система заземлення нейтралі масляного трансформатора на 110 кВ

А масляний силовий трансформатор на 110 кВ виконує критичну роль у перетворенні напруги та масовій передачі електроенергії. Однак трансформатор не можна розглядати окремо від системи заземлення електричної мережі.

Система заземлення нейтралі трансформатора впливає на:

• Струм замикання на землю
• Тимчасові та перехідні перевищення напруги
• Чутливість і селективність захисту
• Вимоги до ізоляції трансформатора
• Стабільність системи
• Безпеку персоналу та обладнання

Тому заземлення нейтралі — це не просто вибір додаткового пристрою. Його слід узгоджувати зі схемою з’єднання обмоток трансформатора, філософією заземлення системи, рівнем ізоляції, схемою захисту та заземлювальною сіткою підстанції.

Ця стаття пояснює основні функції, компоненти та інженерні аспекти системи нейтрального заземлення для олійного трансформатора на 110 кВ.

Важливо: Відповідний спосіб заземлення нейтралі має визначати оператор системи та кваліфіковані інженери з електроенергетичних систем. Його не слід вибирати виключно на основі номінальної напруги трансформатора.

Що таке нейтральна точка трансформатора на 110 кВ?

Коли обмотка трифазного трансформатора з’єднана у зірку (wye), кінці трьох обмоток з’єднуються в одній спільній точці. Таке з’єднання називають нейтральною точкою й зазвичай позначають літерою N.

Нейтраль забезпечує опорну точку для фазно-земельних напруг. Проте не слід вважати, що її потенціал завжди дорівнює нулю.

Під час нормальної симетричної роботи її напруга відносно землі може бути близькою до нуля. Під час земельного замикання, комутаційної події, ферорезонансу або іншої несиметричної умови напруга нейтралі може значно зміститися.

Нейтральний затискач та його ізоляція повинні тому бути розроблені відповідно до:

• Підключення обмотки
• Обраний спосіб заземлення
• Конструкція ізоляції трансформатора
• Очікувані тимчасові перенапруги
• Грозові та комутаційні перенапруги
• Час спрацювання захисту
• Дослідження узгодження ізоляції системи

IEC 60076-3 визначає вимоги до ізоляції трансформатора, діелектричні випробування та зовнішні зазори для окремих обмоток та затискачів.

Що таке Трансформатор Заземлення нейтралі?

Заземлення нейтралі трансформатора — це навмисне з’єднання нейтралі обмотки, з’єднаної зіркою, з землею.

Залежно від конструкції мережі нейтраль може бути:

• Системи з твердим заземленням
• Заземленою через резистор
• Заземленою через реактор
• Заземленою через інший імпеданс
• Підключеною через заземлювальний трансформатор
• Експлуатуватися без заземлення за встановленими умовами
• Перемикатися між заземленим і незаземленим станами відповідно до затвердженої схеми експлуатації

Спосіб заземлення визначає величину та характер нульової послідовності струму під час замикання фази на землю. Він також впливає на тимчасову перевищу напруги, роботу реле та механічне навантаження на ізоляцію трансформатора й під’єднаного обладнання.

IEEE C62.92 описує основні міркування, що використовуються для вибору параметрів заземлення нейтралі з метою контролю струму замикання на землю та перевищу напруги в системах електропостачання. Його рекомендації щодо систем передачі також стосуються заземлення нейтралі трансформатора та специфікації заземлювального обладнання.

Чому трансформатор на 110 кВ потребує належного заземлення нейтралі?

1. Контроль струму замикання на землю

Під час виникнення замикання фази на землю схема заземлення визначає шлях повернення та величину струму нульової послідовності.

Тверде заземлення нейтралі дозволяє виникнути високому струму замикання на землю, що забезпечує швидке виявлення та усунення несправності за допомогою захисних пристроїв. Заземлення через імпеданс обмежує струм до розрахункового значення, водночас забезпечуючи вимірюваний сигнал для захисту.

Правильний метод залежить від рівня аварійного струму в мережі, конструкції системи захисту та експлуатаційних вимог.

2. Обмеження тимчасових перенапруг

У незаземленій або недостатньо заземленій системі одnofазне замикання на землю може призвести до підвищення напруги між справними фазами та землею. Це може спричинити зростання напруги на затискачах трансформатора, кабелях, комутаційному обладнанні та іншому обладнанні, що збільшує навантаження на ізоляцію.

Належно спроектована схема заземлення допомагає контролювати зміщення нейтралі та тимчасові перенапруги.

3. Захист ізоляції нейтралі трансформатора

Деякі трансформатори використовують ступінчасту ізоляцію, тобто рівень ізоляції біля кінця обмотки, що підключений до нейтралі, нижчий, ніж біля лінійного виводу. Таку нейтраль не слід піддавати напруговим навантаженням, що перевищує її призначений рівень ізоляції.

Чи застосовується ступінчаста ізоляція, слід уточнювати за конструкцією та табличкою трансформатора — не виходити з цього лише на основі номінальної напруги.

Захист ізоляції нейтралі може вимагати узгодження між:

• Заземлювальним вимикачем
• Обмежувач перенапруги
• Захисним проміжком
• Трансформатором струму нейтралі
• Диференційний захист трансформатора
• Обмеженою захисною дією проти замикання на землю
• Захистом від надструму нульової послідовності
• Захистом нейтралі від наднапруги

4. Підтримка вибіркового захисту

Відомий шлях нульової послідовності струму дозволяє реле захисту відрізняти земні пошкодження від нормального струму навантаження та інших режимів роботи системи.

Залежно від філософії захисту, струм нейтралі може вимірюватися для:

• Захисту від перевантаження струмом земного пошкодження
• Обмеженою захисною дією проти замикання на землю
• Диференційний захист трансформатора
• Моніторингу дисбалансу нейтралі
• Виявлення струму через захисний проміжок

Параметри захисту мають ґрунтуватися на дослідженні короткого замикання та узгодження захисту.

5. Покращення стабільності системи та управління пошкодженнями

Швидке й вибіркове ізолювання пошкодження зменшує теплове й механічне навантаження на трансформатор і обмежує ризик перетворення локального пошкодження на масштабне порушення роботи системи.

Заземлення не усуває пошкодження. Його призначення — контролювати їхні електричні наслідки й забезпечувати роботу системи захисту згідно з проектом.

Основні компоненти системи заземлення нейтралі трансформатора

Схема заземлення нейтралі трансформатора 110 кВ може включати кілька компонентів. Точна конфігурація залежить від проекту.

1. Вимикач заземлення нейтралі

Вимикач заземлення нейтралі забезпечує контрольоване металеве з’єднання між нейтраллю трансформатора та системою заземлення підстанції.

Може працювати вручну або електрично, а також мати індикацію положення, блокувальні пристрої та інтерфейси для дистанційного керування.

Його необхідні параметри можуть включати:

• Найвищу напругу системи
• Номінальний тривалий струм (за наявності)
• Короткочасний стійкий струм
• Імпульсний струм стійкості
• Рівень ізоляції
• Механічна витривалість
• Приводний механізм
• Захист навколишнього середовища
• Вимоги до допоміжних контактів

Положення вимикача має регулюватися затвердженою експлуатаційною процедурою. Оператори не повинні вважати, що нейтраль завжди має бути заземленою або завжди відключеною.

Перемикання нейтралі трансформатора змінює нульову послідовність імпедансу мережі й може впливати на:

• Струм замикання на землю
• Чутливість реле
• Тимчасову перевищуєну напругу
• Роботу трансформаторів у паралельному режимі
• Узгодження захисту

Тому його слід розглядати як операцію в системі, а не як ізольовану механічну дію.

2. Провідник заземлення нейтралі

Провідник заземлення з’єднує клему нейтралі, вимикач заземлення та сітку заземлення підстанції.

Його переріз має бути розрахованим на розрахунковий струм короткого замикання й час відключення. У проектуванні також слід враховувати:

• Термічну стійкість
• Електродинамічні сили
• Механічний захист
• Корозія
• Надійність з'єднань
• Маршрутизація та зазори
• Доступ для огляду та технічного обслуговування

У разі необхідності резервних заземлювальних провідників їх слід підключати до відповідно розділених точок на заземлювальній сітці згідно з затвердженим проектом підстанції.

Кількість, матеріал і переріз провідників мають відповідати проектним вимогам та місцевим стандартам.

3. Заземлювальна сітка підстанції

Заземлювальна сітка розподіляє аварійний струм у ґрунт і створює еквіпотенційну опорну основу для підстанції.

При її проектуванні слід враховувати не лише одне значення опору землі. Важливими факторами є:

• Максимальний земельний аварійний струм
• Тривалість пошкодження
• Електрична притаманність ґрунту
• Геометрія сітки
• Термічна стійкість провідників
• Напруга кроку
• Напруга дотику
• Передана потенційна різниця
• Характеристики поверхневого шару
• Запас на корозію
• Підключення до конструкцій обладнання та огорож

Універсальне вимога, наприклад «опір заземлення має завжди бути нижчим за 4 Ом», не повинна застосовуватися до кожної підстанції 110 кВ. Допустимий проект має бути встановлений у результаті дослідження заземлення та відповідних національних або експлуатаційних вимог.

4. Обмежувач перенапруги нейтралі

Обмежувач перенапруги на основі оксиду металу може бути встановлений між нейтраллю трансформатора й землею для обмеження заданих тимчасових перенапруг.

У нормальних умовах роботи обмежувач має високий імпеданс. Коли перенапруга перевищує його захисну характеристику, він пропускає струм перенапруги й обмежує напругу, що прикладається до ізоляції нейтралі.

Підбір обмежувача вимагає узгодження:

• Неперервне операційне напруга
• Номінальна напруга
• Здатність витримувати тимчасове перевищення напруги
• Номінальний ток розрядки
• Енергетична здатність
• Залишкове напруга
• Рівень ізоляції нейтралі трансформатора
• Умова заземлення системи

Міжнародний стандарт IEC 60099-4 застосовується до безпробійних оксидно-металевих обмежувачів перенапруг, призначених для обмеження імпульсів у змінному струмі в системах понад 1 кВ. IEC 60099-4

Обмежувач перенапруги не повинен вибиратися лише на основі номінальної системної напруги трансформатора. Нейтраль може підлягати іншому напрузі, ніж лінійні затискачі.

5. Захисний проміжок нейтралі

Захисний повітряний проміжок може бути підключений між нейтраллю трансформатора та землею. За нормальних умов він залишається непровідним. Якщо напруга на нейтралі досягає рівня пробою проміжку, повітряний проміжок пробивається й забезпечує шлях для розряду.

У колі проміжку може бути встановлено вимірювальний трансформатор струму, щоб струм через проміжок ініціював сигнал тривоги або відключення.

Проміжок вимагає ретельної узгодженості, оскільки його поведінка залежить від:

• Форми електродів
• Відстані між електродами
• Густина повітря
• Висота над рівнем моря
• Вологості та забруднення
• Геометрії встановлення
• Напруги мережної частоти
• Імпульсне напруга
• Рівня ізоляції нейтралі

Захисні проміжки можуть мати більшу дисперсію пробою порівняно з оксидними обмежувачами перенапруг. Їх робота також може призводити до імпульсів з обрізаною вершиною та супровідного струму мережної частоти.

Тому налаштування проміжку має визначатися за результатами досліджень узгодження ізоляції та захисту, а не шляхом копіювання стандартної фізичної відстані з іншого проекту.

6. Трансформатор нейтрального струму

Трансформатор струму в нейтральному з'єднанні може забезпечувати сигнали вимірювання для захисту трансформатора та захисту від замикання на землю.

Можливі сфери застосування:

• Захист від перевантаження нейтралі
• Обмеженою захисною дією проти замикання на землю
• Диференційний захист трансформатора
• Виявлення струму через захисний проміжок
• Запис подій

Його коефіцієнт трансформації, клас, напруга коліна характеристики, навантаження та номінальний струм короткочасного режиму мають відповідати схемі реле й розрахованій аварійній навантаженості.

7. Лічильник імпульсних перенапруг та монітор витокового струму

Лічильник імпульсних перенапруг фіксує події розряду через обмежувач перенапруги. Деякі пристрої також забезпечують індикацію витокового струму.

Збільшення кількості операцій лічильника не є автоматичним підтвердженням несправності обмежувача. Це вказує лише на те, що відбулися події розряду, і потребує оцінки разом із:

• Записами порушень у роботі системи
• Активністю блискавок
• Операціями перемикання
• Трендами витокового струму
• Температура обмежувача
• Фізична форма
• Критерії огляду виробника

Підключення лічильника має залишатися коротким, прямим і правильно заземленим, оскільки надлишкова довжина проводів може знизити захисну ефективність.

Як працюють обмежувач перенапруги та захисний проміжок разом?

При встановленні обох пристроїв нейтральний обмежувач перенапруги та захисний проміжок зазвичай забезпечують взаємодоповнюючу захисну дію.

Обмежувач перенапруги

Обмежувач вибирають насамперед для обмеження тимчасових перенапруг із збереженням передбачуваного рівня захисту.

Захисним проміжком

Проміжок може забезпечувати резервний захист або реагувати за певних умов тимчасових або промислових частотних перенапруг — залежно від схеми.

Їх узгодження має гарантувати, що:

• Обмежувач захищає трансформатор у межах своєї енергетичної здатності.
• Проміжок не спрацьовує без потреби під час звичайних тимчасових перенапруг.
• Проміжок працює до того, як нейтральна ізоляція буде перевантажена за умов, для яких вона проектується.
• Реле захисту відключає будь-який супровідний струм промислової частоти.
• Обмежувач перенапруг не піддається неприпустимому тимчасовому перенапруженню.

Невірно стверджувати, що обмежувач перенапруг і проміжок завжди діятимуть у фіксованій послідовності. Їхня реакція залежить від форми напруги, тривалості, захисних характеристик і конфігурації системи.

Координацію ізоляції слід здійснювати згідно з принципами МЕК 60071-1, які стосуються вибору номінальних витримуваних напруг для ізоляції «фаза–земля», «фаза–фаза» та поздовжньої ізоляції в змінних струмах понад 1 кВ. МЕК 60071-1

Поширені методи заземлення нейтралі

Надійне заземлення

Нейтраль з’єднана з землею через шлях із дуже низьким імпедансом.

Типові характеристики:

• Високий струм замикання на землю
• Видалити опорну нульову послідовність
• Швидке виявлення несправностей
• Знижене тимчасове перевищення напруги
• Підвищені вимоги до стійкості при несправностях

Заземлення за допомогою резистора

Резистор заземлення нейтралі обмежує струм замикання на землю до розрахункового рівня.

Типові характеристики:

• Зменшення пошкодження обладнання під час замикань на землю
• Контрольований струм захисту
• Визначена теплова навантаженість для резистора
• Необхідність контролю температури та цілісності резистора

Заземлення за допомогою реактора

Заземлювальний реактор обмежує струм за рахунок індуктивного імпедансу.

Типові характеристики:

• Зменшений струм замикання на землю
• Специфічна для системи поведінка нульової послідовності
• Необхідність детальних досліджень перехідних процесів та захисту

Резонансне заземлення

Реактор налаштований так, щоб компенсувати ємність мережі при замиканні на землю.

Таке виконання частіше зустрічається в певних мережах середньої напруги й не повинно автоматично поширюватися на обмотку 110 кВ без спеціального дослідження системи.

Вибіркове заземлення нейтралі

У підстанціях із трансформаторами, що працюють паралельно, оператор системи може заземлити вибрані нейтралі трансформаторів для контролю струму нульової послідовності та ефективності захисту.

Вмикання або вимикання одного перемикача нейтралі змінює умови заземлення всієї з’єднаної системи. Тому обов’язковими є блокування та експлуатаційні процедури.

Чому важливе заземлення нейтралі під час ввімкнення та вимкнення?

Перемикання трансформатора може викликати перехідні та тимчасові перевищення напруги. Стан нейтралі під час ввімкнення або вимкнення може впливати на напругу, що діє на обмотку з градієнтною ізоляцією.

Деякі експлуатаційні процедури комунальних підприємств вимагають замикання вимикача заземлення нейтралі до ввімкнення або вимкнення трансформатора. Однак це не слід подавати як універсальне правило.

Правильна послідовність перемикання залежить від:

• Конструкції ізоляції трансформатора
• Розташування вимикачів
• Кількості трансформаторів, підключених паралельно
• Схеми заземлення системи
• Налаштування захисту
• Номінальних параметрів обмежувачів перенапруг
• Експлуатаційних правил комунального підприємства
• Результати досліджень перемикання та ізоляції

Оператори мають дотримуватися затвердженого інструктажу щодо перемикання для конкретної підстанції.

Чек-лист інспекції та технічного обслуговування

Обслуговування має виконувати лише уповноважений персонал згідно з електробезпекою на об’єкті.

Перемикач заземлення нейтралі

Перевірити:

• Індикація положень «відкрито» та «закрито»
• Механічне вирівнювання
• Умова контакту
• Приводний механізм
• Двигун і керуючі ланцюги
• Допоміжні контакти
• Шпунтове з'єднання
• Чистота та цілісність ізоляторів
• Ознаки перегріву або розряду

Заземлювальні провідники

Огляд проводиться на наявність:

• Полохні або пошкоджені з’єднання
• Порушені жили або потріскані провідники
• Корозія
• Ненормальне нагрівання
• Недостатні відстані
• Механічні пошкодження
• Невласницькі модифікації

Обмежувач перенапруги

Перевірити:

• Стан порцелянового або полімерного корпусу
• Забруднення та сліди розряду
• Щільність затискачів
• Маршрут прокладки заземлювального проводу
• Показники лічильника спалахів
• Вказівник витоку струму, якщо доступно
• Діагностичні результати, передбачені виробником

Захисним проміжком

Перевірити:

• Стан електродів
• Правильний зазор між електродами
• Вирівнювання
• Забруднення поверхні
• Сліди попереднього розряду
• Підключення трансформаторів струму
• Відстані до сусідніх пристроїв

Заземлювальна сітка

Проводити огляди та випробування згідно з планом технічного обслуговування підстанції, у тому числі:

• Неперервність підключень
• Вимірювання опору або імпедансу заземлення
• Оцінка стану ґрунту
• Перевірка напруги кроку та дотику після значних модифікацій
• Оцінка корозії
• Перевірка нових підключених пристроїв

Поширені проблеми та їх наслідки

Неправильне положення заземлювального вимикача

Неправильне положення вимикача може змінити струм замикання на землю й зробити недійсною узгодженість реле.

Ненадійне з’єднання нейтралі

З’єднання з високим опором або переривчасте з’єднання може спричинити нагрівання, електричну дугу та непередбачувану напругу на нейтралі.

Недостатній переріз заземлювального провідника

Провідник із недостатньою термічною або механічною стійкістю може вийти з ладу під час замикання на землю з високим струмом.

Неправильний клас обмежувача перенапруги

Обмежувач із недостатньою здатністю витримувати тимчасові перенапруги може перегрітися або вийти з ладу. Занадто високий рівень захисту може призвести до недостатнього захисту нейтралі трансформатора.

Забруднений або неправильно налаштований захисний проміжок

Забруднення, висота над рівнем моря або неправильна відстань між електродами можуть змінити напругу пробою й спричинити передчасне спрацювання або відмову в спрацюванні.

Нескоординовані параметри захисту

Навіть правильно встановлена система заземлення не забезпечить ефективного захисту, якщо функції відповідних реле вибрано або налаштовано неправильно.

Інформація для проектування за спеціальним замовленням

Перед визначенням параметрів трансформатора на 110 кВ і комплекту для заземлення його нейтралі виробник повинен отримати:

• Номінальну напругу системи та найвищу напругу для обладнання
• Частоту системи
• Номінальна потужність трансформатора
• Напруга обмоток та схема їх з’єднання
• Група векторів
• Рівень ізоляції нейтралі
• Вимоги до повної або ступінчастої ізоляції
• Максимальний та мінімальний струм замикання на землю
• Час вилучення пошкодження
• Філософія заземлення
• Умови паралельної роботи трансформаторів
• Однолінійна схема захисту
• Режим роботи обмежувача перенапруг
• Висота місця розташування та рівень забруднення
• Температура навколишнього середовища
• Сейсмічні та кліматичні вимоги
• Застосовні стандарти IEC, IEEE, національні або енергетичні стандарти

Ці параметри визначають відповідні номінальні значення обладнання та конструкцію інтерфейсу.

Індивідуальні трансформаторні рішення на 110 кВ від Dingxin Electric

Dingxin Electric виробляє індивідуальні масляні силові трансформатори та узгоджені аксесуари до трансформаторів для енергетичних, промислових, відновлюваних джерел енергії та інфраструктурних проектів.

Наша інженерна команда може налаштувати:

• Номінальну потужність та коефіцієнт трансформації
• Імпеданс трансформатора
• Група векторів
• Діапазон регулювання напруги та розташування пристрою РПН
• Повну або ступінчасту ізоляцію
• Нейтральні клеми та заземлювальні інтерфейси
• Інтерфейси вимикачів заземлення
• Трансформатори струму нейтралі
• Устройства обмежувачів перенапруг та захисних проміжків
• Аксесуари для моніторингу та захисту
• Система охолодження
• Прохідні ізолятори та кабельні інтерфейси
• Застосовні вимоги МЕК, ІЕЕЕ або проєктні вимоги

Обговоріть свій проєкт трансформатора на 110 кВ

Шукайте спеціалізований трансформатор на 110 кВ з оливним охолодженням або узгоджене рішення щодо заземлення нейтралі?

Надішліть компанії Dingxin Electric однолінійну схему, номінальну потужність трансформатора, коефіцієнт трансформації, спосіб заземлення системи, рівень ізоляції нейтралі, струм короткого замикання, умови монтажу та чинні стандарти.

Зверніться до Dingxin Electric для отримання спеціального пропозиції трансформатора для вашого проекту та технічного огляду.