Selectie en optimalisatie van de beveiligingsconfiguratie van aardingsmethoden voor het neutrale punt van 110 kV-transformatoren

Invoering

In hoogspanningssystemen is de aardingsmethode van het neutrale punt van de transformator een cruciale factor die de veiligheid, betrouwbaarheid en stabiliteit van het systeem beïnvloedt. Voor 110 kV-systemen heeft de keuze van de aardingsmethode van het neutrale punt direct invloed op de isolatieniveaus van de apparatuur, de overspanningsbeveiliging, de configuratie van de relaisbeveiliging en de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening. In China wordt in 110 kV-systemen doorgaans een gedeeltelijk effectieve aardingsmethodewaarbij sommige neutrale punten van de transformator direct geaard zijn, terwijl andere niet geaard zijn, met als doel eenfasige kortsluitstromen te beperken en tegelijkertijd overspanningsrisico's te voorkomen.

Dit artikel analyseert de kenmerken, voordelen en beperkingen van verschillende aardingsmethoden voor het neutrale punt van 110 kV-transformatoren, onderzoekt optimale strategieën voor beveiligingsconfiguraties en presenteert toekomstige ontwikkelingstrends.

1. Belangrijkste aardingsmethoden voor het neutrale punt van 110 kV-transformatoren

1.1 Directe aarding

Directe aardingDit verwijst naar de directe verbinding van het neutrale punt van de transformator met aarde. Deze methode fixeert effectief de potentiaal van het neutrale punt, waardoor tijdens een eenfasige aardfout de spanningsstijging van de niet-foutieve fase niet meer dan 1,4 keer de fasespanning bedraagt. Dit helpt de isolatie-eisen voor apparatuur te verlagen en de kosten te reduceren.

Een belangrijk nadeel is echter dat zeer hoge eenfasige aardfoutstroom(tot wel enkele duizenden ampère), wat de uitschakelcapaciteit van de stroomonderbreker en de systeemstabiliteit kan beïnvloeden. Daarom wordt directe aarding over het algemeen gebruikt in systemen van 110 kV en hoger waar snelle foutafhandeling noodzakelijk is.

1.2 Niet-geaarde neutrale draad

In een ongeaard systeemHet neutrale punt van de transformator is geïsoleerd van de aarde. Wanneer er een eenfasige aardfout optreedt, is de foutstroom zeer klein (voornamelijk de capacitieve stroom van het systeem), waardoor het systeem nog een korte tijd kan blijven functioneren (doorgaans tot 2 uur). Dit verbetert de prestaties aanzienlijk. betrouwbaarheid van de stroomvoorziening.

In niet-geaarde systemen kunnen eenfasige aardfouten er echter voor zorgen dat de spanning van de niet-defecte fase stijgt tot het niveau van de netspanning. Als de isolatie zwak is, kan dit leiden tot doorslag, wat kan escaleren tot een fase-fasefout. Bovendien kan intermitterende vlamboogaarding een kortsluiting veroorzaken. boogoverspanningenwaarbij de spanning 3 tot 3,5 keer zo hoog kan worden als de fasespanning, wat een bedreiging vormt voor de isolatie van de transformator.

1.3 Aarding via kleine impedantie

Om de voor- en nadelen van directe aarding en niet-geaarde systemen in evenwicht te brengen, impedantie-aardingsmethodewordt vaak gebruikt. Dit omvat aarding via een kleine weerstand of een kleine reactantie.

• Aarding met lage weerstandDeze methode beperkt de kortsluitstroom tot enkele honderden ampère, waardoor de impact op het systeem wordt verminderd en tegelijkertijd een snelle beveiligingswerking mogelijk blijft. De methode onderdrukt overspanningen effectief en is geschikt voor kabelintensieve distributienetwerken met grote capacitieve stromen.
• Aarding met lage reactantieDeze methode kan de capacitieve stroom van het systeem compenseren door middel van inductieve stroom, waardoor de kans op herontsteking van de vlamboog wordt verkleind. Deze methode wordt vaak beschouwd als een gecompenseerde aardingsmethode.

Aarding via een lage impedantie combineert de voordelen van zowel directe als ongeaarde systemen, en biedt overspanningsbeveiliging en een relatief hoge betrouwbaarheid van de stroomvoorziening. Het wordt veel gebruikt in 110 kV-systemen, met name in systemen met aanzienlijke capacitieve stromen of systemen die een hoge stroomkwaliteit vereisen.

2 Beveiligingsconfiguraties voor de neutrale punten van 110 kV-transformatoren

2.1 Gevaren door overspanning

Het isolatieniveau van het neutrale punt van een 110 kV transformator is doorgaans halfgeïsoleerdmet een nominale spanning die slechts een derde bedraagt ​​van die van het uiteinde van de lijn. Hierdoor is het nulpunt kwetsbaar voor schade door overspanning. De belangrijkste soorten overspanning zijn:

• Netfrequentie-overspanning: Ontstaan ​​door het schakelen van leidingen, asymmetrische kortsluitingen of plotseling wegvallen van de belasting.
• Resonantie-overspanningVeroorzaakt door oscillaties als gevolg van interacties tussen inductieve en capacitieve elementen tijdens systeemwerking of storingen.
• SchakeloverspanningDit is het gevolg van de omzetting van magnetische en elektrostatische energie tijdens het openen of sluiten van stroomonderbrekers.
• Blikseminslag overspanningVeroorzaakt door blikseminslagen, gekenmerkt door een hoge amplitude en een korte duur.

2.2 Gangbare beveiligingsapparaten

Om het nulpunt van de transformator te beschermen, worden doorgaans de volgende beveiligingsapparaten gebruikt:

• OverspanningsbeveiligersDeze beperken bliksemoverspanning en bepaalde schakeloverspanningen. Standaard overspanningsbeveiligers zijn echter vaak onvoldoende voor het lage isolatieniveau van de neutrale punten van 110 kV-transformatoren, waardoor de juiste keuze lastig kan zijn.
• IsolatieklovenDeze beveiligingen beschermen tegen overspanningen door netfrequentie en resonantie. Bij overspanning breekt de luchtspleet door, waardoor het neutrale punt wordt geaard en de spanningsstijging wordt beperkt. Een nadeel is de moeilijkheid om de afstand tussen de luchtspleten nauwkeurig af te stellen, wat kan leiden tot een verkeerde afstemming van de beveiliging.
• Parallelle aansluiting van overspanningsbeveiliging en tussenruimteDit is een veelgebruikte beveiligingsmethode. De overspanningsbeveiliging vangt blikseminslagen op, terwijl de luchtspleet overspanningen door netfrequentie en resonantie opvangt. De luchtspleet beschermt de overspanningsbeveiliging ook tegen te hoge overspanningen door netfrequentie die tot uitval zouden kunnen leiden. Deze aanpak biedt complementaire voordelen.

2.3 Relaisbeveiligingsconfiguratie

Relaisbeveiliging voor het nulpunt van een 110 kV-transformator omvat hoofdzakelijk de volgende aspecten:

• Nulvolgorde stroombeveiligingBij direct geaarde transformatoren is een nulvolgordestroombeveiliging geconfigureerd om aardfouten snel te verhelpen. De beveiliging is meestal onderverdeeld in secties, met korte vertragingen voor foutlokalisatie en langere vertragingen voor het uitschakelen van alle zijden van de transformator.
• Nulvolgorde-spanningsbeveiliging en gapstroombeveiligingVoor niet-geaarde transformatoren worden nulvolgorde-spanningsbeveiliging en spleetstroombeveiliging ingesteld. Wanneer een aardfout ervoor zorgt dat het systeem zijn aardingspunt verliest, wat leidt tot een spanningsstijging in het nulpunt, breekt de spleet door. Spleetstroombeveiliging of nulvolgorde-spanningsbeveiliging treedt in werking met een vertragingstijd (0,3-0,5 s) om de transformator aan alle kanten uit te schakelen.
• Coördinatie van back-upbeveiligingOm selectiviteit te garanderen, moeten de vertragingstijden van de nulvolgordebeveiliging op elkaar afgestemd zijn. De vertragingstijd van een back-upbeveiliging op een transformator moet bijvoorbeeld langer zijn dan die van de lijnbeveiliging die deze ondersteunt.

3 Optimalisatieaanbevelingen en casusanalyse

3.1 Beperkingen van traditionele methoden

Hoewel het gebruik van Overspanningsbeveiligers parallel aan openingenHoewel deze aanpak gebruikelijk is, kent hij verschillende tekortkomingen:

• Moeilijkheden bij de selectie van overspanningsbeveiligersHet is lastig om standaard overspanningsbeveiligers te vinden die voldoen aan de eisen van zowel een hoge continue bedrijfsspanning als een lage restspanning bij blikseminslagen voor de neutrale punten van 110 kV-transformatoren.
• Uitdagingen bij het vaststellen van de kloofDe doorslagspanning van de luchtspleet is onderhevig aan spreiding, waardoor het moeilijk is om de werking van de spleet nauwkeurig af te stemmen voor "verlies van aarding" en "met aarding" foutcondities.
• Complexiteit van relaisbeveiligingBeveiliging tegen "verlies van aarding" (zoals nulvolgorde-overspanningsbeveiliging en overstroombeveiliging in de luchtspleet) kan defect raken, waardoor aanvullende blokkeercriteria nodig zijn. Dit verhoogt de complexiteit en vermindert de betrouwbaarheid.

3.2 Voordelen van aarding via een kleine reactantie

Onderzoek en praktijk wijzen uit dat het neutrale punt aarden via een kleine reactantiebiedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele gedeeltelijke aardingsmethoden:

• Verlaagde eisen aan het isolatieniveauNa toepassing van aarding met lage reactantie kan het isolatieniveau van het neutrale punt van de transformator worden verlaagd van 35 kV naar 20 kV, waardoor overspanningsbeveiligers en luchtspleten overbodig worden en de beveiligingsconfiguratie wordt vereenvoudigd.
• Geïntegreerde aardingsmodusDeze methode elimineert het ontstaan ​​van een geïsoleerd, niet-geaard systeem, waardoor de bijbehorende beveiliging kan worden vereenvoudigd of weggelaten, en de betrouwbaarheid wordt verhoogd.
• Behoud van voordelenHet behoudt de voordelen van gedeeltelijke aarding, zoals eenvoudige en betrouwbare nulvolgordebeveiliging, terwijl het de kortsluitstromen van eenfasige systemen beperkt.

3.3 Casestudieanalyse

Een voorbeeld is een transformator voor een 110 kV-eindstation. Het oorspronkelijke ontwerp maakte gebruik van een overspanningsbeveiliging parallel met een openingvoor de beveiliging van het neutrale punt. Na toepassing van aarding met een lage reactantie werd de isolatie-eis voor het neutrale punt van de transformator echter verlaagd, werden de beveiligingscomponenten vereenvoudigd en verbeterde de bedrijfszekerheid. Berekeningen toonden aan dat de aardingsweerstand de foutstroom kon beperken tot enkele honderden ampères en dat de nulvolgordebeveiliging eenvoudig kon worden gecoördineerd.

Een ander geval betrof een storing in een 110 kV-onderstation, waarbij een tijdelijke eenfasige aardfout op de inkomende lijn leidde tot een doorslag van de nulleider en het uitschakelen van de transformator. Analyse wees uit dat, hoewel de lijnfout van tijdelijke aard was, de feedback van een groot aantal asynchrone motorenAan de belastingszijde werd energie geleverd voor de vlamboog, waardoor de kortsluiting in stand werd gehouden. Dit benadrukt dat voor transformatoren met aanzienlijke motorbelastingen (equivalente bronnen) volledige beveiliging van het nulpunt, inclusief nulvolgorde-overstroom-, spleetstroom- en nulvolgorde-spanningsbeveiliging, essentieel is tijdens de ontwerpfase.

4 Conclusie en vooruitzichten

De keuze van de aardingsmethode voor het neutrale punt van een 110 kV-transformator en de bijbehorende beveiligingsconfiguratie is een complexe taak waarbij rekening moet worden gehouden met de systeemstructuur, de belastingseigenschappen en de betrouwbaarheidseisen. Hoewel de traditionele gedeeltelijke aardingsmethode in combinatie met overspanningsbeveiligers en luchtspleten veel voorkomt, brengt deze uitdagingen met zich mee op het gebied van componentselectie en afstemming van de instellingen. aardingsmethode met lage reactantiebiedt een veelbelovend alternatief, waardoor de isolatie-eisen mogelijk lager worden, de beveiliging vereenvoudigd wordt en de betrouwbaarheid verbetert.

Toekomstige ontwikkelingstrends zullen zich richten op de volgende gebieden:

• Toepassing van nieuwe apparatenDenk bijvoorbeeld aan samengestelde openingen of regelbare openingen die parallel met overspanningsbeveiligers worden gebruikt, waardoor de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de beveiliging worden verbeterd.
• Digitale beveiligingstechnologie: Het gebruik van op microcomputers gebaseerde beveiliging met geavanceerde algoritmen (bijv. golfvormidentificatie, harmonische analyse) om de gevoeligheid en betrouwbaarheid van aardlekbeveiliging te verbeteren.
• Standaardisatie en modularisatie: Het ontwikkelen van gestandaardiseerde en modulaire apparatuur voor de beveiliging van het nulpunt om het ontwerp en het onderhoud te vereenvoudigen.

Samenvattend is het optimaliseren van de aardingsmethode en de beveiligingsconfiguratie van het 110 kV-transformatorneutraalpunt cruciaal voor het verbeteren van de veiligheid, betrouwbaarheid en economische werking van het elektriciteitsnet. Met de technologische vooruitgang zullen naar verwachting intelligentere en efficiëntere oplossingen ontstaan ​​die op grote schaal worden toegepast.