Selecció i optimització de la configuració de protecció dels mètodes de posada a terra del punt neutre d'un transformador de 110 kV

Introducció

En els sistemes d'alimentació d'alta tensió, el mètode de connexió a terra del punt neutre del transformador és un factor crític que influeix en la seguretat, la fiabilitat i l'estabilitat del sistema. Per als sistemes d'alimentació de 110 kV, l'elecció del mètode de connexió a terra del punt neutre afecta directament els nivells d'aïllament dels equips, la protecció contra sobretensions, la configuració de la protecció del relé i la fiabilitat del subministrament d'alimentació. A la Xina, els sistemes de 110 kV solen adoptar un mètode de posada a terra parcialment eficaç, on alguns punts neutres del transformador estan connectats directament a terra mentre que d'altres romanen sense connexió a terra, amb l'objectiu de limitar els corrents de curtcircuit monofàsics i evitar les amenaces de sobretensió.

Aquest article analitza les característiques, els avantatges i les limitacions dels diferents mètodes de posada a terra del punt neutre dels transformadors de 110 kV, explora les estratègies òptimes de configuració de protecció i presenta les futures tendències de desenvolupament.

1 Mètodes clau de connexió a terra del punt neutre per a transformadors de 110 kV

1.1 Connexió a terra directa

Connexió a terra directaes refereix a la connexió directa del punt neutre del transformador a terra. Aquest mètode fixa eficaçment el potencial del punt neutre, garantint que durant una fallada a terra monofàsica, l'augment de tensió de fase no fallada no superi 1,4 vegades la tensió de fase. Això ajuda a reduir els requisits d'aïllament dels equips i a reduir els costos.

No obstant això, un inconvenient important és el corrent de fallada a terra monofàsic molt alt(fins a diversos milers d'amperes), cosa que pot afectar la capacitat d'interrupció de l'interruptor i l'estabilitat del sistema. Per tant, la connexió a terra directa s'utilitza generalment en sistemes de 110 kV i tensions superiors on cal una eliminació ràpida de fallades.

1.2 Neutre sense connexió a terra

En un sistema sense connexió a terra, el punt neutre del transformador està aïllat de la terra. Quan es produeix una fallada a terra monofàsica, el corrent de fallada és molt petit (principalment el corrent capacitiu del sistema), cosa que permet que el sistema continuï funcionant durant un període curt (normalment fins a 2 hores). Això millora significativament fiabilitat del subministrament d'energia.

Tanmateix, en sistemes sense connexió a terra, les fallades a terra monofàsiques poden fer que la tensió de fase no defectuosa augmenti fins al nivell de tensió de línia. Si l'aïllament és feble, això pot provocar una avaria, que esdevé una fallada de fase a fase. A més, la connexió a terra d'arc intermitent pot generar... sobretensions d'arc, arribant a 3-3,5 vegades la tensió de fase, cosa que representa una amenaça per a l'aïllament del transformador.

1.3 Connexió a terra mitjançant petita impedància

Per equilibrar els avantatges i els desavantatges dels sistemes de connexió a terra directa i sense connexió a terra, el mètode de connexió a terra per impedàncias'utilitza sovint. Això inclou la connexió a terra a través d'una petita resistència o una petita reactància.

• Posada a terra de petita resistènciaLimita el corrent de fallada a diversos centenars d'amperes, reduint l'impacte en el sistema i permetent un funcionament de protecció ràpid. Aquest mètode suprimeix les sobretensions de manera eficaç i és adequat per a xarxes de distribució amb cablejat intensiu i corrents capacitius elevats.
• Posada a terra de petita reactànciaPot compensar el corrent capacitiu del sistema mitjançant corrent inductiu, reduint la probabilitat de reignició de l'arc. Aquest mètode sovint es considera un mètode de connexió a terra compensada.

La connexió a terra mitjançant una petita impedància combina els avantatges dels sistemes directes i sense connexió a terra, oferint supressió de sobretensions i una fiabilitat de subministrament d'energia relativament alta. S'utilitza àmpliament en sistemes de 110 kV, especialment aquells amb corrents capacitius significatius o que requereixen una alta qualitat d'energia.

2 Configuració de protecció per a punts neutres de transformadors de 110 kV

2.1 Amenaces de sobretensió

El nivell d'aïllament del punt neutre d'un transformador de 110 kV és típicament semiaïllat, amb una tensió nominal de només un terç de l'extrem de la línia. Això fa que el punt neutre sigui vulnerable a danys per sobretensió. Els principals tipus de sobretensió inclouen:

• Sobretensió de freqüència de potència: Sorgits de commutació de línia, curtcircuits asimètrics o pèrdua sobtada de càrrega.
• sobretensió de ressonànciaCausat per oscil·lacions degudes a interaccions entre elements inductius i capacitius durant les operacions o fallades del sistema.
• Sobretensió de commutació: Resultant de la conversió d'energia magnètica i electrostàtica durant l'obertura o el tancament dels interruptors automàtics.
• Sobretensió de llampsCausat per llamps, caracteritzat per una amplitud elevada i una durada curta.

2.2 Dispositius de protecció comuns

Per protegir el punt neutre del transformador, s'utilitzen habitualment els següents dispositius de protecció:

• Pararraïdors de sobretensióAquests limiten la sobretensió dels llamps i certes sobretensions de commutació. Tanmateix, els parafocs estàndard sovint són inadequats per al baix nivell d'aïllament dels punts neutres dels transformadors de 110 kV, cosa que dificulta la selecció.
• Llacunes d'aïllamentAquests protegeixen contra sobretensions de freqüència industrial i ressonància. Quan es produeix una sobretensió, el gap es trenca, connectant a terra el punt neutre per limitar l'augment de tensió. Un inconvenient és la dificultat d'ajustar amb precisió la distància del gap, cosa que pot provocar una mala coordinació de la protecció.
• Connexió paral·lela de sobretensió i bretxaAquest és un mètode de protecció àmpliament utilitzat. El parafocs gestiona les sobretensions dels llamps, mentre que el gap aborda les sobretensions de freqüència industrial i de ressonància. El gap també protegeix el parafocs de sobretensions excessives de freqüència industrial que podrien causar la seva fallada. Aquest enfocament ofereix avantatges complementaris.

2.3 Configuració de la protecció de relés

La protecció de relés per al punt neutre d'un transformador de 110 kV inclou principalment els aspectes següents:

• Protecció de corrent de seqüència zeroPer a transformadors connectats directament a terra, la protecció de corrent de seqüència zero està configurada per eliminar ràpidament les fallades a terra. La protecció normalment es divideix en seccions, amb retards de temps curts per a la localització de fallades i retards de temps més llargs per al desconnexió de tots els costats del transformador.
• Protecció de voltatge de seqüència zero i protecció de corrent de bretxaPer a transformadors sense connexió a terra, es configura una protecció de tensió de seqüència zero i una protecció de corrent d'interval. Quan una fallada a terra fa que el sistema perdi el seu punt de terra, cosa que provoca un augment de la tensió del punt neutre, l'interval es trenca. La protecció de corrent d'interval o la protecció de tensió de seqüència zero actua amb un retard de temps (0,3–0,5 s) per disparar el transformador en tots els costats.
• Coordinació de la protecció de còpies de seguretatPer garantir la selectivitat, els retards de temps de la protecció de seqüència zero han d'estar coordinats. Per exemple, el retard de temps per a una protecció de reserva en un transformador hauria de ser més llarg que el de la protecció de línia que reserva.

3 Recomanacions d'optimització i anàlisi de casos

3.1 Limitacions dels mètodes tradicionals

Mentre que l'ús de parafocs paral·lels amb buitsés comú, aquest mètode té diversos inconvenients:

• Dificultat en la selecció de paracaigudesÉs difícil trobar parafocs estàndard que compleixin els requisits tant d'alta tensió de funcionament continu com de baixa tensió residual d'impuls de llamp per a punts neutres de transformadors de 110 kV.
• Reptes en l'establiment de bretxesLa tensió de ruptura de l'espai d'aire està subjecta a dispersió, cosa que dificulta la coordinació precisa del funcionament de l'espai per a condicions de fallada de "pèrdua de terra" i "amb terra".
• Complexitat de la protecció de relésLa protecció contra la "pèrdua de terra" (com ara la protecció contra sobretensió de seqüència zero i sobrecorrent de bretxa) pot funcionar malament, cosa que requereix criteris de bloqueig addicionals, cosa que augmenta la complexitat i redueix la fiabilitat.

3.2 Avantatges de la connexió a terra mitjançant una petita reactància

La recerca i la pràctica indiquen que connectant a terra el punt neutre mitjançant una petita reactànciaofereix avantatges significatius respecte als mètodes tradicionals de connexió a terra parcial:

• Requisits de nivell d'aïllament reduïtsDesprés d'adoptar una petita connexió a terra amb reactància, el nivell d'aïllament del punt neutre del transformador es pot reduir de 35 kV a 20 kV, cosa que evita la necessitat d'aturadors de sobretensió i buits i simplifica la configuració de la protecció.
• Mode de connexió a terra unificatAquest mètode elimina l'aparició d'un sistema aïllat sense connexió a terra, permetent la simplificació o l'omissió de la protecció relacionada, millorant així la fiabilitat.
• Retenció d'avantatgesManté els avantatges de la connexió a terra parcial, com ara una protecció de seqüència zero senzilla i fiable, alhora que limita els corrents de curtcircuit monofàsics.

3.3 Anàlisi de l'estudi de cas

Un exemple és una transformació d'una subestació terminal de 110 kV. El disseny original utilitzava un parafocs paral·lels amb un espaiper a la protecció del punt neutre. Tanmateix, després d'adoptar una connexió a terra de petita reactància, es va reduir el requisit del nivell d'aïllament del punt neutre del transformador, es van simplificar els dispositius de protecció i es va millorar la fiabilitat operativa. Els càlculs van mostrar que la resistència de connexió a terra podia limitar el corrent de fallada a uns quants centenars d'amperes i que la protecció de seqüència zero es podia coordinar fàcilment.

Un altre cas va ser una fallada en una subestació de 110 kV on una fallada a terra monofàsica transitòria a la línia d'entrada va provocar una ruptura del gap del punt neutre i el desconnexió del transformador. L'anàlisi va revelar que, tot i que la fallada de línia era transitòria, el retroalimentació d'un gran nombre de motors asíncronsal costat de la càrrega va proporcionar energia per a l'arc, mantenint la falla. Això posa de manifest que per a transformadors amb càrregues de motor significatives (fonts equivalents), la protecció completa del punt neutre, incloent-hi la sobrecorrent de seqüència zero, el corrent d'interval i la protecció de tensió de seqüència zero, és essencial durant la fase de disseny.

4 Conclusió i perspectives

La selecció del mètode de posada a terra del punt neutre d'un transformador de 110 kV i la seva configuració de protecció és una tasca polifacètica que requereix tenir en compte l'estructura del sistema, les característiques de la càrrega i els requisits de fiabilitat. Si bé el mètode tradicional de posada a terra parcial combinat amb parafocs i buits és comú, s'enfronta a reptes en la selecció de dispositius i la coordinació de la configuració. El mètode de connexió a terra de petita reactànciaofereix una alternativa prometedora, que podria reduir els requisits d'aïllament, simplificar la protecció i millorar la fiabilitat.

Les futures tendències de desenvolupament se centraran en les àrees següents:

• Aplicació de nous dispositiusCom ara buits compostos o buits controlables utilitzats en paral·lel amb parafocs, millorant la fiabilitat i la precisió de la protecció.
• Tecnologia de protecció digitalUtilització de la protecció basada en microordinadors amb algoritmes avançats (per exemple, identificació de formes d'ona, anàlisi harmònica) per millorar la sensibilitat i la fiabilitat de la protecció contra fallades a terra.
• Estandardització i ModularitzacióDesenvolupament d'equips de protecció del punt neutre estandarditzats i modulars per simplificar el disseny i el manteniment.

En resum, optimitzar el mètode de posada a terra del punt neutre del transformador de 110 kV i la configuració de protecció és crucial per millorar la seguretat, la fiabilitat i el funcionament econòmic del sistema elèctric. Amb els avenços tecnològics, s'espera que sorgeixin solucions més intel·ligents i eficients i que tinguin una aplicació generalitzada.