110kV-Transformator-Schutz gegen Nullfolgeströme: Probleme und Verbesserungsmaßnahmen

Probleme mit der Nullfolge-Schutzschaltung von 110 kV-Transformator

In einem effektiv geerdeten System ist die Verschiebungsspannung zwischen Neutralpunkt und Erde des Transformators auf ein bestimmtes Niveau begrenzt, und der Schutz durch den Neutralpunktabstand wird nicht aktiviert. Der Zweck der Installation eines Abstands-Schutzes besteht darin, Schäden an der Transformatorisolierung zu vermeiden, die durch erhöhte Nullfolgespannung in nicht-effektiv geerdeten Systemen entstehen könnten. Die Entladungslücke tritt nur bei einem Einphasen-Erdschluss auf, wenn alle direkt geerdeten Neutralpunkt-Transformator ausgeschaltet werden, und energiegeladene Transformator mit ungeerdetem Neutralpunkt bleiben an das defekte Netz angebunden. In diesem Fall reduziert die Lücke die Spannung zwischen Neutralpunkt und Erde, um Isolierungsschäden zu vermeiden.

Die Entladung der Lücke erzeugt jedoch abgeteilte Wellen, die für die Wicklung-zu-Wicklung-Isolierung des Transformators schädlich sind. Daher ist es vorteilhafter, dass bei einer Steigerung der Nullfolgespannung infolge eines Einphasen-Erdschlusses der Nullfolge-Überspannungsschutz – und nicht der Stromschutz der Lücke – den Transformator ausschaltet. Im Gegensatz dazu weist der Stromschutz der Lücke ein gewisses Maß an Zufälligkeit auf und kann aus verschiedenen Gründen versagen. Aus dieser Perspektive ist der Nullfolge-Überspannungsschutz für den Schutz der Neutralpunkt-Isolierung kritischer als der Stromschutz der Lücke.

Typischerweise werden Nullfolge-Überspannungsschutz und Stromschutz der Lücke gemeinsam verwendet, um einen vollständigen Schutz der Neutralpunkt-Isolierung zu bilden. Daher ist die Installation nur des Stromschutzes der Lücke ohne Nullfolge-Überspannungsschutz unzureichend – insbesondere während intermittierender Lückenentladungen, bei denen der Entladungsstrom nicht aufrechterhalten werden kann, wodurch der Stromschutz der Lücke unwirksam wird.

Die meisten derzeit in Betrieb befindlichen 110 kV-Umspannwerke sind nur mit Neutralpunkt-Stablücken ausgestattet, aber ohne entsprechende Schutzrelais. Diese Konfiguration ist nachteilhaft. Wenn die Nullfolgespannung des Netzes nahe der Nennphasenspannung steigt, erfahren alle ungeerdeten Neutralpunkt-Transformator gleichzeitig eine Nullfolge-Überspannung. Wenn ein Endtransformator ohne Stab-Stromschutz seine Neutralpunkt-Lücke vorzeitig entlädt und die Entladung nicht aufrechterhalten werden kann, bleibt der energiegeladene ungeerdete Transformator an das defekte Netz angeschlossen.

Daher sollten für Endtransformator ohne Niederspannungs-Seitenstromquelle, wenn kein vollständiger Stromschutz der Lücke und Nullfolge-Überspannungsschutz installiert ist, die Neutralpunkt-Stablücke entfernt oder ihre Distanz bewusst erhöht werden, um eine vorzeitige Entladung zu verhindern.

Für Umspannwerke mit inneren Brückenverbindungen ist die übliche Praxis, die erste Zeitstellung des Nullfolgenstromschutzes des neutralgeerdeten Transformators zu verwenden, um die Schaltgeräte 900 und die Buskopplung 100 auszulösen, nicht optimal. Wenn die Niederspannungsseiten parallel betrieben werden, führt das Auslösen des Schaltgeräts 900 zum unnötigen Verlust eines Busabschnitts, während das Niederspannungsschaltgerät des ungeerdeten Transformators geschlossen bleibt.

Im Fehlen des Nullfolge-Überspannungsschutzes, wenn eine temporäre Niederspannungsstromquelle vorhanden ist (z.B. durch 10 kV-Stromversorgung), ist der ungeerdete Transformator gefährdet durch Überspannung. Daher bietet sich, da bereits dreiphasige Spannungswandler (VT) auf der 110 kV-Seite installiert sind, die Hinzufügung des Nullfolge-Überspannungsschutzes als einfache und effektive Sicherheitsmaßnahme an.

Steuerung der Erdungsmethoden von Transformatoren und Verbesserungsmaßnahmen für den Nullfolgeschutz

Erstens muss sichergestellt werden, dass das 110 kV-System als effektiv geerdetes System arbeitet. Das Verhindern von Fehlfunktionen ist der grundlegendste Ansatz – sicherstellen, dass der 110 kV-Neutralpunkt des Quellen-Endtransformators effektiv geerdet ist. Falls durch Schutzkoordinierungseinstellungen erlaubt, können beide parallelierte Quellenseiten-Transformator gleichzeitig geerdet werden.

Wenn ein stromliefernder Transformator seinen geerdeten Neutralpunkt verliert, kann das System nicht mehr effektiv geerdet sein. Daher sollten im Entwurfsstadium Quellen-Endtransformator oder solche, die in Zukunft Strom liefern könnten, mit einem vollständigen Neutralpunkt-Abstandsschutz ausgestattet werden, einschließlich Nullfolgenstromschutz am Neutralpunkt, Stromschutz der Lücke am Neutralpunkt und offener Delta-Nullfolgespannungsschutz am Bus.

An den 110 kV-Ausgangsleitungen, unabhängig davon, wie viele Transformator parallel verbunden sind, können Endtransformator mit ungeerdeten Neutralpunkten betrieben werden, solange der Quellen-Neutralpunkt geerdet ist. In der tatsächlichen Betriebsführung, um potenzielle Risiken zu minimieren, kann ein Transformator-Neutralpunkt geerdet werden. Beim Auswählen, welcher Neutralpunkt geerdet werden soll, sollte folgende Prioritätsreihenfolge beachtet werden:

• Vorziehen Sie Transformator, deren Niederspannungsseite temporär Strom liefert;

• Als nächstes betrachten Sie Transformator, deren Hochspannungsseite keinen Schaltapparat hat;

• Schließlich wählen Sie den Transformator, der am nächsten zur Stromquelle liegt.

Für die Mehrheit der bereits in Betrieb genommenen 110 kV-Endumspannwerke, die derzeit keinen offenen Delta-Nullfolgespannungsschutz (von Bus-VT) und keinen Neutralpunkt-Lückenstromschutz haben, sollten die ursprünglich installierten Neutralpunkt-Stablücken entfernt oder ihre Abstände bewusst erhöht werden, um eine vorzeitige Entladung zu vermeiden.

Bei zukünftigen 110 kV-Umspannwerk-Entwürfen sollten dreiphasige Spannungswandler auf der Hochspannungsseite berücksichtigt werden, zusammen mit Nullfolge-Überspannungsschutz und Transformator-Neutralpunkt-Lückenstromschutz. Diese Konfiguration bietet Betriebsflexibilität und passt sich zukünftigen Änderungen der Netzstruktur an.

Für Umspannwerke mit inneren Brückenverbindungen sollte die erste Zeitstellung des Nullfolgenstromschutzes des Haupttransformators die anderen ungeerdeten Transformator abschalten, um eine Ausweitung des Ausfallbereichs oder die Erzeugung von Netzfrequenz-Überspannung zu vermeiden.