Как импеданс заземляющего трансформатора изменяет ток замыкания на землю

Как импеданс заземляющего трансформатора изменяет ток замыкания на землю

Импеданс заземляющего трансформатора — не второстепенная деталь, которую следует проверять после выбора основного трансформатора и распределительного устройства. В изолированной в остальных отношениях сети среднего напряжения он является одним из основных факторов, определяющих последствия однофазного замыкания на землю: будет ли ток повреждения достаточно высоким для срабатывания защиты, достаточно низким для предотвращения ненужного повреждения оборудования и достаточно контролируемым, чтобы предотвратить длительное перенапряжение на неповреждённых фазах.

Для технических экспертов сложность заключается в том, что термин «импеданс» в тендерной документации может иметь разные значения. Для трансформатора может быть указано процентное сопротивление для нормальной нагрузки или характеристик короткого замыкания, тогда как для расчёта замыкания на землю требуется сопротивление нулевой последовательности цепи заземления. Эти значения связаны с конструкцией трансформатора, но не являются взаимозаменяемыми. Рассматривать их как одно и то же — распространённая причина неверных расчётов тока повреждения.

Трёхфазный заземляющий трансформатор обычно устанавливается там, где существующий системный трансформатор не имеет доступной нейтральной точки. Заземляющий трансформатор типа зигзаг или звезда-треугольник создаёт эту нейтральную точку. Затем устройство импеданса — чаще всего резистор заземления нейтрали, хотя в некоторых схемах также используются реакторы, — определяет, какой ток может протекать из системы в место замыкания на землю.

Путь тока замыкания — отправная точка

При замыкании фазы на землю ток не просто проходит по фазному проводнику и возвращается через грунт. В заземлённой трёхфазной сети он следует по контуру нулевой последовательности: повреждённая фаза, сеть возврата через землю и проводники уравнивания потенциалов, нейтраль заземляющего трансформатора, его обмотки и представление питающей сети. Каждая часть этого контура вносит свой импеданс.

Для глухого однофазного замыкания на землю инженеры обычно выражают начальный симметричный ток в упрощённом виде следующим образом:

I_LG = 3V_ph / (Z₁ + Z₂ + Z₀ + 3Z_f)

Здесь Z₁, Z₂ и Z₀ — сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей, видимые из точки повреждения, а Z_f представляет импеданс пути повреждения. В сети с резистивным заземлением резистор заземления нейтрали обычно является доминирующей частью пути нулевой последовательности. В зависимости от способа представления данных он может быть включён в Z₀ или показан отдельно как утроенное сопротивление нейтрали. Используемое соглашение должно оставаться единообразным на протяжении всего расчёта.

Практическое следствие очевидно: более высокий суммарный импеданс пути заземления приводит к меньшему току замыкания на землю; меньший импеданс допускает больший ток. Однако выбор максимально доступного импеданса не делает систему автоматически более безопасной. Если ток становится ниже надёжного порога срабатывания реле и трансформаторов тока, устойчивое повреждение может оставаться под напряжением. Это проблема защиты, а не достижение в экономии на импедансе.

Импеданс заземляющего трансформатора и импеданс резистора выполняют разные функции

В большинстве установок с резистивным заземлением резистор заземления нейтрали специально выбирается для управления током замыкания на землю. Сам заземляющий трансформатор должен быть рассчитан на протекание соответствующего тока нулевой последовательности в течение заданной длительности, обычно достаточной для обнаружения повреждения и срабатывания выключателя. Однако импеданс его обмоток также влияет на конечный результат и не может игнорироваться.

Заземляющий трансформатор с низким импедансом в сочетании с нейтральной цепью с относительно низким сопротивлением допускает больший ток замыкания на землю. Это может упростить координацию традиционной максимальной токовой защиты, но также увеличивает тепловую и механическую нагрузку на трансформатор, резистор нейтрали, кабели, распределительное устройство и повреждённое оборудование. Это также может повысить риски напряжения прикосновения, если заземляющая сетка и система уравнивания потенциалов не были оценены как единая система.

С другой стороны, путь с высоким импедансом ограничивает повреждение в точке замыкания и может снизить энергию дуги, связанную с замыканиями на землю. Однако в этом случае защита требует более тщательной инженерной проработки. Более важными становятся чувствительная защита по остаточному току или току нулевой последовательности, подходящий выбор CT, фильтрация реле и координация с ёмкостным зарядным током. В сетях с большим количеством кабелей, особенно с длинными фидерами среднего напряжения, фазно-земная ёмкость системы не является пренебрежимо малой. Конструкция заземления, которая выглядит приемлемой только на основании данных трансформатора, может вести себя иначе после добавления фактической кабельной сети.

Поэтому эксперт должен запрашивать данные об импедансе нулевой последовательности заземляющего трансформатора или о его характеристиках в режиме заземления, а не только его нормальное процентное сопротивление. Запрашиваемая информация также должна содержать предусмотренный ток нейтрали, номинальную длительность, напряжение системы, тип соединения, уровень изоляции и допустимое повышение температуры для указанного режима. Трансформатор, достаточный на бумаге для кратковременного повреждения, может не подходить для схемы с задержанной резервной защитой.

Почему тип соединения так же важен, как значение импеданса

Заземляющий трансформатор типа зигзаг широко применяется, поскольку его схема обмоток обеспечивает нейтральную точку, одновременно создавая низкий импеданс для тока нулевой последовательности и относительно высокий импеданс для симметричного тока нагрузки прямой последовательности. При нормальных трёхфазных условиях составляющие магнитного потока обмоток в значительной степени компенсируются. При замыкании на землю составляющие нулевой последовательности складываются в предусмотренном пути заземления.

Схема звезда-треугольник также может создать точку заземления, однако обмотка треугольником должна обеспечивать внутренний циркулирующий путь, необходимый для тока нулевой последовательности. Правильный выбор зависит от уровня напряжения, доступного пространства, конфигурации системы, требуемой тепловой стойкости, гармоник, философии защиты и необходимости вспомогательной трансформаторной функции. Нецелесообразно задавать одну схему исключительно по привычке.

Одним из тонких вопросов является взаимосвязь между заземляющим трансформатором и питающим трансформатором. Питающий трансформатор, соединённый треугольником, может блокировать прохождение тока нулевой последовательности вверх по сети. В такой ситуации местный заземляющий трансформатор может стать основным путём возврата при замыкании на землю на нижестоящей шине. Поэтому его импеданс и резистор нейтрали оказывают значительно более прямое влияние на уровень повреждения, чем в системе с глухозаземлённым источником энергоснабжающей организации.

Выбор целевого тока замыкания на землю — задача координации

Отправной точкой должно быть исследование системы, а не предпочтительный номинал резистора. Инженерам обычно необходимы однолинейная схема системы, векторные группы трансформаторов, вклады генераторов и инверторов, где это применимо, длины фидеров и типы кабелей, существующие точки заземления, характеристики нагрузки и настройки защиты. Для объектов возобновляемой энергетики особого внимания заслуживают ёмкость кабелей коллекторных цепей и характер заземления повышающих трансформаторов инверторов. Проект солнечной или ветровой электростанции может существенно измениться между ранней стадией проектирования и окончательной прокладкой кабелей.

Выбранный ток замыкания на землю должен одновременно удовлетворять нескольким условиям:

• Он должен превышать ожидаемый ёмкостный зарядный ток с соответствующим запасом для выбранного метода заземления и концепции защиты.
• Он должен быть достаточно высоким, чтобы основная и резервная защита надёжно обнаруживали повреждение в наиболее удалённой значимой точке.
• Он должен оставаться в пределах кратковременной токовой стойкости заземляющего трансформатора, резистора, нейтрального проводника, распределительного устройства и системы заземления.
• Он должен обеспечивать приемлемую селективность реле, не вызывая отключение вышестоящего устройства раньше защиты местного фидера.
• Он должен оцениваться с учётом применимых к проекту требований IEC, IEEE, энергоснабжающей организации или местных норм, а не приниматься на основе типового проекта.

Универсального «лучшего» тока замыкания на землю не существует. Промышленные сети часто используют контролируемое резистивное заземление для баланса между непрерывностью электроснабжения и защитой оборудования. На подстанции энергоснабжающей организации может применяться подход к заземлению, определяемый оператором сети. Временные системы электроснабжения могут быть ограничены компактной компоновкой оборудования и недостатком информации для расчёта повреждений. Правильный уровень всегда связан с фактической системой и схемой защиты, которая будет в ней работать.

Не следует упускать из виду допуски импеданса и детали монтажа

Расчётный ток настолько точен, насколько точны лежащие в его основе предположения. Импеданс трансформатора имеет производственный допуск, а значение резистора нейтрали меняется с температурой. Соединительные проводники, шинопроводы, кабельные экраны, заземляющие проводники и переходное сопротивление контактов — всё это добавляется к реальной цепи. Обычно они не меняют принципиально обоснованную конструкцию, но имеют значение, когда порог срабатывания реле близок к минимальному доступному току повреждения.

Надёжная оценка проверяет оба конца диапазона: максимальный ток замыкания на землю для стойкости оборудования и минимальный ток замыкания на землю для чувствительности защиты. Предположение о сопротивлении повреждения также должно быть реалистичным. Металлическое замыкание даёт полезный случай максимального тока, но многие реальные повреждения имеют некоторое сопротивление. Если реле срабатывает только при идеальном глухом замыкании, схема имеет малый запас надёжности.

Физический монтаж также может подорвать хороший расчёт. Нейтральное соединение должно быть коротким, правильно рассчитанным, чётко обозначенным и защищённым от случайного обхода. Корпус резистора должен иметь соответствующую вентиляцию и защиту от воздействия окружающей среды. Если заземляющий трансформатор размещается на компактной подстанции, до окончательной фиксации компоновки корпуса следует предусмотреть доступ для обслуживания резистора, нейтрального CT, испытательных перемычек и клеммных соединений.

Для распределительных проектов, требующих интегрированного корпуса, такое решение, как компактная подстанция европейского типа, может быть сконфигурировано для схем распределения высокого и низкого напряжения, учёта и трансформаторных мощностей от 100 kVA до 2500 kVA. Однако её пригодность для схемы заземления по-прежнему зависит от фактического устройства нейтрали, режима работы трансформатора, внутренних зазоров, теплоотвода, компоновки защиты и условий площадки. Компактный корпус не отменяет необходимости проверки сети нулевой последовательности.

Распространённые ошибки при оценке

Первая ошибка — задавать параметры заземляющего трансформатора только по напряжению и kVA. Режим заземления не является обычным режимом непрерывной нагрузки. Величина и длительность тока повреждения должны быть чётко определены. Вторая ошибка — выбирать резистор заземления нейтрали, не подтверждая, что трансформатор способен нести соответствующий ток в течение требуемого времени.

Ещё одна повторяющаяся ошибка — предполагать, что все замыкания на землю обнаруживаются фазными элементами максимальной токовой защиты. В системах с резистивным заземлением часто необходима специализированная защита от замыканий на землю. Её работа зависит от размещения CT, точности остаточного соединения, настроек реле и минимального доступного тока повреждения. Систему заземления, CT, логику реле и время отключения выключателя следует рассматривать как единый пакет проектных решений.

Наконец, инженеры иногда сосредотачиваются только на ограничении тока и упускают временные перенапряжения. Если заземление слишком слабое, перемежающееся повреждение может вызвать неблагоприятные условия фазно-земного напряжения на неповреждённых фазах. Последствия могут включать нагрузку на изоляцию и ненадёжную индикацию, особенно при значительной ёмкости кабелей. По этой причине следует сравнивать варианты заземления с помощью надлежащего исследования сети, а не выбирать импеданс по каталогу.

Практическая проверка перед утверждением

Перед утверждением трёхфазного заземляющего трансформатора подтвердите номинальное напряжение системы и соединение, требуемый ток нейтрали и длительность, характеристики нулевой последовательности трансформатора, значение резистора или реактора, а также расчётные минимальный и максимальный токи замыкания на землю. Затем сопоставьте эти результаты с чувствительностью реле, временем отключения выключателя, возможностями CT, тепловыми условиями корпуса и проектом заземления площадки.

Производители, обладающие инженерными компетенциями в области передачи и распределения электроэнергии, могут предоставить полезные данные об оборудовании, однако окончательная схема заземления должна оставаться индивидуальной для каждого проекта. Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. поддерживает применение энергетического оборудования в сетевых, промышленных, инфраструктурных средах и средах возобновляемой энергетики, где надёжная работа зависит от соответствия конструкции оборудования фактической сети, а не только от номинальных характеристик.

Ключевой вывод прост: импеданс заземляющего трансформатора изменяет ток замыкания на землю, поскольку он является частью пути возврата нулевой последовательности. Однако вопрос проектирования шире, чем «какой ток будет протекать?». Он заключается в том, является ли этот ток контролируемым, обнаруживаемым, термически допустимым и правильно скоординированным от точки повреждения до защитного устройства, которое должно его отключить.