بهینه‌سازی انتخاب و پیکربندی حفاظتی روش‌های اتصال زمین نقطه خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت

مقدمه

در سیستم‌های قدرت ولتاژ بالا، روش اتصال زمین نقطه خنثی ترانسفورماتور یک عامل حیاتی است که بر ایمنی، قابلیت اطمینان و پایداری سیستم تأثیر می‌گذارد. برای سیستم‌های قدرت ۱۱۰ کیلوولت، انتخاب روش اتصال زمین نقطه خنثی مستقیماً بر سطح عایق تجهیزات، حفاظت در برابر اضافه ولتاژ، پیکربندی حفاظت رله و قابلیت اطمینان منبع تغذیه تأثیر می‌گذارد. در چین، سیستم‌های ۱۱۰ کیلوولت معمولاً یک روش اتصال زمین تا حدی مؤثرکه در آن برخی از نقاط خنثی ترانسفورماتور مستقیماً به زمین متصل می‌شوند در حالی که برخی دیگر بدون اتصال به زمین باقی می‌مانند، با هدف محدود کردن جریان‌های اتصال کوتاه تک فاز و در عین حال جلوگیری از تهدیدات اضافه ولتاژ.

این مقاله ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌های روش‌های مختلف اتصال زمین نقطه خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت را تجزیه و تحلیل می‌کند، استراتژی‌های پیکربندی بهینه حفاظت را بررسی می‌کند و روندهای توسعه آینده را ارائه می‌دهد.

۱ روش کلیدی اتصال زمین نقطه خنثی برای ترانسفورماتورهای ۱۱۰ کیلوولت

۱.۱ اتصال مستقیم به زمین

اتصال مستقیم به زمینبه اتصال مستقیم نقطه خنثی ترانسفورماتور به زمین اشاره دارد. این روش به طور موثر پتانسیل نقطه خنثی را تثبیت می‌کند و تضمین می‌کند که در طول یک خطای زمین تک فاز، افزایش ولتاژ فاز غیرخطا از ۱.۴ برابر ولتاژ فاز تجاوز نکند. این امر به کاهش الزامات عایق‌بندی تجهیزات و کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند.

با این حال، یک اشکال قابل توجه این است که جریان خطای زمین تک فاز بسیار بالا(تا چند هزار آمپر)، که می‌تواند بر ظرفیت قطع مدارشکن و پایداری سیستم تأثیر بگذارد. بنابراین، اتصال زمین مستقیم معمولاً در سیستم‌های ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر که رفع سریع خطا ضروری است، استفاده می‌شود.

۱.۲ نول بدون اتصال به زمین

در یک سیستم بدون اتصال به زمیننقطه خنثی ترانسفورماتور از زمین عایق‌بندی شده است. هنگامی که یک خطای زمین تک فاز رخ می‌دهد، جریان خطا بسیار کوچک است (عمدتاً جریان خازنی سیستم)، و به سیستم اجازه می‌دهد تا برای مدت کوتاهی (معمولاً تا ۲ ساعت) به کار خود ادامه دهد. این امر به طور قابل توجهی ... قابلیت اطمینان منبع تغذیه.

با این حال، در سیستم‌های بدون اتصال زمین، خطاهای زمین تک فاز می‌توانند باعث شوند ولتاژ فاز غیرخطا به سطح ولتاژ خط افزایش یابد. اگر عایق ضعیف باشد، این ممکن است منجر به خرابی شود و به یک خطای فاز به فاز تبدیل شود. علاوه بر این، اتصال زمین قوس متناوب می‌تواند باعث ایجاد ... اضافه ولتاژهای قوسیکه به ۳ تا ۳.۵ برابر ولتاژ فاز می‌رسد و تهدیدی برای عایق ترانسفورماتور محسوب می‌شود.

۱.۳ اتصال زمین از طریق امپدانس کوچک

برای ایجاد تعادل بین مزایا و معایب سیستم‌های اتصال زمین مستقیم و سیستم‌های بدون اتصال زمین، روش زمین کردن امپدانساغلب استفاده می‌شود. این شامل زمین کردن از طریق یک مقاومت کوچک یا یک راکتانس کوچک است.

• زمین کردن با مقاومت کمجریان خطا را به چند صد آمپر محدود می‌کند و تأثیر آن بر سیستم را کاهش می‌دهد و در عین حال امکان عملکرد سریع حفاظت را فراهم می‌کند. این روش به طور مؤثر اضافه ولتاژها را سرکوب می‌کند و برای شبکه‌های توزیع کابلی با جریان‌های خازنی بزرگ مناسب است.
• زمین کردن با راکتانس کوچکمی‌تواند جریان خازنی سیستم را از طریق جریان القایی جبران کند و احتمال جرقه مجدد قوس را کاهش دهد. این روش اغلب به عنوان یک روش زمین کردن جبران شده در نظر گرفته می‌شود.

اتصال زمین از طریق امپدانس کوچک، مزایای سیستم‌های مستقیم و بدون اتصال به زمین را با هم ترکیب می‌کند و حذف اضافه ولتاژ و قابلیت اطمینان نسبتاً بالای منبع تغذیه را ارائه می‌دهد. این روش به طور گسترده در سیستم‌های ۱۱۰ کیلوولت، به ویژه سیستم‌هایی که جریان‌های خازنی قابل توجهی دارند یا به کیفیت توان بالایی نیاز دارند، استفاده می‌شود.

۲ پیکربندی حفاظتی برای نقاط خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت

۲.۱ تهدیدات اضافه ولتاژ

سطح عایق نقطه خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت معمولاً ... نیمه عایق، با ولتاژ نامی قابل تحمل تنها یک سوم انتهای خط. این باعث می‌شود نقطه خنثی در برابر آسیب اضافه ولتاژ آسیب‌پذیر باشد. انواع اضافه ولتاژ اولیه عبارتند از:

• ولتاژ بیش از حد فرکانس برق: ناشی از کلیدزنی خط، اتصال کوتاه نامتقارن یا قطع ناگهانی بار.
• اضافه ولتاژ رزونانس: ناشی از نوسانات ناشی از برهمکنش بین عناصر القایی و خازنی در حین عملکرد سیستم یا خطاها.
• اضافه ولتاژ سوئیچینگ: ناشی از تبدیل انرژی مغناطیسی و الکترواستاتیکی در هنگام باز یا بسته شدن مدارشکن‌ها.
• اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه: ناشی از برخورد صاعقه، که با دامنه زیاد و مدت زمان کوتاه مشخص می‌شود.

۲.۲ دستگاه‌های حفاظتی رایج

برای حفاظت از نقطه نول ترانسفورماتور، معمولاً از وسایل حفاظتی زیر استفاده می‌شود:

• برقگیرها: این‌ها اضافه ولتاژ صاعقه و اضافه ولتاژهای خاص سوئیچینگ را محدود می‌کنند. با این حال، برقگیرهای استاندارد اغلب برای سطح عایق پایین نقاط خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت کافی نیستند و انتخاب را چالش برانگیز می‌کنند.
• شکاف‌های جداسازی: اینها در برابر اضافه ولتاژهای فرکانس برق و رزونانس محافظت می‌کنند. هنگامی که اضافه ولتاژ رخ می‌دهد، شکاف از بین می‌رود و نقطه خنثی را به زمین متصل می‌کند تا افزایش ولتاژ را محدود کند. یک عیب، دشواری در تنظیم دقیق فاصله شکاف است که می‌تواند منجر به ناهماهنگی حفاظتی شود.
• اتصال موازی برقگیر و شکاف: این یک روش حفاظتی پرکاربرد است. برقگیر، اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه را مدیریت می‌کند، در حالی که شکاف، اضافه ولتاژهای فرکانس برق و رزونانس را مدیریت می‌کند. این شکاف همچنین برقگیر را از اضافه ولتاژهای بیش از حد فرکانس برق که می‌تواند باعث خرابی آن شود، محافظت می‌کند. این رویکرد مزایای مکملی را ارائه می‌دهد.

۲.۳ پیکربندی حفاظت رله

حفاظت رله برای نقطه خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت عمدتاً شامل جنبه‌های زیر است:

• حفاظت جریان توالی صفربرای ترانسفورماتورهای زمین شده مستقیم، حفاظت جریان توالی صفر به گونه‌ای پیکربندی شده است که به سرعت خطاهای زمین را حذف کند. این حفاظت معمولاً به بخش‌هایی تقسیم می‌شود که دارای تأخیر زمانی کوتاه برای مکان‌یابی خطا و تأخیر زمانی طولانی‌تر برای قطع همه طرف‌های ترانسفورماتور هستند.
• حفاظت ولتاژ توالی صفر و حفاظت جریان گپبرای ترانسفورماتورهای زمین نشده، حفاظت ولتاژ توالی صفر و حفاظت جریان شکاف تنظیم شده‌اند. هنگامی که یک خطای زمین باعث می‌شود سیستم نقطه زمین خود را از دست بدهد و منجر به افزایش ولتاژ نقطه خنثی شود، شکاف از بین می‌رود. حفاظت جریان شکاف یا حفاظت ولتاژ توالی صفر با یک تأخیر زمانی (0.3-0.5 ثانیه) عمل می‌کند تا ترانسفورماتور را در همه طرف‌ها قطع کند.
• هماهنگی حفاظت پشتیبانبرای اطمینان از گزینش‌پذیری، تأخیرهای زمانی حفاظت توالی صفر باید هماهنگ شوند. به عنوان مثال، تأخیر زمانی برای حفاظت پشتیبان روی یک ترانسفورماتور باید طولانی‌تر از تأخیر زمانی حفاظت خطی باشد که از آن پشتیبانی می‌کند.

۳ توصیه‌های بهینه‌سازی و تحلیل موردی

۳.۱ محدودیت‌های روش‌های سنتی

در حالی که استفاده از برقگیرهای موازی با شکاف‌هارایج است، این رویکرد چندین کاستی دارد:

• دشواری در انتخاب برقگیریافتن برقگیرهای استانداردی که الزامات ولتاژ عملیاتی مداوم بالا و ولتاژ باقیمانده ضربه صاعقه پایین را برای نقاط خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت برآورده کنند، چالش برانگیز است.
• چالش‌های تعیین شکافولتاژ شکست شکاف هوایی در معرض پراکندگی است و هماهنگی دقیق عملکرد شکاف را برای شرایط خطای "قطع اتصال زمین" و "با اتصال زمین" دشوار می‌کند.
• پیچیدگی حفاظت رله: محافظت در برابر "قطع اتصال زمین" (مانند حفاظت اضافه ولتاژ توالی صفر و حفاظت اضافه جریان شکاف) ممکن است دچار نقص شود و معیارهای مسدودسازی اضافی را ضروری سازد که پیچیدگی را افزایش و قابلیت اطمینان را کاهش می‌دهد.

۳.۲ مزایای اتصال زمین از طریق راکتانس کوچک

تحقیقات و رویه‌ها نشان می‌دهند که اتصال زمین نقطه خنثی از طریق یک راکتانس کوچکمزایای قابل توجهی نسبت به روش‌های سنتی اتصال جزئی به زمین ارائه می‌دهد:

• الزامات سطح عایق کاهش یافتهپس از اتخاذ زمین کردن با راکتانس کوچک، سطح عایق نقطه خنثی ترانسفورماتور می‌تواند از ۳۵ کیلوولت به ۲۰ کیلوولت کاهش یابد، که نیاز به برقگیر و شکاف‌ها را برطرف کرده و پیکربندی حفاظت را ساده می‌کند.
• حالت اتصال به زمین یکپارچهاین روش احتمال وقوع یک سیستم ایزوله بدون اتصال به زمین را از بین می‌برد و امکان ساده‌سازی یا حذف حفاظت‌های مرتبط را فراهم می‌کند و در نتیجه قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد.
• حفظ مزایا: مزایای اتصال زمین جزئی، مانند حفاظت توالی صفر ساده و قابل اعتماد را حفظ می‌کند، در حالی که جریان‌های اتصال کوتاه تک فاز را محدود می‌کند.

۳.۳ تحلیل مطالعه موردی

به عنوان مثال، می‌توان به یک پست فرعی ترمینال ۱۱۰ کیلوولتی اشاره کرد. در طرح اولیه از ... استفاده شده است. برقگیر موازی با فاصلهبرای حفاظت نقطه خنثی. با این حال، پس از اتخاذ زمین کردن با راکتانس کوچک، نیاز به سطح عایق نقطه خنثی ترانسفورماتور کاهش یافت، دستگاه‌های حفاظتی ساده شدند و قابلیت اطمینان عملیاتی بهبود یافت. محاسبات نشان داد که مقاومت زمین می‌تواند جریان خطا را به چند صد آمپر محدود کند و حفاظت توالی صفر را می‌توان به راحتی هماهنگ کرد.

مورد دیگر مربوط به خطایی در یک پست ۱۱۰ کیلوولت بود که در آن یک خطای زمین تک فاز گذرا در خط ورودی منجر به شکست فاصله نقطه خنثی و قطع ترانسفورماتور شد. تجزیه و تحلیل نشان داد که اگرچه خطای خط گذرا بود، بازخورد از تعداد زیادی موتور ناهمزماندر سمت بار، انرژی لازم برای قوس الکتریکی فراهم شده و باعث تداوم خطا شده است. این موضوع نشان می‌دهد که برای ترانسفورماتورهایی با بارهای موتوری قابل توجه (منابع معادل)، حفاظت کامل از نقطه خنثی، شامل حفاظت در برابر اضافه جریان توالی صفر، جریان شکاف و ولتاژ توالی صفر، در طول مرحله طراحی ضروری است.

۴ نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

انتخاب روش اتصال زمین نقطه خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت و پیکربندی حفاظتی آن، یک کار چندوجهی است که نیاز به بررسی ساختار سیستم، ویژگی‌های بار و الزامات قابلیت اطمینان دارد. در حالی که روش سنتی اتصال زمین جزئی همراه با برقگیرها و شکاف‌ها رایج است، با چالش‌هایی در انتخاب دستگاه و هماهنگی تنظیمات مواجه است. روش زمین کردن با راکتانس کوچکیک جایگزین امیدوارکننده ارائه می‌دهد که به طور بالقوه الزامات عایق‌بندی را کاهش می‌دهد، حفاظت را ساده می‌کند و قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد.

روندهای توسعه آینده بر حوزه‌های زیر متمرکز خواهند بود:

• کاربرد دستگاه‌های جدیدمانند شکاف‌های کامپوزیتی یا شکاف‌های قابل کنترل که به صورت موازی با برقگیرها استفاده می‌شوند و قابلیت اطمینان و دقت حفاظت را افزایش می‌دهند.
• فناوری حفاظت دیجیتالاستفاده از حفاظت مبتنی بر میکروکامپیوتر با الگوریتم‌های پیشرفته (مانند شناسایی شکل موج، تحلیل هارمونیک) برای بهبود حساسیت و قابلیت اطمینان حفاظت از خطای زمین.
• استانداردسازی و ماژولارسازیتوسعه تجهیزات حفاظت نقطه خنثی استاندارد و ماژولار برای ساده‌سازی طراحی و نگهداری.

به طور خلاصه، بهینه‌سازی روش اتصال زمین نقطه خنثی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت و پیکربندی حفاظتی برای افزایش ایمنی، قابلیت اطمینان و عملکرد اقتصادی سیستم قدرت بسیار مهم است. با پیشرفت‌های تکنولوژیکی، انتظار می‌رود راه‌حل‌های هوشمندانه‌تر و کارآمدتری پدیدار شوند و کاربرد گسترده‌ای پیدا کنند.