110 kV oljeimmerserad transformatornollpunktsjordningssystem

A110 kV oljeimmerserad krafttransformator utför en avgörande roll för spänningsomvandling och massiv elkraftöverföring. Transformatorn kan dock inte betraktas separat från jordningsanordningen i elnätet.

Transformatornollpunktsjordningssystemet påverkar:

• Jordfelström
• Tillfällig och transient överspänning
• Skyddskänslighet och selektivitet
• Transformatorns isoleringskrav
• Systemstabilitet
• Person- och utrustningssäkerhet

Av denna anledning är nollpunktsjordning inte bara ett tillval av tillbehör. Den måste samordnas med transformatorns lindningsanslutning, systemets jordningsfilosofi, isoleringsnivå, skyddsschema och understations jordningsnät.

Den här artikeln förklarar de främsta funktionerna, komponenterna och de tekniska överväganden som gäller för ett neutraljordningssystem för en 110 kV oljeimmerserad transformator.

Viktigt: Det lämpliga sättet att jorda neutralpunkten måste fastställas av systemoperatören och kvalificerade elkraftsingenjörer. Det får inte väljas utelut utifrån transformatorns spänningsklass.

Vad är neutralpunkten i en 110 kV-transformator?

När en trefas-transformatorlindning är kopplad i stjärna, eller wye, är de tre lindningarnas ändar sammankopplade i en gemensam punkt. Denna koppling kallas neutralpunkten och identifieras normalt med bokstaven N.

Neutralpunkten ger en referenspunkt för fasspänningarna mot jord. Det bör dock inte antas att dess potential alltid är noll.

Under normal balanserad drift kan dess spänning i förhållande till jord vara nära noll. Vid en jordfel, vid en manöver, vid ferroresonans eller vid någon annan obalanserad förhållande kan neutralpunkts-spänningen skifta betydligt.

Den neutrala anslutningen och dess isolering måste därför utformas enligt:

• Lindningsanslutningen
• Den valda jordningsmetoden
• Transformatorns isoleringsutformning
• Förväntade tillfälliga överspänningar
• Åsk- och växlingsöverspänningar
• Skyddets reaktionstid
• Systemets isoleringskoordineringsstudie

IEC 60076-3 specificerar transformatorns isoleringskrav, dielektriska prov och yttre luftavstånd för enskilda lindningar och anslutningar.

Vad är Transformator Neutral jordning?

Transformatorns neutralpunktjordning är en avsiktlig koppling av neutralpunkten i en stjärnkopplad lindning till jorden.

Beroende på nätets utformning kan neutralpunkten vara:

• Helt jordade
• Jordad genom en resistor
• Jordad genom en reaktor
• Jordad genom en annan impedans
• Ansluten via en jordtransformator
• Drift utan jordning under specificerade förhållanden
• Växlingsbar mellan jordad och ej jordad drift enligt ett godkänt driftschema

Jordningsmetoden avgör storleken och beteendet hos nollsekvensströmmen vid en felström mellan fas och jord. Den påverkar också tillfällig överspänning, relädrift samt isolationspåverkan på transformatorn och ansluten utrustning.

IEEE C62.92 beskriver de grundläggande överväganden som används för att välja parametrar för neutralpunktjordning för att styra jordfelströmmar och överspänningar i elnät. Dess vägledning för transmissionsnät behandlar även transformatorns neutralpunktjordning och specifikation av jordutrustning.

Varför kräver en 110 kV-transformator en korrekt neutraljordningsanordning?

1. Styrning av jordfelström

När ett fas-jord-fel uppstår bestämmer jordningsanordningen återvägspathen och storleken på nollsekvensfelströmmen.

En fast jordad neutral kan tillåta en hög jordfelström, vilket gör att skyddsutrustning kan upptäcka och avbryta felet snabbt. Jordning via impedans begränsar strömmen till ett beräknat värde samtidigt som den fortfarande ger en mätbar signal för skydd.

Den korrekta metoden beror på nätets felnivå, skyddskonstruktionen och driftkraven.

2. Begränsning av tillfällig överspänning

I ett ej jordat eller otillräckligt jordat system kan ett enfasigt jordfel orsaka att spänningen mellan de friska faserna och jorden stiger. Detta kan utsätta transformatorns anslutningar, kablar, styrutrustning och annan utrustning för ökad isolationspåverkan.

En korrekt konstruerad jordningsanordning hjälper till att styra neutralens förskjutning och tillfällig överspänning.

3. Skydd av transformatorns neutralisolering

Vissa transformatorer använder graduerad isolering, vilket innebär att isoleringsnivån nära den neutrala änden av en lindning är lägre än vid linjeterminalen. En sådan neutral får inte utsättas för spänningspåverkan som överstiger dess tilldelade isoleringsnivå.

Om graduerad isolering används måste detta bekräftas från transformatorns konstruktion och skylt – inte antas enbart utifrån spänningsklassen.

Skydd av neutralisolering kan kräva samordning mellan:

• Jordningsbrytaren
• Överspänningsskydd
• Skyddsgapet
• Neutralströmmtransformatorn
• Transformator-differentskydd
• Begränsad jordfelsskyddsfunktion
• Nollsekvensöverströmskydd
• Neutralöverspänningsskydd

4. Stöd för selektiv skyddsfunktion

En känd nollsekvensströmsväg gör att skyddssystem kan skilja jordfel från normal lastström och andra systemförhållanden.

Beroende på skyddsfilosofin kan nollpunktsströmmen mätas för:

• Jordfelsoverströmskydd
• Begränsad jordfelsskyddsfunktion
• Transformator-differentskydd
• Övervakning av nollpunktsobalans
• Detektering av ström genom skyddsgap

Skyddsinställningar måste baseras på en kortslutnings- och skyddskoordineringsstudie.

5. Förbättrad systemstabilitet och felhantering

Snabb, selektiv felisolering minskar termisk och mekanisk belastning på transformatorn och begränsar risken för att ett lokalt fel utvecklas till en större systemstörning.

Jordning eliminerar inte fel. Dess syfte är att kontrollera deras elektriska effekter och möjliggöra att skyddssystemet reagerar enligt design.

Huvudkomponenter i ett transformatornollpunktsjordningssystem

En jordningsanordning för transformatorns nollpunkt på 110 kV kan omfatta flera komponenter. Den exakta konfigurationen varierar beroende på projekt.

1. Nollpunktsjordningsswitch

Nollpunktsjordningsswitchen tillhandahåller en kontrollerad metallisk anslutning mellan transformatorns nollpunkt och understationens jordningssystem.

Den kan drivas manuellt eller elektriskt och kan inkludera lägesindikering, interlocking och gränssnitt för fjärrstyrning.

De krävda prestandaegenskaperna kan inkludera:

• Högsta systemspänning
• Kontinuerlig ström, om tillämpligt
• Korttidsmotståndskraftig ström
• Toppspänningsbelastningsström
• Isoleringsnivå
• Maskinmässig hållbarhet
• Operatormekanism
• Miljöskydd
• Krav på hjälpkontakter

Switchens läge måste regleras av en godkänd driftprocedur. Operatörer får inte anta att nollpunkten alltid ska vara jordad eller alltid frånkopplad.

Att koppla om transformatorns nollpunkt ändrar nätverkets nollsekvensimpedans och kan påverka:

• Jordfelström
• Reläkänslighet
• Tillfällig överspänning
• Drift av parallellkopplade transformatorer
• Skyddskoordination

Det bör därför behandlas som en systemdrift, inte en isolerad mekanisk åtgärd.

2. Neutralledare för jordning

Jordningsledaren ansluter den neutrala polen, jordningsswitchen och jordningsnätet i understationen.

Den måste dimensioneras för den beräknade felströmmen och bortkopplingstiden. Dess utformning måste även ta hänsyn till:

• Termisk hållfasthet
• Elektrodynamiska krafter
• Mekaniskt skydd
• Korrosion
• Anslutningspålitlighet
• Ruttning och klareringar
• Tillgänglighet för inspektion och underhåll

Där redundanta jordningsledare krävs ska de anslutas till lämpligt separerade punkter på jordningsnätet i enlighet med den godkända transformatorstationens design.

Antalet, materialet och tvärsnittsarean för ledarna måste följa projektets specifikationer och lokala standarder.

3. Transformatorstations jordningsnät

Jordningsnätet sprider felströmmen ut i jorden och skapar en ekvipotentiell referens för transformatorstationen.

Designen måste ta hänsyn till mer än ett enda jordningsmotståndsvärde. Viktiga faktorer inkluderar:

• Maximal jordfelström
• Felvaraktighet
• Jordmotstånd
• Nätets geometri
• Ledarnas termiska klassning
• Stegspänning
• Beröringspotential
• Överförd potential
• Ytskiktets egenskaper
• Korrosionsmarginal
• Anslutningar till utrustningskonstruktioner och stängsel

Ett universellt krav som exempelvis "jordningsresistans måste alltid vara under 4 Ω" får inte tillämpas på varje 110 kV-transformatorstation. Den acceptabla konstruktionen måste fastställas genom jordningsstudien samt gällande nationella eller elnätskrav.

4. Neutral skyddsspärr

En metalloxid-skyddsspärr kan installeras mellan transformatorns neutralpunkt och jord för att begränsa specificerade transienta överspänningar.

Under normal drift visar skyddsspärren en hög impedans. När en överspänning överskrider dess skyddsegenskaper leder den överspänningsström och begränsar spänningen som påverkar neutralpunktsisoleringen.

Urval av skyddsspärr kräver samordning av:

• Kontinuerlig driftspänning
• Nominell spänning
• Kapacitet för tillfällig överspänning
• Nominell Entagningström
• Energiförmåga
• Resterande spänning
• Isoleringsnivå för transformatorns neutralpunkt
• Systemjordningsförhållande

IEC 60099-4 gäller lucklösa metalloxidöverspänningsavledare som används för att begränsa överspänningar i växelspänningsnät över 1 kV. IEC 60099-4

En överspänningsavledare får inte väljas enbart utifrån transformatorns nominella systemspänning. Neutralpunkten kan utsättas för en annan spänningsbelastning än linjeterminalerna.

5. Skyddslucka för neutralpunkten

En skyddslucka med luftgap kan anslutas mellan transformatorns neutralpunkt och jord. Under normala förhållanden förblir den icke-ledande. Om neutralpunktens spänning når luckans genomslagsnivå bryts luftgapet ned och ger en urladdningsväg.

En strömtransformator kan installeras i luckans krets så att luckaströmmen utlöser ett larm eller ett avbrottsignal.

Luckan kräver noggrann samordning eftersom dess beteende påverkas av:

• Elektrodform
• Gapsavstånd
• Luftdensitet
• Höjd över havet
• Fuktighet och föroreningar
• Installationsgeometri
• Spänning med nätfrekvens
• Impulsspanning
• Isoleringsnivå för neutralledaren

Skyddsgap kan visa större spridning av gnistövergång än metalloxidavledare. Deras funktion kan även generera avklippta impulsbelastningar och nätfrekvensens fortsättningsström.

Gapsinställningen måste därför fastställas genom isoleringskoordinerings- och skyddsstudier, inte genom att kopiera ett standardfysiskt avstånd från ett annat projekt.

6. Neutralströmförstärkare

En strömförstärkare i neutralledningsanslutningen kan ge mätsignaler för transformator- och jordfelsskydd.

Möjliga applikationer inkluderar:

• Neutral strömskydd
• Begränsad jordfelsskyddsfunktion
• Transformator-differentskydd
• Detektering av ström genom skyddsgap
• Händelseloggnig

Förhållandet, klassen, knäpunktspänningen, belastningen och korttidströmvärdet måste stämma överens med reläschema och beräknad felbelastning.

7. Överspänningsräknare och läckströmsövervakning

En överspänningsräknare registrerar urladdningshändelser genom överspänningsavledaren. Vissa enheter ger även indikation av läckström.

En ökning av räknaroperationer bevisar inte automatiskt att avledaren är defekt. Den indikerar att urladdningshändelser har inträffat och bör utvärderas tillsammans med:

• Systemstörningsregister
• Åskaktivitet
• Styrhändelser
• Läckströmtrender
• Avledartemperatur
• Fysisk tillstånd
• Tillverkarens inspektionskriterier

Anslutningen till räknaren måste förbli kort, direkt och korrekt jordad eftersom onödigt långa ledningar kan minska skyddsfunktionen.

Hur fungerar överspänningsavledaren och skyddsgapet tillsammans?

När båda är installerade ger normalt sett den neutrala överspänningsavledaren och skyddsgapet komplementärt skydd.

Överspänningsskydd

Avledaren väljs främst för att begränsa transienta överspänningar samtidigt som en förutsägbar skyddsnivå bibehålls.

Skyddsgapet

Gapet kan ge reservskydd eller reagera under specificerade temporära eller effektfrekvensöverspänningsförhållanden, beroende på konstruktionen.

Deras samordning måste säkerställa att:

• Avledaren skyddar transformatorn inom dess energikapacitet.
• Gapet inte utlöses onödigt vid vanliga transients.
• Gapet utlöses innan neutralisoleringen överbelastas under de förhållanden det är avsett att täcka.
• Reläskyddet avbryter eventuell effektfrekvensföljström.
• Överspänningsavledaren utsätts inte för en oacceptabel tillfällig överspänning.

Det är felaktigt att påstå att överspänningsavledaren och gapet alltid agerar i en fast sekvens. Deras respons beror på spänningsformen, varaktigheten, skyddsegenskaperna och systemkonfigurationen.

Isoleringskoordinering bör följa principerna i IEC 60071-1, som behandlar valet av nominella hållspänningar för jordisolering, fas-till-fas-isolering och längsgående isolering i växelspänningsnät över 1 kV. IEC 60071-1

Vanliga metoder för neutralpunktsjordning

Solid jordning

Neutralpunkten är ansluten till jorden via en väldigt lågimpedant väg.

Typiska egenskaper:

• Hög jordfelström
• Tydlig nollsekvensreferens
• Snabb felidentifiering
• Lägre tillfällig överspänning
• Högre krav på felbelastning

Resistansjordning

En neutral jordningsresistor begränsar jordfelströmmen till en beräknad nivå.

Typiska egenskaper:

• Minskad utrustningsskada vid jordfel
• Reglerad skyddström
• Definierad termisk belastning för resistorn
• Behov av övervakning av resistorns temperatur och kontinuitet

Reaktorjordning

En jordningsreaktor begränsar strömmen genom induktiv impedans.

Typiska egenskaper:

• Minskad jordfelström
• Systemspecifikt nollsekvensbeteende
• Behov av detaljerade transienta och skyddsstudier

Resonansjordning

En reaktor är avstämd för att kompensera nätets jordfelkapacitans.

Denna anordning är vanligare i vissa mellanspänningsnät och får inte utan specifik systemstudie antas gälla för en 110 kV-lindning.

Selektiv neutraljordning

I transformatorstationer med transformatorer som drivs parallellt kan systemoperatören jorda utvalda transformatorneutraler för att styra nollsekvensströmmen och skyddets prestanda.

Att öppna eller stänga en neutralbrytare ändrar jordningsförhållandet för hela det anslutna nätet. Interlåsning och driftförfaranden är därför avgörande.

Varför är neutraljordning viktig vid inkoppling och urkoppling?

Transformatorsväxling kan generera tillfälliga och kortvariga överspänningar. Den neutrala förhållandet vid inkoppling eller urkoppling kan påverka spänningspåverkan på en isoleringslindning med graduerad isolering.

Vissa elnätsföretags procedurer kräver att den neutrala jordningsswitchen ska vara stängd innan en transformator kopplas in eller ur. Detta får dock inte presenteras som en universell regel.

Den korrekta växlingssekvensen beror på:

• Transformatorns isoleringsdesign
• Brytaranordningen
• Antalet transformatorer i parallellkoppling
• Systemets jordningskonfiguration
• Skyddsinställningar
• Överspänningsavledares märkspänning
• Elnätsföretagets driftregler
• Resultaten av växlings- och isoleringsstudier

Operatörer måste följa de godkända växlingsinstruktionerna för den aktuella transformatorstationen.

Kontroll- och underhållslista

Underhåll måste utföras av auktoriserad personal enligt platsens el säkerhetsförfaranden.

Neutraljordningsswitch

Kontrollera:

• Indikation av öppen och sluten position
• Mekanisk justering
• Kontaktförhållande
• Operatormekanism
• Motor- och stykkretsar
• Hjälpkontakter
• Klickande
• Isolatorernas renlighet och integritet
• Tecken på överhettning eller urladdning

Jordningsledare

Kontrollera förekomst av:

• Lösa eller skadade anslutningar
• Brutna trådar eller spruckna ledare
• Korrosion
• Ovanlig uppvärmning
• Otillräckliga avstånd
• Mekanisk skada
• Oauktoriserade modifieringar

Överspänningsskydd

Kontrollera:

• Tillståndet för porcelän- eller polymerhölje
• Föroreningar och urladdningsmärken
• Kontaktplinters åtdragning
• Jordledningsroutning
• Låsning av överspänningsräknare
• Indikation på läckström, om tillgänglig
• Tillverkarens föreskrivna diagnostiska resultat

Skyddsgapet

Verifiera:

• Elektrodens tillstånd
• Rätt avstånd mellan komponenter
• Justering
• Ytkontamination
• Bevis på tidigare urladdning
• Anslutningar för strömomvandlare
• Avstånd till närliggande utrustning

Jordningsnät

Utför inspektioner och tester enligt undercentralens underhållsplan, inklusive:

• Kontinuitet i anslutningar
• Mätning av jordningsmotstånd eller impedans
• Bedömning av markförhållanden
• Granskning av steg- och berörings-spänning efter större modifieringar
• Korrosionsbedömning
• Verifiering av nyanslutna utrustningar

Vanliga problem och deras konsekvenser

Felaktig position för jordningsbrytare

En felaktig brytarposition kan ändra jordfelströmmen och göra reläkoordineringen ogiltig.

Lös neutralanslutning

En hög-ohmig eller intermittenta anslutning kan orsaka uppvärmning, gnistbildning och oförutsägbar neutralpotential.

För liten jordningsledare

En ledare med otillräcklig termisk eller mekanisk kapacitet kan gå sönder vid ett jordfel med hög ström.

Felaktig dimensionering av överspänningsavledare

En avledare med otillräcklig förmåga att hantera tillfällig överspänning kan överhettas eller gå sönder. En för hög skyddsnivå kan lämna transformatorns neutralpunkt otillräckligt skyddad.

Förorenad eller felaktigt inställd skyddsglugg

Föroreningar, höjd över havet eller felaktig avståndsanordning kan ändra gnistströmningsvoltaget och orsaka för tidig aktivering eller underlåten aktivering.

Okoordinerade skyddsinställningar

Även ett korrekt installerat jordningssystem kan inte ge effektivt skydd om de associerade reläfunktionerna är felaktigt valda eller inställda.

Teknisk information krävs för en anpassad design

Innan en transformator och ett neutralpunktsjordningspaket på 110 kV specificeras bör tillverkaren ta emot:

• Systemets nominella spänning och högsta spänning för utrustning
• Systemfrekvens
• Transformatorns märkeffekt
• Vindningsspänning och anslutning
• Vektorgrupp
• Neutralens isoleringsnivå
• Krav på full eller gradvis isolering
• Maximal och minimal jordfelström
• Tid för felborttagning
• Jordningsfilosofi
• Villkor för transformatorers parallellkoppling
• Skyddets enlinjediagram
• Överspänningsavledarens driftbelastning
• Platsens höjd över havet och föroreningsnivå
• Omgivningstemperatur
• Seismiska och klimatrelaterade krav
• Tillämpliga IEC-, IEEE-, nationella eller elnätsstandarder

Dessa parametrar avgör lämpliga utrustningsklassningar och gränssnittsdesign.

Anpassade 110 kV-transformatorlösningar från Dingxin Electric

Dingxin Electric tillverkar anpassade oljeimmersionskrafttransformatorer och samordnade transformatoraccessoarer för elnäts-, industri-, förnybar-energi- och infrastrukturprojekt.

Vårt ingenjörsteam kan konfigurera:

• Nominal effekt och spänningsförhållande
• Transformatorimpedans
• Vektorgrupp
• Tapområde och OLTC-anordning
• Full eller gradvis isolering
• Neutralledare och jordningsgränssnitt
• Gränssnitt för jordningsswitchar
• Neutralströmsomformare
• Överspänningsavledare och skyddsgapanordningar
• Övervaknings- och skyddsaccessoarer
• Kylsystem
• Genomföringar och kabelgränssnitt
• Tillämpliga IEC-, IEEE- eller projekt-specifika krav

Diskutera ditt 110 kV-transformatorprojekt

Letar du efter en anpassad 110 kV oljeimmenserad transformator eller en samordnad neutral jordningslösning?

Skicka Dingxin Electric din enfasdiagram, transformatorns märkeffekt, spänningsförhållande, systemjordningsmetod, neutral isolationsnivå, felström, platsförhållanden och tillämpliga standarder.

Kontakta Dingxin Electric för ett projekt-specifikt transformatorförslag och teknisk granskning.