Auswahl und Optimierung der Schutzkonfiguration von Erdungsmethoden für den Neutralpunkt von 110-kV-Transformatoren

Einführung

In Hochspannungsnetzen ist die Erdungsmethode des Transformators ein entscheidender Faktor für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems. Bei 110-kV-Netzen beeinflusst die Wahl der Erdungsmethode direkt die Isolationspegel der Betriebsmittel, den Überspannungsschutz, die Schutzrelaiskonfiguration und die Versorgungssicherheit. In China wird in 110-kV-Netzen typischerweise eine Erdungsmethode verwendet. teilweise wirksame Erdungsmethode, wobei einige Transformator-Neutralpunkte direkt geerdet sind, während andere ungeerdet bleiben, mit dem Ziel, einphasige Kurzschlussströme zu begrenzen und gleichzeitig Überspannungsgefahren vorzubeugen.

Dieser Artikel analysiert die Eigenschaften, Vorteile und Grenzen verschiedener Erdungsmethoden für den Neutralpunkt von 110-kV-Transformatoren, untersucht optimale Schutzkonfigurationsstrategien und stellt zukünftige Entwicklungstrends vor.

1 Wichtige Methoden zur Erdung des Neutralpunkts für 110-kV-Transformatoren

1.1 Direkte Erdung

Direkte ErdungDies bezeichnet die direkte Verbindung des Transformator-Neutralpunkts mit der Erde. Durch diese Methode wird das Neutralpunktpotenzial effektiv fixiert, sodass bei einem einphasigen Erdschluss der Spannungsanstieg in der fehlerfreien Phase das 1,4-Fache der Phasenspannung nicht überschreitet. Dies trägt dazu bei, die Anforderungen an die Geräteisolation zu reduzieren und Kosten zu senken.

Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch die sehr hoher einphasiger Erdschlussstrom(bis zu mehreren tausend Ampere), was die Abschaltleistung von Leistungsschaltern und die Systemstabilität beeinträchtigen kann. Daher wird in 110-kV- und höheren Spannungssystemen, in denen eine schnelle Fehlerbehebung erforderlich ist, üblicherweise eine direkte Erdung eingesetzt.

1.2 Nicht geerdeter Neutralleiter

In einem nicht geerdetes SystemDer Neutralpunkt des Transformators ist vom Erdreich isoliert. Bei einem einphasigen Erdschluss ist der Fehlerstrom sehr gering (hauptsächlich der kapazitive Strom des Systems), sodass das System für kurze Zeit (typischerweise bis zu 2 Stunden) weiterlaufen kann. Dies verbessert die Sicherheit erheblich. Zuverlässigkeit der StromversorgungDie

In ungeerdeten Systemen können einphasige Erdschlüsse jedoch dazu führen, dass die Spannung in der fehlerfreien Phase auf das Niveau der Leiterspannung ansteigt. Bei schwacher Isolation kann dies zu einem Durchschlag führen, der sich zu einem Kurzschluss zwischen zwei Phasen ausweitet. Zusätzlich kann eine intermittierende Lichtbogenerdung einen Kurzschluss verursachen. Lichtbogenüberspannungen, die das 3- bis 3,5-fache der Phasenspannung erreichen und somit eine Gefahr für die Transformatorisolierung darstellen.

1.3 Erdung über kleine Impedanz

Um die Vor- und Nachteile von direkt geerdeten und ungeerdeten Systemen auszugleichen, Impedanz-Erdungsmethodewird häufig verwendet. Dies beinhaltet die Erdung über einen kleinen Widerstand oder eine kleine Reaktanz.

• Erdung mit kleinem WiderstandDie Methode begrenzt den Fehlerstrom auf einige hundert Ampere und reduziert so die Auswirkungen auf das System bei gleichzeitig schnellem Schutzbetrieb. Sie unterdrückt Überspannungen effektiv und eignet sich für kabelintensive Verteilungsnetze mit hohen kapazitiven Strömen.
• Erdung mit kleiner ReaktanzDie kapazitiven Ströme des Systems können durch induktiven Strom ausgeglichen werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer erneuten Lichtbogenzündung verringert wird. Diese Methode wird häufig als kompensierte Erdungsmethode betrachtet.

Die Erdung über eine niedrige Impedanz vereint die Vorteile von direkt geerdeten und ungeerdeten Systemen und bietet Überspannungsschutz sowie eine relativ hohe Versorgungssicherheit. Sie findet breite Anwendung in 110-kV-Systemen, insbesondere solchen mit signifikanten kapazitiven Strömen oder hohen Anforderungen an die Stromqualität.

2 Schutzkonfiguration für 110-kV-Transformator-Neutralpunkte

2.1 Überspannungsgefahren

Der Isolationspegel am Neutralpunkt eines 110-kV-Transformators beträgt typischerweise halbisoliertDie Spannungsfestigkeit beträgt nur ein Drittel der Nennspannung am Leitungsende. Dadurch ist der Neutralleiter anfällig für Schäden durch Überspannung. Zu den primären Überspannungsarten gehören:

• Netzfrequenz-ÜberspannungEntstehen durch Leitungsschaltungen, asymmetrische Kurzschlüsse oder plötzlichen Lastverlust.
• ResonanzüberspannungVerursacht durch Schwingungen aufgrund von Wechselwirkungen zwischen induktiven und kapazitiven Elementen während des Systembetriebs oder bei Störungen.
• Schaltüberspannung: Entsteht aus der Umwandlung von magnetischer und elektrostatischer Energie beim Öffnen oder Schließen von Leistungsschaltern.
• BlitzüberspannungVerursacht durch Blitzeinschläge, gekennzeichnet durch hohe Amplitude und kurze Dauer.

2.2 Gemeinsame Schutzvorrichtungen

Zum Schutz des Transformator-Neutralpunkts werden üblicherweise folgende Schutzvorrichtungen eingesetzt:

• ÜberspannungsableiterDiese Überspannungsschutzgeräte begrenzen Blitzüberspannungen und bestimmte Schaltüberspannungen. Standard-Überspannungsableiter sind jedoch aufgrund des niedrigen Isolationsniveaus der Neutralpunkte von 110-kV-Transformatoren oft unzureichend, was die Auswahl erschwert.
• IsolationslückenDiese Schutzvorrichtungen schützen vor Netzfrequenz- und Resonanzüberspannungen. Bei Überspannung schließt die Funkenstrecke und erdet den Neutralleiter, um den Spannungsanstieg zu begrenzen. Ein Nachteil ist die Schwierigkeit, den Funkenstreckenabstand präzise einzustellen, was zu Fehlfunktionen des Schutzes führen kann.
• Parallelschaltung von Überspannungsableiter und FunkenstreckeDies ist eine weit verbreitete Schutzmethode. Der Überspannungsableiter fängt Blitzüberspannungen ab, während die Funkenstrecke Überspannungen durch Netzfrequenz und Resonanz abfängt. Die Funkenstrecke schützt den Überspannungsableiter zudem vor zu hohen Netzfrequenzüberspannungen, die zu dessen Ausfall führen könnten. Dieser Ansatz bietet sich ergänzende Vorteile.

2.3 Relais-Schutzkonfiguration

Der Relaisschutz für den Neutralpunkt eines 110-kV-Transformators umfasst im Wesentlichen folgende Aspekte:

• NullstromschutzBei direkt geerdeten Transformatoren ist ein Nullstromschutz konfiguriert, um Erdschlüsse schnell zu beseitigen. Der Schutz ist üblicherweise in Abschnitte unterteilt, mit kurzen Verzögerungszeiten zur Fehlerortung und längeren Verzögerungszeiten zum Auslösen aller Seiten des Transformators.
• Nullspannungsschutz und LückenstromschutzBei ungeerdeten Transformatoren werden Nullspannungs- und Funkenstreckenschutz eingerichtet. Wenn ein Erdschluss die Erdung unterbricht und dadurch die Spannung am Neutralpunkt ansteigt, bricht die Funkenstrecke durch. Der Funkenstreckenschutz bzw. Nullspannungsschutz schaltet den Transformator mit einer Zeitverzögerung (0,3–0,5 s) allseitig ab.
• Koordinierung des Backup-SchutzesUm die Selektivität zu gewährleisten, müssen die Zeitverzögerungen des Nullfolgeschutzes aufeinander abgestimmt sein. Beispielsweise sollte die Zeitverzögerung eines Backup-Schutzes an einem Transformator länger sein als die des Leitungsschutzes, den er absichert.

3 Optimierungsempfehlungen und Fallanalyse

3.1 Grenzen traditioneller Methoden

Während die Verwendung von Überspannungsableiter parallel zu LückenDiese Vorgehensweise ist zwar weit verbreitet, weist aber mehrere Mängel auf:

• Schwierigkeiten bei der Auswahl von ÜberspannungsableiternEs ist schwierig, Standard-Überspannungsableiter zu finden, die sowohl die Anforderungen an eine hohe Dauerbetriebsspannung als auch an eine niedrige Blitzstoß-Restspannung für 110-kV-Transformator-Neutralpunkte erfüllen.
• Herausforderungen bei der LückensetzungDie Durchschlagspannung im Luftspalt ist einer Streuung unterworfen, was es schwierig macht, den Betrieb des Luftspalts bei Fehlerzuständen mit „Erdungsverlust“ und „Erdungskontakt“ genau zu koordinieren.
• Komplexität des RelaisschutzesDer Schutz gegen „Erdungsverlust“ (wie z. B. Nullspannungs- und Funkenstreckenschutz) kann nicht ordnungsgemäß funktionieren, was zusätzliche Sperrkriterien erforderlich macht, was die Komplexität erhöht und die Zuverlässigkeit verringert.

3.2 Vorteile der Erdung über kleine Reaktanz

Forschung und Praxis zeigen, dass Erdung des Neutralpunkts über eine kleine Reaktanzbietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Teilerdungsmethoden:

• Anforderungen an den IsolationsgradDurch die Anwendung einer Erdung mit geringer Reaktanz kann das Isolationsniveau des Transformator-Neutralpunkts von 35 kV auf 20 kV gesenkt werden, wodurch der Einsatz von Überspannungsableitern und Funkenstrecken entfällt und die Schutzkonfiguration vereinfacht wird.
• Einheitlicher ErdungsmodusDiese Methode verhindert das Auftreten eines isolierten, nicht geerdeten Systems und ermöglicht die Vereinfachung oder den Verzicht auf entsprechende Schutzmaßnahmen, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht wird.
• Beibehaltung der Vorteile: Es behält die Vorteile der Teilerdung bei, wie z. B. einen einfachen und zuverlässigen Nullstromschutz, und begrenzt gleichzeitig einphasige Kurzschlussströme.

3.3 Fallstudienanalyse

Ein Beispiel ist die Umformung eines 110-kV-Terminalumspannwerks. Die ursprüngliche Konstruktion verwendete eine Überspannungsableiter parallel zu einer LückeFür den Schutz des Neutralpunkts. Durch die Einführung einer Erdung mit geringer Reaktanz konnten jedoch die Anforderungen an den Isolationspegel des Transformator-Neutralpunkts reduziert, die Schutzeinrichtungen vereinfacht und die Betriebssicherheit verbessert werden. Berechnungen ergaben, dass der Erdungswiderstand den Fehlerstrom auf wenige hundert Ampere begrenzen und der Nullstromschutz problemlos koordiniert werden kann.

Ein weiterer Fall betraf einen Fehler in einem 110-kV-Umspannwerk, bei dem ein kurzzeitiger einphasiger Erdschluss in der Zuleitung zu einem Funkenüberschlag und zur Auslösung des Transformators führte. Die Analyse ergab, dass der Leitungsfehler zwar kurzzeitig war, aber dennoch... Rückmeldungen von einer großen Anzahl von AsynchronmotorenDie auf der Lastseite vorhandene Energie wurde für den Lichtbogen bereitgestellt und hielt den Fehler aufrecht. Dies unterstreicht, dass bei Transformatoren mit signifikanten Motorlasten (äquivalenten Quellen) ein vollständiger Schutz des Sternpunkts, einschließlich Schutz vor Nullstrom, Funkenstreckenstrom und Nullspannung, bereits in der Auslegungsphase unerlässlich ist.

4. Schlussfolgerung und Ausblick

Die Auswahl des Erdungsverfahrens für den Sternpunkt eines 110-kV-Transformators und dessen Schutzkonfiguration ist eine vielschichtige Aufgabe, die die Systemstruktur, die Lastcharakteristika und die Zuverlässigkeitsanforderungen berücksichtigt. Die traditionelle Teilerdungsmethode in Kombination mit Überspannungsableitern und Funkenstrecken ist zwar weit verbreitet, birgt jedoch Herausforderungen hinsichtlich der Geräteauswahl und der Koordination der Einstellungen. Erdungsmethode mit kleiner Reaktanzbietet eine vielversprechende Alternative, die potenziell die Anforderungen an die Isolierung senkt, den Schutz vereinfacht und die Zuverlässigkeit verbessert.

Zukünftige Entwicklungstrends werden sich auf folgende Bereiche konzentrieren:

• Anwendung neuer GeräteZum Beispiel zusammengesetzte oder steuerbare Lücken, die parallel zu Überspannungsableitern eingesetzt werden, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Schutzes zu verbessern.
• Digitale Schutztechnologie: Einsatz von mikrocomputergestützten Schutzsystemen mit fortschrittlichen Algorithmen (z. B. Wellenformidentifizierung, Oberwellenanalyse) zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Erdschlussschutzes.
• Standardisierung und ModularisierungEntwicklung standardisierter und modularer Neutralpunktschutzgeräte zur Vereinfachung von Konstruktion und Wartung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Optimierung der Erdungsmethode und der Schutzkonfiguration des 110-kV-Transformators entscheidend für die Verbesserung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des Stromnetzes ist. Mit dem technologischen Fortschritt ist zu erwarten, dass intelligentere und effizientere Lösungen entwickelt werden und breite Anwendung finden.