Как заземляющий трансформатор подстанции ограничивает перенапряжение при замыкании на землю

Замыкание на землю становится опасным на подстанции с изолированной или высокоомно заземлённой нейтралью не просто потому, что одна фаза соприкасается с землёй, а потому, что исправные фазы могут значительно превысить своё нормальное фазное напряжение относительно земли. Заземляющий трансформатор подстанции обеспечивает контролируемую опорную точку относительно земли для сети без доступной нейтрали. При правильном согласовании с резистором или реактором заземления нейтрали он ограничивает смещение нейтрали, вызывающее перенапряжение при замыкании на землю, одновременно создавая определённый путь тока, который могут обнаружить реле защиты.

Важно различать, что заземляющий трансформатор не устраняет все переходные процессы. Грозовые импульсы, коммутационные перенапряжения, эффекты включения кабелей и резонансные условия по-прежнему требуют координации изоляции и мер защиты от перенапряжений. Его основной вклад заключается в управлении реакцией системы на однофазные замыкания на землю и предотвращении поведения сети как неконтролируемой плавающей системы.

Почему незаземлённая сеть может испытывать высокое напряжение при замыкании на землю

Многие обмотки трансформаторов среднего напряжения соединены треугольником, а в некоторых системах используются незаземлённые или заземлённые через сопротивление схемы. Такие конфигурации могут не иметь нейтральной точки, которую можно напрямую подключить к земле. В нормальных симметричных условиях это не обязательно является проблемой: напряжение каждой фазы относительно земли в основном определяется распределённой ёмкостью кабелей, шин, вращающихся машин, трансформаторов и подключённого оборудования.

При однофазном замыкании на землю повреждённая фаза оказывается близкой к потенциалу земли. Если преднамеренный путь заземления отсутствует, нейтральная точка смещается. Две неповреждённые фазы могут тогда приблизиться по отношению к земле к междуфазному напряжению вместо сохранения их нормального фазного напряжения относительно земли. Эта повышенная нагрузка воздействует на изоляцию кабелей, изоляцию обмоток трансформаторов, трансформаторы напряжения, ограничители перенапряжений, распределительные устройства и подключённые двигатели.

Ёмкостный зарядный ток также протекает от исправных фаз через ёмкость сети к месту повреждения. В небольшой компактной системе этот ток может быть малым. На подстанциях с большим количеством кабелей, в коллекторных сетях возобновляемой энергетики, на промышленных предприятиях или в сетях с множеством подключённых фидеров он может быть достаточно большим для поддержания дугового замыкания на землю. Прерывистая дуга может многократно гаснуть и вновь зажигаться, создавая крутые переходные перенапряжения, более тяжёлые, чем установившееся смещение нейтрали.

Контролируемый путь повреждения изменяет реакцию системы

Заземляющий трансформатор обычно подключается к шине или третичной обмотке трансформатора и обычно выполняется по схеме зигзаг или звезда-треугольник. Его схема обмоток создаёт нейтральную точку, не выполняя функции основного трансформатора, передающего основную мощность нагрузки между уровнями напряжения.

Для токов прямой и обратной последовательности магнитные эффекты в заземляющем трансформаторе зигзаг в значительной степени компенсируются. Однако для тока нулевой последовательности секции обмоток усиливают друг друга и создают низкоомный магнитный путь к нейтрали. Подключение нейтрали к земле напрямую, через резистор или через реактор формирует предусмотренную цепь заземления нулевой последовательности.

При замыкании на землю ток проходит по контролируемому маршруту:

• от находящейся под напряжением фазы к месту повреждения и земле;
• через систему заземления подстанции к нейтральному подключению заземляющего трансформатора;
• через заземляющий трансформатор и подключённый к нему импеданс заземления нейтрали;
• обратно к источнику через сеть нулевой последовательности.

Этот путь ограничивает степень смещения нейтрали системы и определяет ток замыкания на землю, доступный для реле защиты. Целью проектирования не всегда является максимизация тока повреждения. Схема с глухозаземлённой нейтралью может создавать ток, достаточный для быстрого селективного отключения, но способна увеличить повреждение в точке замыкания. Заземление через сопротивление преднамеренно ограничивает ток, снижая тепловые нагрузки и опасность дуговой вспышки, при этом обеспечивая измеримый остаточный или нейтральный ток. Заземление через реактор может быть выбрано, когда целью является компенсация ёмкостного тока замыкания на землю, хотя его реакцию необходимо тщательно оценивать по мере изменения подключённой сети.

Как это практически ограничивает перенапряжение при замыкании на землю

Механизм ограничения перенапряжения состоит из трёх взаимосвязанных частей. Во-первых, преднамеренное заземление задаёт нейтрали определённую опорную точку напряжения. Это предотвращает свободное повышение напряжения исправных фаз относительно земли до полного междуфазного напряжения при устойчивом повреждении.

Во-вторых, выбранный импеданс заземления регулирует величину и фазовое соотношение тока нулевой последовательности. Резистор обеспечивает демпфирование. Такое демпфирование особенно ценно там, где прерывистые повреждения и ёмкость системы в противном случае могут создавать многократные переходные восстанавливающиеся напряжения. Реактор изменяет реактивный баланс цепи заземления и может снизить ток повреждения в надлежащим образом спроектированной компенсированной сети, однако плохо согласованная реактивность может сделать систему подверженной резонансу или затруднить обнаружение повреждений.

В-третьих, заземляющий трансформатор обеспечивает надёжность защиты. Повреждение, создающее только ёмкостный ток, может быть трудно селективно локализовать. После создания определённой ветви заземления реле могут использовать ток нейтрали, остаточный ток, остаточное напряжение, направленные элементы или сочетание этих величин. Более быстрое и селективное устранение повреждения сокращает время воздействия на изоляцию аномального фазного напряжения относительно земли.

Этот последний момент часто упускается при проектных проверках: регулирование напряжения и чувствительность защиты не являются отдельными решениями. Импеданс заземления, который очень сильно снижает ток повреждения, может уменьшить ущерб, но также может оставить слишком слабый надёжный сигнал для установленной схемы релейной защиты. И наоборот, низкий импеданс может упростить защиту, но создаёт большую нагрузку при повреждении на оборудование и заземляющую сетку. Поэтому заземляющий трансформатор, устройство заземления нейтрали, настройки реле, конфигурация фидеров и координация изоляции должны оцениваться как единая система.

Номинал трансформатора должен соответствовать режиму заземления

Заземляющий трансформатор не выбирается по мощности нагрузки шины в MVA. Его критически важный номинал — способность проводить ток замыкания на землю в течение требуемой длительности без недопустимых тепловых или механических нагрузок. Для оценки необходимы ожидаемый ток замыкания на землю, время отключения, допустимая перегрузочная способность, уровень напряжения, класс изоляции и число потенциальных событий повреждения, учитываемых в концепции проектирования.

Постоянные потери и вспомогательные нагрузки также могут иметь значение, но они не заменяют расчёт кратковременной нагрузки нулевой последовательности. Устройство может казаться достаточно мощным с точки зрения обычного трансформатора, но быть непригодным для длительного режима замыкания на землю.

На уровне основного преобразования напряжения схема заземления также влияет на допущения по изоляции и защите силового трансформатора. Для региональных подстанций и объектов повышения напряжения новой энергетики Масляный трансформатор 110kV может быть частью более широкой схемы преобразования напряжения, тогда как отдельно спроектированный заземляющий трансформатор определяет поведение нейтрали соответствующей шины. Они выполняют разные функции: силовой трансформатор передаёт энергию; заземляющий трансформатор управляет поведением при повреждениях нулевой последовательности. Распространённой ошибкой проектирования является предположение, что нейтральная точка силового трансформатора автоматически подходит для любых требований к заземлению.

Вопросы, выявляющие слабые спецификации заземляющего трансформатора

Закупочная спецификация, в которой указывается только напряжение системы и запрашивается «заземляющий трансформатор», является неполной. Следующие проверки показывают, насколько зрелой является проектная основа:

• Соединена ли шина треугольником или иным образом не имеет пригодной нейтрали? Если нейтраль существующего трансформатора доступна, перед её использованием всё равно необходимо оценить её возможности заземления, схему изоляции и номинал по нагрузке при повреждении.
• Какова суммарная ёмкость подключённой сети между фазой и землёй? Добавление кабелей, длинные фидеры, фильтровые батареи, вращающиеся машины и новая инверторная генерация могут существенно изменить поведение при замыкании на землю.
• Какой ток повреждения предусмотрен и почему? Ответ должен связывать пределы повреждения оборудования, требования к срабатыванию реле, селективность и эксплуатационную концепцию.
• Каково максимальное время отключения? Оно определяет кратковременный номинал заземляющего трансформатора и резистора или реактора заземления нейтрали.
• Какие повреждения должны обнаруживаться? Повреждение фидера, повреждение шины и высокоомное повреждение могут требовать разных элементов реле и запасов чувствительности.
• Как будет вести себя схема после расширения сети? Заземление, рассчитанное на сегодняшний ёмкостный зарядный ток кабелей, может стать непригодным после подключения дополнительных фидеров или новых коллекторных цепей энергетики.

Заземление через сопротивление, через реактивность и глухое заземление не являются взаимозаменяемыми

Ни один вариант не является автоматически лучшим. Правильный выбор зависит от того, требуется ли немедленная изоляция повреждения, допускается ли временная работа при замыкании на землю согласно эксплуатационной концепции, какая ёмкость кабелей имеется и рассчитано ли оборудование на возникающие фазные напряжения относительно земли.

Не путайте заземляющую сетку с заземлением системы

Заземляющая сетка подстанции необходима для безопасности персонала и соединения открытых проводящих частей. Она контролирует напряжения прикосновения и шага, обеспечивая низкоомное соединение с физической землёй. Однако сама по себе она не гарантирует контролируемого поведения нулевой последовательности в электрической сети.

Заземление системы требует преднамеренного соединения между нейтралью энергосистемы или искусственной нейтралью, созданной заземляющим трансформатором, и системой заземления. Хорошо спроектированная сетка без подходящей опорной точки нейтрали всё равно может оставить шину, соединённую треугольником или изолированную, подверженной смещению нейтрали и затруднённому обнаружению замыканий на землю. Эти две функции необходимо проектировать совместно, но они решают разные задачи.

Доказательства при вводе в эксплуатацию так же важны, как и паспортная табличка

Перед подачей напряжения следует проверить путь заземления от подключения к шине через обмотки трансформатора, устройство заземления нейтрали, входы реле и заземляющую сетку подстанции. Ошибки полярности и подключения в цепях остаточного тока могут нарушить направленную защиту, даже если само оборудование исправно. Резистор или реактор заземления нейтрали должен быть проверен на соответствие указанному режиму, а настройки реле следует испытать при достоверных минимальных и максимальных условиях замыкания на землю.

Для действующей подстанции повторная оценка оправдана после значительного добавления кабелей, реконфигурации шин, установки конденсаторных батарей или подключения к сети фотоэлектрических, ветровых либо накопительных энергетических объектов. Эти изменения могут достаточно сильно изменить импеданс нулевой последовательности и ёмкостный зарядный ток, чтобы изменить как воздействие перенапряжений, так и работу защиты.

Наиболее обоснованная оценка начинается с фактической сети нулевой последовательности, а не с каталожного номинала. Определите доступную нейтральную точку, рассчитайте или смоделируйте ток замыкания на землю и смещение напряжения, выберите импеданс заземления с учётом ограничений защиты и оборудования, затем подтвердите, что заземляющий трансформатор способен выдерживать заданный режим. Когда эти решения согласованы, система заземления не просто удовлетворяет требованию чертежа: она предотвращает превращение одиночного замыкания на землю в проблему координации изоляции и защиты по всей подстанции.