acesta rămâne neconductiv. Dacă tensiunea neutrului atinge nivelul de străpungere al spațiului aerian, acesta se străpunge și oferă o cale de descărcare.

Un transformator de curent poate fi instalat în circuitul spațiului aerian, astfel încât curentul prin spațiul aerian să inițieze un semnal de alarmă sau de declanșare.

Spațiul aerian necesită o coordonare atentă, deoarece comportamentul său este influențat de:

• Forma electrozilor
• Distanța dintre electrozi
• Densitatea aerului
• Altitudine
• Umiditate și contaminare
• Geometria instalației
• Tensiunea la frecvența de rețea
• Tensiune impuls
• Nivelul de izolație al neutrului

Spațiile aeriene de protecție pot prezenta o dispersie mai mare a tensiunii de străpungere decât parafazurile cu oxid metalic. Funcționarea lor poate produce, de asemenea, impulsuri tăiate și curent de urmărire la frecvența de rețea.

Setarea distanței dintre electrozi trebuie, așadar, determinată pe baza studiilor de coordonare a izolației și de protecție, nu prin copierea unei distanțe fizice standard dintr-un alt proiect.

6. Transformator de curent neutru

Un transformator de curent montat în conexiunea neutră poate furniza semnale de măsurare pentru protecția transformatorului și pentru protecția împotriva defectelor la pământ.

Aplicații posibile includ:

• Protecție împotriva supracurentului în neutrul
• Protecția defecțiunilor la pământ limitate
• Protecția diferențială a transformatorului
• Detectarea curentului prin spațiul de protecție
• Înregistrare evenimente

Raportul său, clasa, tensiunea de cotitură, sarcina nominală și valoarea curentului admis pe durată scurtă trebuie să corespundă schemei releului și sarcinii de defect calculate.

7. Contor de supratensiuni și monitor de curent de scurgere

Un contor de supratensiuni înregistrează evenimentele de descărcare prin parafudră. Unele dispozitive oferă, de asemenea, indicații privind curentul de scurgere.

Creșterea numărului de operații ale contorului nu dovedește în mod automat că parafudra este defectă. Aceasta indică faptul că au avut loc evenimente de descărcare și trebuie evaluată împreună cu:

• Înregistrările perturbărilor sistemului
• Activitatea de fulger
• Evenimente de comutare
• Tendințe ale curentului de scurgere
• Temperatura limitatorului de supratensiune
• Stare fizică
• Criterii de inspecție ale producătorului

Conexiunea contorului trebuie să rămână scurtă, directă și corect legată la pământ, deoarece o lungime excesivă a conductorului poate reduce performanța de protecție.

Cum funcționează împreună limitatorul de supratensiune și spațiul de protecție?

Atunci când ambele sunt instalate, limitatorul de supratensiune și spațiul de protecție asigură în mod normal o protecție complementară.

Dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor

Limitatorul este selectat în principal pentru a limita supratensiunile tranzitorii, menținând în același timp un nivel de protecție previzibil.

Golul de protecție

Spațiul de protecție poate oferi protecție de rezervă sau poate reacționa în condiții specificate de supratensiune temporară sau de frecvență de rețea, în funcție de schemă.

Coordonarea lor trebuie să asigure că:

• Paratorul protejează transformatorul în limitele capacității sale energetice.
• Golul nu funcționează inutil pentru tranziențele obișnuite.
• Golul funcționează înainte ca izolația neutrului să fie suprasolicitată în condițiile pentru care a fost proiectat.
• Protecția prin relee elimină orice curent de urmărire la frecvența de rețea.
• Paratorul nu este supus unei supratensiuni temporare inacceptabile.

Este incorect să se afirme că paratorul și golul vor acționa întotdeauna într-o succesiune fixă. Răspunsul lor depinde de forma de undă a tensiunii, durată, caracteristicile de protecție și configurația sistemului.

Coordonarea izolației trebuie să respecte principiile din IEC 60071-1, care tratează selecția tensiunilor nominale de rezistență pentru izolația fază-pământ, fază-fază și longitudinală în sistemele de curent alternativ cu tensiune peste 1 kV. IEC 60071-1

Metode frecvente de legare la pământ a neutrului

Legare directă la pământ

Neutru este conectat la pământ printr-o cale cu impedanță foarte scăzută.

Caracteristici tipice:

• Curent mare de defect la pământ
• Referință clară de secvență zero
• Detectare rapidă a defectelor
• Supratensiune temporară redusă
• Cerințe superioare privind sarcina în caz de defect

Legare la pământ prin rezistență

Un rezistor de legare la pământ a neutrului limitează curentul de defect la pământ la un nivel calculat.

Caracteristici tipice:

• Deteriorare redusă a echipamentelor în timpul defectelor la pământ
• Curent de protecție controlat
• Dutia termică definită pentru rezistor
• Necesitatea supravegherii temperaturii și a continuității rezistorului

Legarea la pământ a reactorului

Un reactor de legare la pământ limitează curentul prin impedanță inductivă.

Caracteristici tipice:

• Curent redus de defect la pământ
• Comportament specific al sistemului în secvența zero
• Necesitatea unor studii detaliate privind regimurile tranzitorii și protecția

Legarea la pământ rezonantă

Un reactor este sintonizat pentru a compensa capacitatea de defect la pământ a rețelei.

Această configurație este mai frecvent asociată cu anumite rețele de medie tensiune și nu trebuie presupusă aplicabilă înfășurării de 110 kV fără un studiu sistematic specific.

Legare la pământ selectivă a neutrului

În stațiile de transformare cu transformatoare care funcționează în paralel, operatorul de sistem poate lega la pământ neutrele unor transformatoare selectate pentru a controla curentul de secvență zero și performanța protecției.

Deschiderea sau închiderea unui singur întrerupător neutru modifică starea de legare la pământ a întregului sistem conectat. Interblocarea și procedurile de exploatare sunt, prin urmare, esențiale.

De ce este importantă legarea la pământ a neutrului în timpul punerii sub tensiune și al scoaterii din funcțiune?

Comutarea transformatoarelor poate genera supratensiuni tranzitorii și temporare. Starea neutrului în timpul punerii sub tensiune sau a scoaterii din funcțiune poate influența efortul de tensiune aplicat unei înfășurări cu izolație gradată.

Unele proceduri ale operatorilor de rețea cer ca întrerupătorul de legare la pământ a neutrului să fie închis înainte de punerea sub tensiune sau scoaterea din funcțiune a unui transformator. Totuși, această cerință nu trebuie prezentată ca o regulă universală.

Secvența corectă de comutare depinde de:

• Concepția izolației transformatorului
• Configurația întrerupătoarelor
• Numărul de transformatoare în paralel
• Configurația de legare la pământ a sistemului
• Setări de protecție
• Clasele de protecție ale limitatorilor de supratensiune
• Regulile de funcționare ale operatorului de rețea
• Rezultatele studiilor privind comutarea și izolația

Operatorii trebuie să urmeze instrucțiunile aprobate de comutare pentru substația specifică.

Lista de verificare pentru inspecție și întreținere

Întreținerea trebuie efectuată de personal autorizat, în conformitate cu procedurile de siguranță electrică ale locației.

Întrerupătorul de legare la pământ a neutrului

Verificare:

• Indicație a poziției deschis și închis
• Alinierea mecanică
• Starea de contact
• Mecanism de funcționare
• Circuitele electrice ale motorului și de comandă
• Contacte auxiliare
• Interlocking
• Curățenia și integritatea izolatorilor
• Semne de suprâncălzire sau descărcare

Conductoare de legare la pământ

Verificați următoarele aspecte:

• Conexiuni slabe sau deteriorate
• Fire rupte sau conductoare crăpate
• Coroziune
• Încălzire anormală
• Distanțe insuficiente
• Deteriorare mecanică
• Modificări neautorizate

Dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor

Verificare:

• Starea carcaselor din porțelan sau polimer
• Contaminare și urme de descărcare
• Strângerea terminalilor
• Traseul conductorului de legare la pământ
• Citiri ale contorului de supratensiune
• Indicație a curentului de scurgere, atunci când este disponibilă
• Rezultate diagnostice prescrise de producător

Golul de protecție

Verificați:

• Starea electrozilor
• Distanța corectă între electrozi
• Aliniere
• Contaminarea suprafeței
• Dovezi ale unei descărcări anterioare
• Conexiunile transformatorului de curent
• Distanțele față de echipamentele învecinate

Rețeaua de legare la pământ

Efectuați inspecții și teste conform planului de întreținere al stației de transformare, inclusiv:

• Continuitatea conexiunii
• Măsurători ale rezistenței sau impedanței la pământ
• Evaluarea stării solului
• Verificarea tensiunilor de pas și de atingere după modificări majore
• Evaluarea coroziunii
• Verificarea echipamentelor nou conectate

Probleme frecvente și consecințele acestora

Poziție incorectă a întrerupătorului de legare la pământ

O poziție incorectă a întrerupătorului poate modifica curentul de defect la pământ și poate anula coordonarea releelor.

Conexiune neutră slabă

O conexiune cu rezistență ridicată sau intermitentă poate provoca încălzire, arcuire și o tensiune neutru imprevizibilă.

Conductor de legare la pământ de dimensiuni insuficiente

Un conductor care nu are capacitate termică sau mecanică suficientă se poate defecta în timpul unui defect de pământ cu curent mare.

Clasificare incorectă a limitatorului de supratensiune

Un limitator de supratensiune care nu suportă corespunzător supratensiunile temporare se poate supraîncălzi sau defecta. Un nivel de protecție excesiv poate lăsa punctul neutru al transformatorului insuficient protejat.

Gol de protecție contaminat sau reglat incorect

Poluarea, altitudinea sau distanța incorectă pot modifica tensiunea de străpungere și pot cauza declanșarea prematură sau lipsa declanșării.

Setări de protecție necoordonate

Chiar și un sistem de legare la pământ instalat corect nu poate oferi o protecție eficientă dacă funcțiile releelor asociate sunt selectate sau setate incorect.

Informații tehnice necesare pentru un proiect personalizat

Înainte de specificarea unui transformator de 110 kV și a pachetului de legare la pământ a neutrului, producătorul trebuie să primească:

• Tensiunea nominală a sistemului și cea mai înaltă tensiune pentru echipamente
• Frecvența sistemului
• Puterea nominală a transformatorului
• Tensiunea înfășurărilor și conexiunea acestora
• Grup vectorial
• Nivelul de izolație al neutrului
• Cerința de izolație completă sau parțială
• Curentul maxim și minim de defect la pământ
• Durata de eliminare a defectului
• Filozofia de legare la pământ
• Condiții de funcționare în paralel a transformatorului
• Diagramă unifilară de protecție
• Regimul de funcționare al limitatorului de supratensiuni
• Altitudinea site-ului și nivelul de poluare
• Temperatura ambiantă
• Cerințe seismice și climatice
• Standarde IEC, IEEE, naționale sau ale operatorilor aplicabile

Acești parametri determină valorile nominale adecvate ale echipamentelor și proiectarea interfeței.

Soluții personalizate de transformatoare de 110 kV de la Dingxin Electric

Dingxin Electric produce transformatoare de putere imersate în ulei personalizate și accesorii coordonate pentru transformatoare destinate proiectelor din domeniul operatorilor, industrial, al energiei regenerabile și al infrastructurii.

Echipa noastră de ingineri poate configura:

• Raportul dintre capacitatea nominală și tensiunea
• Impedanța transformatorului
• Grup vectorial
• Gama de reglaj și dispozitivul de reglare sub sarcină (OLTC)
• Izolație completă sau treptată
• Terminalele neutre și interfețele de legare la pământ
• Interfețele întrerupătoarelor de legare la pământ
• Transformatoarele de curent pentru neutrul
• Dispozitivele de protecție împotriva supratensiunilor și intervalele de protecție
• Accesorii pentru monitorizare și protecție
• Sistem de răcire
• Trecerile izolatoare și interfețele pentru cabluri
• Cerințe aplicabile IEC, IEEE sau specifice proiectului

Discutați proiectul dvs. de transformator 110 kV

Căutați un transformator imers în ulei de 110 kV personalizat sau o soluție coordonată de legare la pământ a neutrului?

Trimiteți lui Dingxin Electric diagrama unifilară, puterea nominală a transformatorului, raportul de tensiune, metoda de legare la pământ a sistemului, nivelul de izolație al neutrului, curentul de defect, condițiile de amplasament și standardele aplicabile.

Contactați Dingxin Electric pentru o propunere de transformator specifică proiectului și pentru o analiză tehnică.