Частичное заземление нейтрали: Заземление нейтралей и защита разземленных нейтралей трансформаторов от перенапряжений

Заземление нейтралей и защита разземленных нейтралей трансформаторов от перенапряжений

Подробности

Категория: Практика

• трансформатор
• РЗиА
• заземление
• нейтраль
• режимы работы
• перенапряжения

В современных энергосистемах сети 110 кВ и выше эксплуатируются с эффективным заземлением нейтралей обмоток силовых трансформаторов. Сети напряжением 35 кВ и ниже работают с изолированной нейтралью или заземлением через дугогасящие реакторы.

Каждый вид заземления имеет свои преимущества и недостатки.
В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к короткому замыканию. В месте замыкания проходит небольшой ток, обусловленный емкостью двух фаз на землю. Значительные емкостные токи обычно компенсируются полностью или частично включением в нейтраль трансформатора дугогасящего реактора. Остаточный в результате компенсации малый ток не способен поддерживать горение дуги в месте замыкания, поэтому поврежденный участок, как правило, не отключается автоматически. Металлическое однофазное замыкание на землю сопровождается повышением напряжения на неповрежденных фазах до линейного, а при замыкании через дугу возможно появление перенапряжений, распространяющихся на всю электрически связанную сеть, в которой могут находиться участки с ослабленной изоляцией. Чтобы уберечь трансформаторы, работающие в сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, от воздействия повышенных напряжений, изоляцию их нейтралей выполняют на тот же класс напряжения, что и изоляцию линейных вводов. При таком уровне изоляции не требуется применение никаких средств защиты нейтралей, кроме вентильных разрядников, включаемых параллельно дугогасящему реактору.

В сетях с эффективным заземлением нейтрали (рис. 1.19) однофазное замыкание на землю приводит к короткому замыканию. Ток короткого замыкания (КЗ) проходит от места повреждения по земле к заземленным нейтралям трансформаторов Т1 и Т2 распределяясь обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поврежденный участок выводится из работы действием защит от замыканий на землю. Через трансформаторы (ТЗ и Т4), нейтрали которых не имеют глухого заземления, ток однофазного КЗ не проходит.

С учетом того, что однофазное КЗ является частым (до 80% случаев КЗ в энергосистемах приходится на однофазные КЗ) и тяжелым видом повреждений, принимают меры по уменьшению токов КЗ. Одной из таких мер является частичное разземление нейтралей трансформаторов.
Нейтрали автотрансформаторов не разземляются, так как они рассчитаны для работы с обязательным заземлением концов общей обмотки.

Число заземленных нейтралей на каждом участке сети устанавливается расчетами и принимается минимальным. При выборе точек заземления нейтралей в энергосистеме руководствуются как требованиями релейной защиты в части поддержания на определенном уровне токов замыкания на землю, так и обеспечением защиты изоляции разземленных нейтралей от перенапряжений. Последнее обстоятельство вызвано тем, что все трансформаторы 110-220 кВ отечественных заводов имеют пониженный уровень изоляции нейтралей. Так, у трансформаторов 110 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой уровень изоляции нейтралей соответствует стандартному классу напряжения 35 кВ, что обусловлено включением со стороны нейтрали переключающих устройств с классом изоляции 35 кВ. Трансформаторы 220 кВ имеют также пониженный на класс уровень изоляции нейтралей. Во всех случаях это дает значительный экономический эффект, и тем больший, чем выше класс напряжения трансформатора.
Выбор указанного уровня изоляции нейтралей трансформаторов, предназначенных для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, технически обосновывается значением напряжения, которое может появиться на нейтрали при однофазном КЗ. А оно может достигнуть почти 1/3 линейного напряжения (например, для сетей 110 кВ около 42 кВ — действующее значение). Очевидно, что изоляция класса 35 кВ разземленной нейтрали нуждается в защите от повышенных напряжений. Кроме того, при неполнофазных отключениях (или включениях) ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью переходный процесс сопровождается кратковременными перенапряжениями. Достаточно надежной защитой нейтралей от кратковременных перенапряжений является применение вентильных разрядников. Нейтрали трансформаторов 110 кВ защищаются разрядниками 2хРВС-20 с наибольшим допустимым действующим напряжением гашения 50 кВ.

Однако практика показывает, что на нейтрали трансформаторов могут воздействовать не только кратковременные перенапряжения. Нейтрали могут оказаться под воздействием фазного напряжения промышленной частоты (для сетей 110 кВ 65-67 кВ), которое опасно как для изоляции трансформатора, так и для разрядника в его нейтрали. Такое напряжение может появиться и длительно (десятки минут) оставаться незамеченным при неполнофазных режимах коммутации выключателями, разъединителями и отделителями ненагруженных трансформаторов, а также при некоторых аварийных режимах.

Рис. 1.19. Однофазное короткое замыкание в сети с эффективным заземлением нейтрали.

Неполнофазное включение ненагруженных трансформаторов. На рис. 1.20 показан трехфазный трансформатор с изолированной нейтралью. Из векторной диаграммы видно, что при симметричном напряжении сети и параметрах схемы токи намагничивания и магнитные потоки в сердечнике также симметричны, т. е. , , а напряжение на нейтрали равно нулю.
При пофазной коммутации трансформатора его электрическое и магнитное состояние изменяется. Включение трансформатора со стороны обмотки, соединенной в звезду, двумя фазами (рис. 1. 20, б) приводит к исчезновению потока Фс и появлению на нейтрали и на отключенной фазе напряжения, равного половине фазного:

Напряжение на разомкнутых контактах коммутационного аппарата

При подаче напряжения по одной фазе все обмотки трансформатора и его нейтраль будут находиться под напряжением включенной фазы. Между разомкнутыми контактами аппарата напряжение D U = U л .
В эксплуатации задержка в устранении неполнофазных режимов ненагруженных трансформаторов неоднократно приводила к авариям. Лучшей мерой защиты пониженной изоляции трансформаторов от опасных напряжений является глухое заземление их нейтралей. Поэтому необходимо перед включением или отключением от сети (разъединителями, отделителями или воздушными выключателями) трансформаторов 110-220 кВ, у которых нейтраль защищена вентильными разрядниками, глухо заземлять нейтраль включаемой под напряжение или отключаемой обмотки, если к тем же шинам или к питающей линии не подключен другой трансформатор с заземленной нейтралью.

Испытаниями установлено, что глухое заземление нейтрали трансформатора облегчает процессы отключения и включения намагничивающих токов. Дуга при отключении трансформатора горит менее интенсивно и быстро гаснет.
Отключение заземляющего разъединителя в нейтрали трансформатора, работающего нормально с разземленной нейтралью, защищенной разрядником, следует производить сразу же после включения под напряжение и проверки полнофазности включения коммутационного аппарата. Нельзя длительно оставлять заземленной нейтраль, если это не предусмотрено режимом работы сети. Заземлением нейтрали вносится изменение в распределение токов нулевой последовательности и нарушается селективность действия защит от однофазных замыканий на землю.

Схемы питания от одиночных и двойных проходящих линий 110-220 кВ подстанций, выполненных по упрощенным схемам, в настоящее время получили широкое распространение. Число присоединяемых к линии трансформаторов не регламентируется и доходит до четырех-пяти. Если к линии присоединены два трансформатора и более (рис. 1.21), то целесообразно постоянно (или на время производства операций) хотя бы у одного из них иметь глухое заземление нейтрали (трансформаторы Т2 и ТЗ на рис. 1.21). Это позволит избежать появления опасных напряжений на изолированных нейтралях других трансформаторов в случае неполнофазной подачи напряжения на линию вместе с подключенными к ней трансформаторами.

Так, при однофазном включении (фаза В) питающей линии под напряжение (рис. 1.22, а) в сердечниках отключенных фаз трансформатора с глухозаземленной нейтралью T 1 замкнется магнитный поток Ф B неотключенной фазы. Он наведет в обмотках фаз А и С примерно равные ЭДС взаимоиндукции Е A и ес. Трансформатор T 1 будет находиться в уравновешенном однофазном режиме.

При однофазной симметричной системе напряжений на линейных выводах трансформатора (сумма этих напряжений равна нулю) напряжение на незаземленной нейтрали Т2 относительно земли также равно нулю:

где
При двухфазном включении (фаз А и В) питающей линии (рис. 1.22, б) по сердечнику отключенной фазы замыкается суммарный магнитный поток Ф A +Ф B =-Ф C , который наведет в обмотке отключенной фазы ЭДС взаимоиндукции E C , равную по значению и направлению напряжению фазы U c , если бы она была включена. Таким образом, на линейных вводах всех подключенных к линии трансформаторов образуется симметричная трехфазная система напряжений, при которой напряжение на изолированной нейтрали трансформатора Т2 равно нулю:

где

Рис. 1.20. Полнофазный (а) и двухфазный (б) режимы включения ненагруженного трансформатора с изолированной нейтралью

Рис. 1.21. Схема питания ответвительных подстанций от проходящей линии

В сетях с эффективно заземленной нейтралью трансформаторы подвержены опасным перенапряжениям в аварийных режимах, когда, например, при обрыве и соединении провода с землей выделяется по тем или иным причинам участок сети, не имеющий заземленной нейтрали со стороны источника питания. На таком участке напряжение на нейтралях трансформаторов становится равным по значению и обратным по знаку ЭДС заземленной фазы, а напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышается до линейного. Возникающие при этом в результате колебательного перезаряда емкостей фаз на землю перенапряжения представляют собой серьезную опасность для изоляции трансформаторов и другого оборудования участка.

В сетях с эффективно заземленной нейтралью на случай перехода части сети в режим работы с изолированной нейтралью от замыканий на землю предусматривают защиты, реагирующие на напряжение нулевой последовательности 3 U о , которое появляется на зажимах разомкнутого треугольника трансформатора напряжения при соединении фазы с землей. Защиты действуют на отключение выключателей трансформаторов с незаземленной нейтралью. Защиты от замыканий на землю в сети настраивают таким образом, чтобы при однофазном повреждении первыми отключались питающие сеть трансформаторы с изолированной нейтралью, а затем трансформаторы с заземленной нейтралью. На тех подстанциях 110 кВ, где силовые трансформаторы не могут получать подпитку со стороны СН и НН, такие защиты от замыканий на землю не устанавливаются, не производится также и глухое заземление нейтралей.

Рекомендации оперативному персоналу. На основании изложенного оперативному персоналу могут быть даны следующие рекомендации.
При выводе в ремонт силовых трансформаторов, а также изменениях схем подстанций необходимо следить за сохранением режима заземления нейтралей, принятого в энергосистеме, и не допускать при переключениях в сетях с эффективно заземленной нейтралью выделения участков без заземления нейтралей у питающих сеть трансформаторов.

Во избежание же автоматического выделения таких участков на каждой системе шин подстанции, где возможно питание от сети другого напряжения, желательно иметь трансформатор с заземленной нейтралью с включенной на нем токовой защитой нулевой последовательности. В случае вывода в ремонт трансформатора, нейтраль которого заземлена, необходимо предварительно заземлить нейтраль другого параллельно работающего с ним трансформатора.
Без изменения положения нейтралей других трансформаторов производится отключение трансформаторов с изолированной нейтралью (трансформаторы старых выпусков с равнопрочной изоляцией выводов) или нейтралью, защищенной вентильным разрядником.

Сеть с эффективным заземлением нейтрали — сеть, в которой заземлена большая часть нейтралей обмоток силовых трансформаторов. При однофазном замыкании в такой сети напряжение на неповрежденных фазах не должно превышать 1,4 фазного напряжения нормального режима работы сета. В СССР сети напряжением 110 кВ и выше, работающие, как правило, с глухозаземленной нейтралью, относят к сетям с эффективно заземленной нейтралью

Неполнофазным отключением (включением) называется коммутация, при которой выключатели, разъединители или отделители в цепи оказываются включенными не тремя, а двумя или даже одной фазой

• Назад
• Вперёд

org/BreadcrumbList»>
• Вы здесь:  
• Главная
• Оборудование
• Трансформаторы
• Практика
• Защитные устройства. Контрольные приборы и арматура трансформатора

Еще по теме:

• Характеристики режима высокоомного заземления нейтрали через резистор
• Характеристика режима резонансного заземления нейтрали (компенсированная нейтраль)
• Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220кВ
• Несимметричные режимы трехфазных трансформаторов
• Газовое реле РГЧЗ-66 и работа элементов реле при повреждениях силового трансформатора

Трансформаторы

5.

Защита разземленной нейтрали трансформаторов 110-220 кВ.

Изоляция
нейтрали силовых трансформаторов имеет
пониженные по сравнению с фазными
выводами испытательные напряжения.
Поэтому при грозовых и коммутационных
перенапряжениях на разземленной нейтрали
трансформаторов может появляться
напряжение превышающее её уровень
изоляции, что приводит к необходимости
установки защитных аппаратов.

5.1.
Основные положения, которые необходимо
учитывать при выборе режима заземления
нейтрали трансформаторов.

При
проектировании и эксплуатации
электрических сетей 110 — 220 кВ с частичным
разземлением нейтрали исходят из
следующих основных положений:

• учитывается
  отключающая способность выключателей.
  Режим заземления выбирается таким,
  чтобы ток однофазного к.з. не превышал
  номинального тока отключения выключателей.

• размещение
  в сети трансформаторов с разземленной
  нейтралью должно производиться таким
  образом, чтобы при оперативных и
  аварийных коммутациях обеспечить
  эффективное заземление нейтрали всей
  сети.

Принимаются
все возможные меры для предотвращения
выделения участков сети, работающих с
неэффективно заземленной или изолированной
нейтралью.

• в
  первую очередь разземляются нейтрали
  трансформаторов, имеющие полную
  изоляцию.

• для
  повышения чувствительности токовой
  защиты линии и облегчения её расчета
  обеспечивается, по возможности,
  постоянство значений сопротивлений
  нулевой последовательности станций и
  подстанций в различных режимах их
  работы. С этой целью на станциях и
  узловых подстанциях с двумя и более
  трансформаторами применяется разземление
  нейтралей части трансформаторов.

• для
  обеспечения чувствительности токовой
  защиты нулевой последовательности
  линий с ответвлениями трансформаторов
  подстанций на ответвлениях должны
  иметь, по возможности, наименьшее число
  заземленных нейтралей. С этой целью,
  как правило, не заземляются нейтрали
  трансформаторов без питания со стороны
  пониженного напряжения. Нейтрали
  трансформаторов, имеющих питание со
  стороны пониженного напряжения,
  заземляются в количестве, достаточном
  для предотвращения при различных
  аварийных отключениях возникновения
  участков сети с изолированной или
  неэффективно заземленной нейтралью.

• для
  выполнения требований предотвращения
  недопустимого режима работы в сети с
  изолированной нейтралью при наличии
  на станции или подстанции трансформаторов
  как с заземленной, так и с изолированной
  нейтралью с питанием со стороны
  пониженных напряжений предусматривается
  релейная защита, обеспечивающая
  отключение трансформатора с изолированной
  нейтралью или её автоматическое
  заземление (с помощью короткозамыкателя)
  до отключения трансформаторов с
  заземленной нейтралью, работающих на
  те же шины или участок сети.

В
разземленной нейтрали трансформаторов
110 кВ устанавливается оборудование
(разъединитель, трансформатор тока)
класса 35 кВ с длительно допустимым
рабочим напряжением 40,5 кВ. Для изоляции
нейтрали трансформатора длительно
допустимое рабочее напряжение не
нормируется. Однако, поскольку одноминутное
испытательное напряжение изоляции
нейтрали (100 кВ) несколько выше, чем для
оборудования 35 кВ (85 кВ), то, следовательно,
длительно допустимое напряжение изоляции
нейтрали не должно быть ниже 40,5 кВ.

5.2.
Защита разземленной нейтрали
трансформаторов 110-220 кВ.

Параметры
ОПН для защиты нейтрали трансформаторов
110 кВ, 220 кВ выбираются по трем основным
направлениям:

• по выдерживанию
  повышений напряжений промышленной
  частоты;

• по воздействию
  коммутационных перенапряжений;

• по
  воздействию грозовых перенапряжений.

Напряжение частоты
50 Гц на нейтрали трансформатора
появляется при:

,
где

U_ф
– наибольшее рабочее фазное напряжение
сети,

—
импедансы прямой, обратной и нулевой
последовательности относительно места
к. з.

Длительность
режима определяется временем действия
релейной защиты

• при двухфазном
  к.з.

,

поскольку
для сети =,то

=
0,6 U_ф

Длительность
режима определяется временем действия
релейной защиты

Возможные
в эксплуатации повышения напряжения
50 Гц на нейтрали трансформатора и их
длительность суммированы в таблице
5.2.1.

Таблица
5.2.1.

Поскольку
на разземленной нейтрали трансформаторов
напряжение появляется кратковременно,
то наибольшее длительно допустимое
рабочее напряжение на ОПН определяется,
исходя из характеристики напряжение-время.

Требуемый
уровень ограничения перенапряжений
зависит от уровня выдерживаемых
перенапряжений изоляции нейтрали
трансформатора и аппаратов, подключенных
в нейтраль, определяемых испытательными
напряжениями по ГОСТ 1516.3.

Прохождение
грозового импульса через обмотку
трансформатора искажает импульс и на
нейтрали появляется напряжение близкое
по форме к коммутационным импульсам.
Поэтому допустимые воздействия
определяются одноминутным испытательным
напряжением изоляции нейтрали и
электрооборудования в нейтрали
трансформатора. В таблице 5.2.2 приведены
минимально допустимые воздействия на
изоляцию нейтрали трансформаторов и
на электрооборудование, устанавливаемое
в нейтрали трансформаторов.

Допустимые
воздействия на изоляцию нейтрали
трансформаторов и аппаратов в нейтрали.

Таблица 5.2.2

Таким
образом, определяющим при защите
разземленной нейтрали трансформаторов
и подключенных к ней аппаратов является
требование ограничения перенапряжений
на изоляции аппаратов, установленных
в нейтрали трансформаторов. Для ОПН
класса напряжения 110-220 кВ защитный
уровень определяется при токе 30/60 мкс
с амплитудой 500А. Следовательно, ОПН,
устанавливаемый в нейтрали трансформаторов
110-220 кВ, должен иметь остающееся напряжение
при импульсе тока 30/60 мкс с амплитудой
500А не выше 163 и 396 кВ соответственно для
ОПН в разземленной нейтрали трансформаторов
110 и 220 кВ.

Пропускная
способность (амплитуда прямоугольного
импульса тока длительностью 2000 мкс) ОПН
в разземленной нейтрали трансформаторов
должна быть не ниже, чем у ограничителей
класса 110-220 кВ, т.е. 500А.

Преимущества трансформаторов с заземлением нейтрали

Благодаря здравоохранению термин «заземление» приобрел совершенно новое значение. Считается, что прямое соединение с поверхностью Земли при ходьбе босиком позволяет свободным электронам земли восстанавливать энергетический баланс тела, облегчая болезнь. Точно так же при передаче электроэнергии заземление стабилизирует электрическую систему, помогая предотвратить повреждения от токов замыкания на землю. Здесь Мартин Николлс, директор по продажам производителя силовых резисторов Cressall, исследовал преимущества трансформаторов с заземлением нейтрали для передачи электроэнергии.

Трансформаторы с заземлением нейтрали (NET) обычно используются в трехфазных энергосистемах. Трехфазные системы образуют большинство электрических сетей, особенно при вводе в сеть возобновляемых источников энергии. Многие системы имеют соединения треугольником, что означает, что образуется замкнутый контур, и нейтральная клемма отсутствует.

Без нейтрали электрическая система остается незаземленной, что может привести к дестабилизации всей системы в случае замыкания на землю. В худшем случае это может привести к опасным переходным перенапряжениям и серьезному повреждению оборудования. Итак, как NET снижает эти риски?

Предотвращение проблем

Основной функцией NET является обеспечение нейтрали, а от нее – единственной электрической линии, соединенной с землей. Использование заземления дает возможность добавить в систему защитные трансформаторы тока и реле для обнаружения тока замыкания на землю для размыкания вышестоящих автоматических выключателей, которые можно использовать для устранения любых потенциальных неисправностей без негативного влияния на работу. Сети создают искусственную нейтраль посредством одной из двух возможных конфигураций: зигзагообразного соединения или соединения звезда-треугольник.

Хотя эти конфигурации различны, они выполняют одну и ту же функцию — обеспечивают нейтральную точку, от которой можно заземлить электрическую систему. Заземленная система значительно безопаснее незаземленной. Однако для обеспечения оптимальной безопасности трансформатор следует использовать вместе с резистором заземления нейтрали (NER) — это увеличивает сопротивление цепи, чтобы ограничить ток короткого замыкания до известного уровня.

NER размещается на нейтральной линии NET, чтобы в случае неисправности слишком большие токи не протекали по нейтральной линии. NER поглощает любые токи короткого замыкания и безопасно рассеивает их в виде тепла. Это гарантирует, что любое защитное релейное оборудование останется в рабочем состоянии, а также предотвратит тепловое повреждение компонентов системы.

Мониторинг изменений

Сети также облегчают мониторинг работы электрической системы. Поскольку неисправности проходят через NER, тип измерительного трансформатора, известный как трансформатор тока (CT), может быть размещен перед резистором, чтобы приборы могли отслеживать любые изменения.

Трансформатор тока отвечает за выдачу пропорционального сигнала, масштабируя большие значения напряжения или тока, имеющиеся в системе, до защитных измерительных приборов, которые легко считываются. Они есть на всех генерирующих станциях, электрических подстанциях и в распределительных сетях.

Непрерывно измеряя и контролируя работу энергосистемы, ТТ позволяет операторам выявлять любые небольшие изменения напряжения, тока или функции. Это помогает им лучше планировать техническое обслуживание и повышать доступность системы, что, в свою очередь, сокращает время простоя и обеспечивает постоянную выходную мощность.

Cressall производит системы, включающие в себя сети сухого типа и резисторы, подходящие для различных применений, с номинальной мощностью от десяти секунд до непрерывной. NET и NER объединены в одном корпусе с отличной устойчивостью к температуре, что обеспечивает непрерывную работу даже после возникновения большого тока короткого замыкания.

Многие приветствуют «заземление» как новейшую тенденцию в области здравоохранения, которая гарантирует, что тело остается в равновесии для обеспечения правильного функционирования, и очень важно, чтобы мы применяли тот же подход, когда речь идет о защите электропитания. Будь то небольшое коммерческое производство электроэнергии или гигантская оффшорная ветряная электростанция, NET могут иметь важное значение для смягчения последствий сбоев и обеспечения безопасности наших энергосистем при заземлении.

Что такое заземление нейтрали энергосистемы?

Обычно используемые методы заземления нейтрали для энергосистем: прямое заземление нейтрали, заземление нейтрали, заземление нейтрали через дугогасительную катушку (резонансное заземление) и заземление нейтрали через заземление сопротивления. Режим заземления энергосистемы включает в себя множество важных аспектов, таких как безопасная работа электросети, надежность электроснабжения и безопасность пользователя. В профессиональных и технических аспектах, связанных с энергосистемами, координация перенапряжения и изоляции, релейная защита, связь и автоматизация, электромагнитная совместимость, проектирование заземления и многие другие области представляют собой обширную системную проблему.

Среди них нейтральная точка подключена к резистору последовательно между нейтральной точкой электросети и землей. Соответствующий подбор сопротивления подключаемого резистора не только сбрасывает энергию полуволны после однофазной заземляющей дуги, тем самым снижая возможность повторного возгорания дуги, подавляя амплитуду перенапряжения сетка и повышение чувствительности устройства релейной защиты.