система заземления нейтрали масляного трансформатора на напряжение 110 кВ

Aмасляный силовой трансформатор на напряжение 110 кВ выполняет критически важную функцию преобразования напряжения и передачи электроэнергии в больших объёмах. Однако трансформатор нельзя рассматривать изолированно от схемы заземления электрической сети.

Система заземления нейтрали трансформатора влияет на:

• Ток замыкания на землю
• Временные и переходные перенапряжения
• Чувствительность и селективность защит
• Требования к изоляции трансформатора
• Стабильность системы
• Безопасность персонала и оборудования

По этой причине выбор способа заземления нейтрали — это не просто подбор вспомогательного элемента. Он должен быть согласован с типом соединения обмоток трансформатора, концепцией заземления системы, уровнем изоляции, схемой релейной защиты и контуром заземления подстанции.

В этой статье объясняются основные функции, компоненты и инженерные аспекты системы заземления нейтрали для маслонаполненного трансформатора на 110 кВ.

Важно: Подходящий метод заземления нейтрали должен определяться оператором системы и квалифицированными инженерами по системам электроснабжения. Его нельзя выбирать исключительно на основе номинального напряжения трансформатора.

Что такое нейтральная точка трансформатора на 110 кВ?

Когда обмотка трёхфазного трансформатора соединена «звездой» («Y»), три конца обмоток соединяются в общей точке. Такое соединение называется нейтральной точкой и обычно обозначается буквой Н .

Нейтраль обеспечивает опорную точку для фазных напряжений относительно земли. Однако не следует предполагать, что её потенциал всегда равен нулю.

При нормальной симметричной работе её напряжение относительно земли может быть близким к нулю. При замыкании на землю, коммутационном процессе, феррорезонансе или другом несимметричном режиме напряжение нейтрали может значительно измениться.

Нейтральный вывод и его изоляция должны быть спроектированы в соответствии с:

• Соединение обмоток
• Выбранным способом заземления
• Конструкцией изоляции трансформатора
• Ожидаемыми временными перенапряжениями
• Грозовыми и коммутационными перенапряжениями
• Временем срабатывания защиты
• Исследованием координации изоляции системы

Стандарт IEC 60076-3 определяет требования к изоляции трансформатора, диэлектрические испытания и внешние расстояния между выводами для отдельных обмоток и выводов.

Что такое Трансформатор Заземление нейтрали?

Заземление нейтрали трансформатора — это преднамеренное соединение нейтрали обмотки, соединённой звездой, с землёй.

В зависимости от конструкции сети нейтраль может быть:

• Системы с глухозаземлённой нейтралью
• Заземлена через резистор
• Заземлена через реактор
• Заземлена через другое сопротивление
• Подключена через заземляющий трансформатор
• Работать без заземления в установленных условиях
• Переключаться между заземлённым и незаземлённым состояниями в соответствии с утверждённой эксплуатационной схемой

Способ заземления определяет величину и характер тока нулевой последовательности при однофазном замыкании на землю. Он также влияет на временные перенапряжения, работу реле и механическую нагрузку на изоляцию трансформатора и подключённого оборудования.

Стандарт IEEE C62.92 описывает основные соображения, используемые при выборе параметров заземления нейтрали для ограничения тока замыкания на землю и перенапряжений в системах электроснабжения. Рекомендации стандарта по системам передачи также касаются заземления нейтрали трансформатора и технических требований к заземляющему оборудованию.

Почему для трансформатора 110 кВ необходима правильная схема заземления нейтрали?

1. Контроль тока замыкания на землю

При возникновении повреждения фазы относительно земли схема заземления определяет путь возврата и величину тока нулевой последовательности при аварии.

Нейтраль, заземлённая непосредственно («жёстко»), допускает высокий ток замыкания на землю, что позволяет устройствам защиты быстро обнаружить и ликвидировать повреждение. Заземление через импеданс ограничивает ток до расчётного значения, одновременно обеспечивая измеримый сигнал для систем защиты.

Выбор правильного метода зависит от уровня аварийного тока в сети, конструкции системы защиты и эксплуатационных требований.

2. Ограничение временного перенапряжения

В системе с изолированной нейтралью или недостаточно эффективным заземлением однофазное замыкание на землю может привести к росту напряжения между исправными фазами и землёй. Это создаёт повышенную нагрузку на изоляцию выводов трансформатора, кабелей, коммутационного оборудования и других устройств.

Правильно спроектированная схема заземления способствует контролю смещения нейтрали и временного перенапряжения.

3. Защита изоляции нейтрали трансформатора

Некоторые трансформаторы используют ступенчатую изоляцию, то есть уровень изоляции вблизи нейтрального конца обмотки ниже, чем у линейного вывода. Такая нейтраль не должна подвергаться напряжению, превышающему её номинальный уровень изоляции.

Применение ступенчатой изоляции необходимо подтверждать по конструкции трансформатора и его табличке — нельзя предполагать это только по номинальному напряжению.

Защита изоляции нейтрали может потребовать согласования следующих элементов:

• Заземляющего выключателя
• Ограничитель перенапряжения
• Защитного промежутка
• Трансформатора тока нейтрали
• Дифференциальная защита трансформатора
• Ограниченной защиты от замыканий на землю
• Защиты от сверхтока нулевой последовательности
• Защиты нейтрали от перенапряжения

4. Обеспечение избирательной защиты

Известный путь тока нулевой последовательности позволяет реле защиты отличать замыкания на землю от нормального тока нагрузки и других режимов работы системы.

В зависимости от выбранной концепции защиты ток нейтрали может измеряться для:

• Токовой защиты от замыканий на землю
• Ограниченной защиты от замыканий на землю
• Дифференциальная защита трансформатора
• Контроля дисбаланса в нейтрали
• Обнаружения тока через защитный промежуток

Параметры защиты должны определяться на основе расчётов токов короткого замыкания и координации защит.

5. Повышение устойчивости системы и управляемости аварийными ситуациями

Быстрое и избирательное отключение повреждённого участка снижает тепловые и механические нагрузки на трансформатор и ограничивает риск локального повреждения, перерастающего в общесистемное нарушение.

Заземление не устраняет повреждения. Его цель — контролировать их электрические последствия и обеспечивать срабатывание системы защиты в соответствии с расчётными параметрами.

Основные компоненты системы заземления нейтрали трансформатора

Схема заземления нейтрали трансформатора на напряжение 110 кВ может включать несколько компонентов. Точная конфигурация зависит от проекта.

1. Выключатель заземления нейтрали

Выключатель заземления нейтрали обеспечивает управляемое металлическое соединение между нейтралью трансформатора и системой заземления подстанции.

Он может управляться вручную или электрически и может включать индикацию положения, блокировочные устройства и интерфейсы для дистанционного управления.

Его требуемые параметры могут включать:

• Максимальное напряжение системы
• Постоянный ток, при необходимости
• Кратковременный ток выдерживания
• Пиковый выдерживаемый ток
• Уровень изоляции
• Механическая выносливость
• Механизм привода
• Защита окружающей среды
• Требования к вспомогательным контактам

Положение выключателя должно регулироваться утверждённой эксплуатационной процедурой. Операторы не должны предполагать, что нейтраль всегда должна быть заземлена или всегда отключена.

Переключение нейтрали трансформатора изменяет нулевую последовательность импеданса сети и может повлиять на:

• Ток замыкания на землю
• Чувствительность реле
• Временное перенапряжение
• Параллельная работа трансформаторов
• Согласование защиты

Следовательно, это следует рассматривать как операцию системы, а не как изолированное механическое действие.

2. Проводник заземления нейтрали

Проводник заземления соединяет вывод нейтрали, заземляющий выключатель и заземляющую сетку подстанции.

Его сечение должно быть рассчитано исходя из расчётного тока короткого замыкания и времени отключения. При проектировании также необходимо учитывать:

• Термическую стойкость
• Электродинамические силы
• Механическая защита
• Коррозия
• Надежность соединений
• Маршрутизация и зазоры
• Доступ для осмотра и технического обслуживания

В тех случаях, когда требуются резервные заземляющие проводники, их следует подключать к соответствующим раздельным точкам заземляющей сетки в соответствии с утверждённым проектом подстанции.

Количество, материал и поперечное сечение проводников должны соответствовать проектной спецификации и местным стандартам.

3. Заземляющая сетка подстанции

Заземляющая сетка рассеивает ток короткого замыкания в землю и создаёт эквипотенциальную опору для подстанции.

При её проектировании необходимо учитывать не только одно значение сопротивления земли. Важными факторами являются:

• Максимальный ток замыкания на землю
• Длительность аварийного режима
• Сопротивление почвы
• Геометрия сетки
• Термическая стойкость проводников
• Напряжение шага
• Напряжение прикосновения
• Передаваемый потенциал
• Характеристики поверхностного слоя
• Коррозионный запас
• Подключения к конструкциям оборудования и ограждениям

Универсальное требование, например «сопротивление заземления всегда должно быть ниже 4 Ом», не следует применять ко всем подстанциям 110 кВ. Допустимое проектное решение должно быть определено в результате исследования системы заземления и с учётом действующих национальных или эксплуатационных требований.

4. Ограничитель перенапряжений нейтрали

Ограничитель перенапряжений на основе оксидов металлов может быть установлен между нейтралью трансформатора и землёй для ограничения заданных переходных перенапряжений.

В нормальном режиме работы ограничитель обладает высоким импедансом. При превышении перенапряжением его защитной характеристики он пропускает импульсный ток и ограничивает напряжение, прикладываемое к изоляции нейтрали.

Выбор ограничителя перенапряжений требует согласования следующих параметров:

• Непрерывное рабочее напряжение
• Номинальное напряжение
• Способность выдерживать временные перенапряжения
• Номинальный ток разряда
• Энергетическая способность
• Остаточное напряжение
• Уровень изоляции нейтрали трансформатора
• Условие заземления системы

МЭК 60099-4 применяется к бесщелевым оксидным ограничителям перенапряжения, используемым для ограничения импульсов в переменного тока систем выше 1 кВ. МЭК 60099-4

Ограничитель перенапряжения не должен выбираться исключительно по номинальному напряжению системы трансформатора. На нейтрали может действовать иное напряжение по сравнению с линейными выводами.

5. Защитный промежуток на нейтрали

Защитный воздушный промежуток может быть подключён между нейтралью трансформатора и землёй. В нормальных условиях он остаётся непроводящим. Если напряжение на нейтрали достигает уровня пробоя промежутка, происходит пробой воздушного промежутка и обеспечивается путь разряда.

Трансформатор тока может быть установлен в цепи промежутка, чтобы ток через промежуток инициировал сигнал тревоги или отключения.

Промежуток требует тщательной координации, поскольку его поведение зависит от:

• Форма электрода
• Расстояние между электродами
• Плотность воздуха
• Высота
• Влажность и загрязнение
• Геометрия установки
• Напряжение промышленной частоты
• Импульсное напряжение
• Уровень изоляции нейтрали

Искровые промежутки могут демонстрировать более высокий разброс пробоя по сравнению с аррестерами на основе оксида металла. При их срабатывании также могут возникать обрезанные импульсы и сопровождающий ток промышленной частоты.

Параметр искрового промежутка должен определяться в результате исследований координации изоляции и защиты, а не путём копирования стандартного физического расстояния из другого проекта.

6. Трансформатор тока в нейтрали

Трансформатор тока в нейтральном соединении может обеспечивать измерительные сигналы для защиты трансформатора и защиты от замыканий на землю.

Возможные области применения:

• Нейтральная защита от перегрузки по току
• Ограниченной защиты от замыканий на землю
• Дифференциальная защита трансформатора
• Обнаружения тока через защитный промежуток
• Запись событий

Её коэффициент трансформации, класс точности, напряжение изгиба характеристики, номинальная нагрузка и значение кратковременного тока должны соответствовать схеме реле и расчётным значениям тока короткого замыкания.

7. Счётчик импульсных перенапряжений и контрольный прибор тока утечки

Счётчик импульсных перенапряжений фиксирует события разряда через ограничитель перенапряжения. Некоторые устройства также обеспечивают индикацию тока утечки.

Увеличение количества срабатываний счётчика не является автоматическим подтверждением неисправности ограничителя. Это указывает на то, что имели место события разряда, и их следует оценивать совместно со следующими данными:

• Записями нарушений в работе системы
• Активностью молний
• Коммутационными событиями
• Трендами тока утечки
• Температурой ограничителя
• Физическое состояние
• Критерии осмотра производителем

Подключение счетчика должно оставаться коротким, прямым и правильно заземленным, поскольку избыточная длина проводов может снизить эффективность защиты.

Как ограничитель перенапряжения и защитный промежуток работают совместно?

При совместной установке ограничитель перенапряжения нейтрали и защитный промежуток обычно обеспечивают взаимодополняющую защиту.

Ограничитель перенапряжения

Ограничитель выбирается в первую очередь для ограничения кратковременных перенапряжений при поддержании предсказуемого уровня защиты.

Защитного промежутка

Промежуток может обеспечивать резервную защиту или срабатывать при заданных временных или промышленных частотных перенапряжениях — в зависимости от схемы.

Согласование их работы должно гарантировать следующее:

• Ограничитель защищает трансформатор в пределах своей энергетической способности.
• Промежуток не срабатывает излишне при обычных кратковременных перенапряжениях.
• Промежуток срабатывает до того, как изоляция нейтрали окажется перегруженной при условиях, для которых он предназначен.
• Релейная защита устраняет любой сопровождающий ток промышленной частоты.
• Ограничитель перенапряжения не подвергается недопустимому временному перенапряжению.

Неверно утверждать, что ограничитель перенапряжения и искровой промежуток всегда срабатывают в строго фиксированной последовательности. Их реакция зависит от формы напряжения, продолжительности воздействия, защитных характеристик и конфигурации системы.

Согласование изоляции должно осуществляться в соответствии с принципами стандарта IEC 60071-1, который регламентирует выбор номинальных выдерживаемых напряжений для изоляции «фаза–земля», «фаза–фаза» и продольной изоляции в переменного тока систем выше 1 кВ. IEC 60071-1

Распространённые методы заземления нейтрали

Надёжное заземление

Нейтраль соединена с землёй через путь с очень низким импедансом.

Типичные характеристики:

• Высокий ток замыкания на землю
• Чёткая нулевая последовательность
• Быстрое обнаружение неисправностей
• Пониженное временное перенапряжение
• Повышенные требования к отключающей способности при повреждениях

Заземление через сопротивление

Резистор заземления нейтрали ограничивает ток замыкания на землю до расчётного уровня.

Типичные характеристики:

• Снижение повреждений оборудования при замыканиях на землю
• Контролируемый ток защиты
• Определённая тепловая нагрузка для резистора
• Необходимость контроля температуры и целостности резистора

Заземление через реактор

Реактор заземления ограничивает ток за счёт индуктивного импеданса.

Типичные характеристики:

• Снижение тока замыкания на землю
• Специфическое для системы поведение нулевой последовательности
• Необходимость детальных исследований переходных процессов и релейной защиты

Резонансное заземление

Реактор настраивается так, чтобы компенсировать ёмкость сети относительно земли при замыкании на землю.

Такая схема чаще всего применяется в некоторых сетях среднего напряжения и не должна автоматически предполагаться применимой к обмотке 110 кВ без проведения специального системного исследования.

Избирательное заземление нейтрали

На подстанциях с трансформаторами, работающими параллельно, оператор системы может заземлять нейтрали отдельных трансформаторов для управления током нулевой последовательности и характеристиками релейной защиты.

Включение или отключение одного переключателя нейтрали изменяет режим заземления всей связанной системы. Поэтому обязательны блокировка и чёткие эксплуатационные процедуры.

Почему заземление нейтрали важно при вводе в работу и выводе из работы?

Коммутация трансформатора может вызывать переходные и временные перенапряжения. Режим нейтрали при вводе в работу или выводе из работы влияет на напряжение, прикладываемое к обмотке с градиентной изоляцией.

Некоторые вспомогательные процедуры требуют замыкания переключателя заземления нейтрали до подачи напряжения на трансформатор или снятия напряжения с него. Однако это не должно рассматриваться как универсальное правило.

Правильная последовательность коммутации зависит от:

• Конструкции изоляции трансформатора
• Расположения выключателей
• Количества трансформаторов, включённых параллельно
• Конфигурации заземления системы
• Настройки защиты
• Параметров ограничителей перенапряжения
• Эксплуатационных правил энергоснабжающей организации
• Результатов исследований, связанных с коммутацией и изоляцией

Операторы должны строго соблюдать утверждённую инструкцию по коммутации для конкретной подстанции.

Чек-лист осмотра и технического обслуживания

Техническое обслуживание должно выполняться уполномоченным персоналом в соответствии с правилами электробезопасности объекта.

Переключатель заземления нейтрали

Проверка:

• Указание положений «открыто» и «закрыто»
• Механическая центровка
• Условия контакта
• Механизм привода
• Двигатель и цепи управления
• Вспомогательные контакты
• Межблочное соединение
• Чистота и целостность изоляторов
• Признаки перегрева или разряда

Заземляющие проводники

Проверьте следующие элементы:

• Ослабленные или повреждённые соединения
• Повреждённые жилы или трещины в проводниках
• Коррозия
• Аномальный нагрев
• Недостаточные расстояния
• Механические повреждения
• Неавторизованные модификации

Ограничитель перенапряжения

Проверка:

• Состояние корпуса из фарфора или полимера
• Загрязнение и следы разряда
• Надежность крепления клемм
• Маршрутизация заземляющего провода
• Показания счётчика импульсных перенапряжений
• Указание тока утечки, если доступно
• Результаты диагностики, предписанные производителем

Защитного промежутка

Проверьте:

• Состояние электродов
• Правильный зазор между электродами
• Выравнивание
• Загрязнение поверхности
• Свидетельства предыдущих разрядов
• Подключения трансформаторов тока
• Расстояния до соседнего оборудования

Заземляющая сетка

Проведение осмотров и испытаний в соответствии с планом технического обслуживания подстанции, включая:

• Непрерывность соединений
• Измерения сопротивления или импеданса заземления
• Оценка состояния грунта
• Проверка напряжений шага и прикосновения после крупных модификаций
• Оценка коррозии
• Проверка вновь подключённого оборудования

Типичные проблемы и их последствия

Неправильное положение переключателя заземления

Неправильное положение переключателя может изменить ток замыкания на землю и нарушить согласование реле.

Ненадёжное соединение нейтрали

Соединение с высоким сопротивлением или прерывистое соединение может вызвать нагрев, электрическую дугу и непредсказуемое напряжение на нейтрали.

Заземляющий проводник недостаточного сечения

Проводник с недостаточной термической или механической стойкостью может выйти из строя при замыкании на землю с большим током.

Неправильный класс ограничителя перенапряжения

Ограничитель с недостаточной способностью выдерживать временные перенапряжения может перегреться или выйти из строя. Избыточный уровень защиты может оставить нейтраль трансформатора недостаточно защищённой.

Загрязнённый или неправильно настроенный защитный промежуток

Загрязнение, высота над уровнем моря или неправильный зазор могут изменить напряжение пробоя и привести к преждевременному срабатыванию или отказу в срабатывании.

Несогласованные параметры защиты

Даже правильно установленная система заземления не обеспечит эффективной защиты, если функции соответствующего реле выбраны или настроены неправильно.

Инженерная информация, необходимая для разработки индивидуального проекта

Перед определением технических требований к трансформатору 110 кВ и комплекту для заземления нейтрали производителю следует предоставить следующие данные:

• Номинальное напряжение системы и наибольшее напряжение для оборудования
• Частота сети
• Номинальная мощность трансформатора
• Напряжение обмоток и схема их соединения
• Группа векторов
• Уровень изоляции нейтрали
• Полное или ступенчатое требование к изоляции
• Максимальный и минимальный ток замыкания на землю
• Время отключения аварии
• Философия заземления
• Условия параллельной работы трансформаторов
• Однолинейная схема защиты
• Режим работы ограничителей перенапряжения
• Высота площадки над уровнем моря и степень загрязнения
• Температура окружающей среды
• Сейсмические и климатические требования
• Применимые стандарты МЭК, IEEE, национальные или отраслевые стандарты

Эти параметры определяют соответствующие номинальные значения оборудования и конструкцию интерфейсов.

Индивидуальные решения для трансформаторов на 110 кВ от Dingxin Electric

Dingxin Electric производит индивидуальные масляные силовые трансформаторы и согласованные аксессуары для трансформаторов для проектов в сфере электроснабжения, промышленности, возобновляемой энергетики и инфраструктуры.

Наша инженерная команда может настроить:

• Номинальную мощность и коэффициент трансформации
• Импеданс трансформатора
• Группа векторов
• Диапазон регулирования напряжения и расположение устройства РПН
• Полную или ступенчатую изоляцию
• Вывод нейтрали и интерфейсы заземления
• Интерфейсы выключателя заземления
• Трансформаторы тока нейтрали
• Устройства ограничения перенапряжений и защитные искровые промежутки
• Вспомогательные устройства контроля и защиты
• Система охлаждения
• Проходные изоляторы и кабельные соединения
• Применимые требования МЭК, IEEE или проектные требования

Обсудите свой проект трансформатора на 110 кВ

Ищете индивидуальный масляный трансформатор на 110 кВ или согласованное решение по заземлению нейтрали?

Направьте в компанию Dingxin Electric однолинейную схему, номинальные параметры трансформатора, коэффициент трансформации, способ заземления системы, уровень изоляции нейтрали, ток короткого замыкания, условия монтажа и применимые стандарты.

Свяжитесь с компанией Dingxin Electric для получения индивидуального коммерческого предложения по трансформатору и технического обзора.