Analýza technologie zemnění transformátorů na stavebních prostranstvích

V současné době Čína dosáhla určitých úspěchů v této oblasti. Relevantní literatura navrhla typické konfigurační schémata pro ochranu před zemními závadami v nízkonapěťových distribučních systémech jaderných elektráren. Na základě analýzy domácích i mezinárodních případů, kdy zemní závady v nízkonapěťových distribučních systémech jaderných elektráren způsobily nežádoucí spuštění nulové sekvence ochrany transformátoru, byly identifikovány podkladové příčiny. Navíc byly na základě těchto typických konfiguračních schémat navrženy doporučení pro zlepšení opatření ochrany před zemními závadami v pomocných elektrických systémech jaderných elektráren.

Relevantní literatura studovala vzory změn diferenciálního proudu a proudu omezujícího, a prostřednictvím výpočtu poměru mezi diferenciálním proudem a proudem omezujícím provedla kvantitativní analýzu adaptability hlavní ochrany transformátoru s diferenciálním poměrem za takových poruchových stavů.

Nicméně, uvedené metody stále čelí mnoha problémům, které naléhavě vyžadují řešení. Například nadměrný zemní odpor, nesprávné volby zemních metod a nedostatečné opatření proti bleskovému zásahu—tyto problémy mohou vést k selhání transformátoru a dokonce vyvolat bezpečnostní nehody. Proto je třeba provést více hluboké výzkumy a analýzy technologií ochrany před zemními závadami transformátorů na stavebních místech, začleněním nejnovějších výzkumných výsledků a technologického rozvoje.

Tento výzkum může nejen zlepšit teoretickou úroveň technologií ochrany před zemními závadami transformátoru, ale také poskytnout praktická a proveditelná řešení a opatření pro skutečné stavební projekty. Je doufáno, že tento výzkum upoutá více pozornosti a důrazu od vědců na technologie ochrany před zemními závadami transformátorů na stavebních místech, společně podporující rozvoj tohoto oboru.

1 Určení metod zemnění transformátoru

Tradiční metoda přímého zemnění neutrálního bodu transformátoru může v určitých podmínkách způsobit příliš velké krátkozávodné proudy, což může poškodit zařízení. Proto je navržena metoda zemnění s nízkým odporom. Zemnění s nízkým odporom je efektivní přístup k zemnění transformátoru, který dosahuje efektivní kontroly zemního proudu transformátoru spojením nízkého odporníku mezi neutrálním bodem transformátoru a zemí. Tato metoda zemnění může nejen regulovat velikost zemního proudu a snížit dopad blesku a přetlaku na transformátory, tím pádem zlepšujíc stabilitu provozu, ale také omezit krátkozávodné proudy a snížit riziko poškození zařízení.

Konkrétně, při implementaci zemnění s nízkým odporom neutrálního bodu transformátoru na stavebních místech, prvním krokem je určení vhodné hodnoty zemního odporníku. Podle Ohmovy zákona je hodnota zemního odporníku nepřímo úměrná zemnímu proudu a napětí. Proto při výběru hodnoty zemního odporníku pro metodu zemnění s nízkým odporom musí být nejdříve určena hodnota odporníku, s výpočtovým vzorcem následujícím:

Ve vzorci R₀ reprezentuje hodnotu odporníku zemnění; U₀ reprezentuje průměrné nominální napětí elektrického systému na staveništi; I₀ reprezentuje proud plynoucí skrz odporník neutrálního bodu. Podle výpočtu ve vzorci (1) by měla být vybrána vhodná hodnota zemního odporníku, která efektivně omezí krátkozávodný proud, zároveň se vyhnouc příliš velkému dopadu na transformátor.

Následujícím krokem je určení parametrů jako průřez a materiál zemního vedení. Materiál zemního vedení musí také mít vynikající vodivost a odolnost vůči korozi, aby zajistil jeho životnost a spolehlivost. Tento výzkum komplexně zvažuje skutečné podmínky zemnění transformátoru na stavebních místech a vybírá cínovaný měděný drát jako zemní vodič—materiál s dobrými vodivými vlastnostmi, snadnou instalací a silnou odolností vůči korozi, což plně splňuje požadavky metody zemnění s nízkým odporom.

Průřez zemního vedení přímo ovlivňuje jeho hodnotu odporníku, což dále ovlivňuje zemní proud. Proto je na základě následujícího vzorce vybrán vhodný průřez zemního vedení:

Ve vzorci S reprezentuje průřez zemního vedení v metodě zemnění s nízkým odporom; η reprezentuje koeficient poměru mezi odporem zemnění neutrálního bodu a odporem zemnění transformátoru; T reprezentuje povolený teplotní nárůst zemního vedení. Nakonec musí být určena hloubka zakopání zemního elektrodu. Aby bylo zajištěno stabilní fungování zemního elektrodu v náročných podmínkách, jeho hloubka zakopání by měla přesahovat tloušťku zamrzlé vrstvy půdy na staveništi, tím pádem komplexně zajišťuje spolehlivost a bezpečnost zemního systému.

Zhruba řečeno, při implementaci zemnění transformátoru na stavebních místech se používá metoda zemnění s nízkým odporom, s rozumnými nastaveními parametrů zemnění, včetně hodnoty odporníku, průřezu zemního vedení, výběru materiálu a hloubky zakopání zemního elektrodu, což poskytuje pevnou základnu pro stabilní fungování transformátoru během výstavby.

2 Návrh schématu ochrany před zemními závadami transformátoru

Vzhledem k výše uvedenému obsahu je v technologii zemnění transformátorů na stavebních místech použit způsob zemnění s nízkým odporovým bodem. Tento způsob zemnění primárně efektivně kontroloval proud zemnění transformátoru pomocí nízkého odporu. Během provozu transformátoru se mohou vyskytnout různé poruchy, nejčastější z nich jsou jednofázové zemné poruchy. Jednofázová zemná porucha znamená krátké spojení mezi jedním fázovým vinutím transformátoru a zemí, zatímco druhé dvě fáze pokračují v normálním fungování. Tato porucha způsobuje změny potenciálu neutrálního bodu transformátoru, což vedou k nerozvážení třífázových proudů. Využitím této charakteristiky byl navržen ochranný systém založený na nerovnováze třífázových proudů v transformátorech:

První je ochrana části I nulové posloupnosti, jejíž nastavení lze vypočítat podle následujícího vzorce:

V rovnici I₁ představuje hodnotu proudu, pro který zapíná ochrana nulové posloupnosti transformátorů na stavebních místech; γ₁ představuje spolehlivostní koeficient; γ₂ představuje koeficient nulové větve; I₂ představuje hodnotu proudu, pro který zapíná ochrana nulové posloupnosti sousedních komponent transformátorů na stavebních místech. Po výpočtu hodnoty proudu pro ochranu části I nulové posloupnosti podle rovnice (3) je obvykle doba působení ochrany části I nastavena tak, aby byla přibližně o 0,5 sekundy delší než doba působení následné ochrany nulové posloupnosti.

Druhá je ochrana části II nulové posloupnosti. Vzorec pro výpočet hodnoty ochranného proudu je stejný jako u ochrany části I nulové posloupnosti, což znamená, že ochranný proud je získán podle rovnice (3), ale doba působení se liší, vyžaduje se zvýšení o přibližně 0,3 sekundy vzhledem k době působení ochrany části I nulové posloupnosti.

Nakonec existuje ochrana nulového napětí. S ohledem na to, že během jednofázových zemných poruch transformátorů na stavebních místech může neutrální bod ztratit svou inerční citlivost, musí být působení napětí ochrany nulového napětí nižší než maximální nulové napětí, které se objevuje na místě instalace ochrany během jednofázových zemných poruch. Hodnota napětí ochrany nulového napětí je hlavně určena podle následujícího vzorce:

V rovnici U₁ představuje působení napětí ochrany nulového napětí; U₂ představuje nominální napětí tří sekundárních vinutí.

Shrnutí: Aby byl vytvořen kompletní systém ochrany před nerovnováhou třífázových proudů, jsou vyžadovány řada složitých výpočtů, včetně výpočtových vzorců pro ochranu části I a II nulové posloupnosti a ochrany nulového napětí. Odvození a aplikace těchto vzorců pomůže přesněji určit typ a závažnost jednofázových zemných poruch na stavebních místech. Tento ochranný systém může nejen rychle lokalizovat a izolovat zemné poruchy, ale také snížit pravděpodobnost výpadků elektrické energie způsobených zemnými poruchami. Zároveň, kombinován s metodou zemnění s nízkým odporovým bodem, vytváří celkovou strukturu ochrany před zemněním transformátorů na stavebních místech, což poskytuje silnou ochranu pro bezpečný provoz transformátorů.

3 Experimentální analýza

Pro ověření účinnosti výše uvedené technologie zemnění transformátorů na stavebních místech tento oddíl použije softwaru pro simulaci elektrických systémů PowerFactory k provedení simulací ochrany před zemněním transformátorů. Nejprve je v simulačním softwaru vytvořen model elektrického systému budovy, který zahrnuje transformátory, vysoké a nízké napěťové linky, spotřebiče a další zařízení. Tabulka 1 uvádí model a parametry experimentálního transformátoru.

Specifická struktura transformátoru je znázorněna na obrázku 1.

Následně byly provedeny simulační experimenty s ochranou před zeměním transformátoru pomocí tří různých metod zemění: zemění středního bodu s nízkým odporem, zemění středního bodu s vysokým odporem a zemění středního bodu s odstraněním oblouku. Při nastavování metod zemění byl pro metodu zemění středního bodu s nízkým odporem vybrán odporník s malou hodnotou odporu, konkrétně nastaven na 0,5 Ω, aby se simuloval efekt zemění s nízkým odporem; pro metodu zemění středního bodu s vysokým odporem byl vybrán odporník s větší hodnotou odporu, nastaven na 10 Ω, aby se simulovaly charakteristiky zemění s vysokým odporem.

Během experimentu byly simulovány úrovně proudů zemění transformátoru při jednofázových zemních chybách. Specifická poloha chyby byla nastavena na střed jedné fáze na nižším napětí transformátoru, s odporem chyby nastaveným na 100 Ω, aby se simuloval odporník během zemní chyby. Během procesu simulace chyby byl použit systém sběru dat s vysokou frekvencí vzorkování k zaznamenání dat o proudech zemění, s frekvencí vzorkování nastavenou na 1000 krát za sekundu, aby bylo zajistěno zachycení jemných změn proudu zemění.

Kromě zaznamenání hodnoty proudu zemění v okamžiku výskytu chyby byly nastaveny i další časové body, včetně 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 5 s a 10 s po výskytu chyby, aby bylo možné pozorovat změny proudu zemění v různých časových intervalech. Aby bylo zabráněno náhodnosti výsledků experimentu, byla data o proudech zemění zaznamenána 10krát, s průměrnou hodnotou jako konečným výsledkem experimentu. Obrázek 2 poskytuje srovnání efektů ochrany před zeměním transformátoru podle různých metod zemění.

Jak je znázorněno na obrázku 2, simulační analýza porovnala charakteristiky proudů zemění transformátoru při jednofázových chybách pro metody zemění středního bodu s nízkým odporem, vysokým odporem a odstraňováním oblouku. Výsledky ukazují, že během jednofázové zemní chyby u transformátoru je proud zemění při metodě zemění středního bodu s nízkým odporem výrazně vyšší než při metodách zemění středního bodu s vysokým odporem a odstraňováním oblouku.

Při navržené technologii ochrany před zeměním byl průměrný proud zemění transformátoru 70,11 A, což je zvýšení o 43,44 A a 21,62 A v porovnání s kontrolními skupinami technologií. To pomáhá snížit intenzitu oblouku v místě chyby a urychluje schopnost samočištění chyby. Proto je navržená technologie ochrany před zeměním proveditelná a spolehlivá, vhodná pro praktické použití při jednofázových zemních chybách transformátorů, což efektivně chrání bezpečnost provozu transformátorů na stavebních místech.

4. Závěr

Technologie ochrany před zeměním transformátorů na stavebních místech navrhuje schéma ochrany proti nadměrnému nulovému proudu založené na metodě zemění středního bodu s nízkým odporem. Srovnávacími experimenty byla ověřena převaha navržené technologie ochrany před zeměním v hlavní ochraně před jednofázovými chybami transformátoru. Ačkoli byly dosaženy některé výsledky výzkumu, existují stále určité omezení. Například experimentální podmínky a vzorky dat nemusí být dostatečně komplexní, což vyžaduje další ověření univerzálnosti závěrů.

Budoucí výzkum by se mohl zaměřit na následující oblasti: za prvé, rozšíření rozsahu experimentů a zvýšení vzorků dat, aby byla zlepšena přesnost a univerzálnost závěrů; za druhé, hlubší studie jiných schémat a technologií ochrany, aby byly nalezeny efektivnější a spolehlivější metody ochrany před zeměním transformátorů; a nakonec, vývoj vysoce výkonných ochranných zařízení a systémů v kombinaci s praktickými inženýrskými aplikacemi.