Analyse der Erdungsschutztechnologie von Transformatoren auf Baustellen

Derzeit hat China in diesem Bereich bestimmte Erfolge erzielt. Relevante Literatur hat typische Konfigurationsschemata für die Erdungsschutzschaltung in Niederspannungsverteilungssystemen von Kernkraftwerken entworfen. Basierend auf der Analyse von In- und Auslandfällen, bei denen Erdungsfehler in Niederspannungsverteilungssystemen von Kernkraftwerken zu Fehlfunktionen des Transformator-Nullostromschutzes geführt haben, wurden die zugrundeliegenden Ursachen identifiziert. Darüber hinaus wurden Verbesserungsvorschläge für Erdungsschutzmaßnahmen in Hilfsenergiesystemen von Kernkraftwerken basierend auf diesen typischen Konfigurationsschemata vorgeschlagen.

Relevante Literatur hat die Veränderungsmuster des Differenzstroms und des Hemmstroms untersucht und durch die Berechnung des Verhältnisses zwischen Differenzstrom und Hemmstrom eine quantitative Analyse der Anpassungsfähigkeit des Haupttransformator-Differenzstromschutzes unter solchen Fehlerbedingungen durchgeführt.

Die genannten Methoden stoßen jedoch auf zahlreiche Probleme, die dringend gelöst werden müssen. Zum Beispiel können ein zu hoher Erdwiderstand, eine unangemessene Auswahl der Erdungsmethoden und unzureichende Blitzschutz-Erdungsmaßnahmen alle zu Transformatorausfällen und sogar zu Sicherheitsunfällen führen. Daher ist es notwendig, vertiefte Forschungen und Analysen zu Erdungsschutztechnologien von Transformatoren auf Baustellen durchzuführen, wobei die neuesten Forschungsergebnisse und technologischen Entwicklungen berücksichtigt werden.

Durch diese Forschung kann nicht nur das theoretische Niveau der Erdungsschutztechnologie von Transformatoren verbessert, sondern auch praktikable und machbare Lösungen und Maßnahmen für tatsächliche Bauvorhaben bereitgestellt werden. Es wird gehofft, dass diese Forschung mehr Aufmerksamkeit und Betonung von Wissenschaftlern auf Erdungsschutztechnologien von Transformatoren auf Baustellen zieht, um gemeinsam die Entwicklung in diesem Bereich voranzutreiben.

1 Bestimmung der Erdungsmethoden für Transformatoren

Die traditionelle Methode der direkten Erdung des neutralen Punkts eines Transformators kann unter bestimmten Bedingungen zu übermäßig hohen Kurzschlussströmen führen, was Ausrüstungsschäden verursachen kann. Daher wird eine Erdung mit niedrigem Widerstand am neutralen Punkt vorgeschlagen. Die Erdung mit niedrigem Widerstand am neutralen Punkt ist eine effektive Erdungsmethode für Transformatoren, die durch die Verbindung eines geringen Widerstands zwischen dem neutralen Punkt des Transformators und der Erde eine wirksame Steuerung des Erdungsstroms erreicht. Diese Erdungsmethode kann nicht nur die Größe des Erdungsstroms regeln und den Einfluss von Blitzen und Überspannungen auf Transformatoren reduzieren, um die Betriebsstabilität zu verbessern, sondern auch Kurzschlussströme begrenzen und das Risiko von Ausrüstungsschäden verringern.

Konkret, wenn die Erdung mit niedrigem Widerstand am neutralen Punkt für Transformatoren auf Baustellen implementiert wird, besteht der erste Schritt darin, den geeigneten Wert des Erdwiderstands zu bestimmen. Laut Ohmschem Gesetz ist der Erdwiderstandswert umgekehrt proportional zum Erdungsstrom und zur Erdungsspannung. Daher muss beim Auswählen des Erdwiderstandswerts für die Erdung mit niedrigem Widerstand am neutralen Punkt zunächst der Widerstandswert festgelegt werden, mit der folgenden Berechnungsformel:

Gemäß dem oben genannten Inhalt wird in der Erdungsschutztechnologie für Bauarbeitsplätze bei Transformern die Methode der Niederwiderstandserdung des neutralen Punkts angewendet. Diese Erdungsmethode kontrolliert hauptsächlich den Erdungsstrom des Transformers effektiv durch einen geringen Widerstand. Während des Betriebs von Transformern können verschiedene Fehler auftreten, wobei einphasige Erdungsfehler am häufigsten sind. Ein einphasiger Erdungsfehler bezieht sich auf einen Kurzschluss zwischen einer Phasenwicklung des Transformers und der Erde, während die anderen beiden Phasen normal weiterarbeiten. Dieser Fehler führt zu Veränderungen des Potenzials des neutralen Punkts des Transformers und damit zu einem Ungleichgewicht der dreiphasigen Ströme. Basierend auf dieser Eigenschaft wird ein Schutzkonzept vorgeschlagen, das auf dem Ungleichgewicht der dreiphasigen Ströme in Transformern beruht:

Erstens ist da der Nullstellenschutz Abschnitt I, dessen Einstellberechnungsformel wie folgt lautet:

In der Formel steht I₁ für den Nullstellenschutzbetriebsstromwert der Bauarbeitsplatz-Transformers; γ₁ für den Zuverlässigkeitskoeffizienten; γ₂ für den Nullstellenteilerkoeffizienten; I₂ für den Nullstellenschutzbetriebsstromwert benachbarter Komponenten der Bauarbeitsplatz-Transformers. Nach Berechnung des Stromwerts für den Nullstellenschutz Abschnitt I gemäß Formel (3) wird die Betriebszeit für den Abschnitt I-Schutz in der Regel um etwa 0,5 Sekunden länger als die Betriebszeit des nächsthöheren Nullstellenschutzes eingestellt.

Als Nächstes ist da der Nullstellenschutz Abschnitt II. Die Berechnungsformel für seinen Schutzstromwert ist identisch mit der für den Nullstellenschutz Abschnitt I, was bedeutet, dass der Schutzstrom ebenfalls gemäß Formel (3) ermittelt wird, aber die Betriebszeit unterscheidet sich, indem sie um etwa 0,3 Sekunden länger als die Betriebszeit des Nullstellenschutz Abschnitt I eingestellt wird.

Schließlich gibt es den Nullstellenspannungsschutz. Angesichts der Tatsache, dass bei einphasigen Erdungsfehlern an Bauarbeitsplatz-Transformern der neutrale Punkt möglicherweise seine inhärente Empfindlichkeit verliert, muss die Betriebsspannung des Nullstellenspannungsschutzes unterhalb der maximalen Nullstellenspannung liegen, die an dem Schutzinstallationspunkt während einphasiger Erdungsfehler auftritt. Der Wert für die Spannung des Nullstellenspannungsschutzes wird hauptsächlich nach der folgenden Formel bestimmt:

In der Formel steht U₁ für die Betriebsspannung des Nullstellenspannungsschutzes; U₂ für die Nennspannung der drei Sekundärwicklungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zur Bildung eines vollständigen Schutzkonzepts für das Ungleichgewicht der dreiphasigen Ströme eine Reihe komplexer Berechnungen erforderlich sind, einschließlich Berechnungsformeln für den Nullstellenschutz Abschnitt I, den Nullstellenschutz Abschnitt II und den Nullstellenspannungsschutz. Die Herleitung und Anwendung dieser Formeln helfen dabei, den Typ und die Schweregrad einphasiger Erdungsfehler an Bauarbeitsplätzen präziser zu bestimmen. Dieses Schutzkonzept kann nicht nur Erdungsfehler schnell lokalisieren und isolieren, sondern auch die Wahrscheinlichkeit von Stromausfällen aufgrund von Erdungsfehlern reduzieren. Gleichzeitig bildet es zusammen mit der Methode der Niederwiderstandserdung des neutralen Punkts eine umfassende Erdungsschutzstruktur für Bauarbeitsplatz-Transformers und bietet starken Schutz für den sicheren Betrieb der Transformer.

3 Experimentelle Analyse

Um die Wirksamkeit der oben beschriebenen Erdungsschutztechnologie für Bauarbeitsplatz-Transformers zu überprüfen, wird in diesem Kapitel die Energiesystemsimulationssoftware PowerFactory verwendet, um Simulationsversuche zum Erdungsschutz von Transformern durchzuführen. Zunächst wird im Simulationsprogramm ein Modell des elektrischen Systems eines Gebäudes erstellt, das hauptsächlich aus Transformern, Hoch- und Niederspannungsleitungen, Lasten und anderen Geräten besteht. Tabelle 1 zeigt das Modell und die Parameter des Versuchstransformers.

Die spezifische Struktur des Transformatorens ist in Abbildung 1 dargestellt.

Dann wurden Simulationsversuche zur Erdungsschutzschaltung des Transformers mit drei verschiedenen Erdungsverfahren durchgeführt: Erdung des neutralen Punkts mit niedrigem Widerstand, Erdung des neutralen Punkts mit hohem Widerstand und Erdung des neutralen Punkts mit Bögenlöscher. Bei der Einstellung der Erdungsverfahren wurde für die Erdung des neutralen Punkts mit niedrigem Widerstand ein Widerstand mit geringem Widerstandswert ausgewählt, speziell auf 0,5 Ω eingestellt, um die Wirkung der Erdung mit niedrigem Widerstand zu simulieren; für die Erdung des neutralen Punkts mit hohem Widerstand wurde ein Widerstand mit größerem Widerstandswert ausgewählt, auf 10 Ω eingestellt, um die Eigenschaften der Erdung mit hohem Widerstand zu simulieren.

Während des Experiments wurden die Erdstrompegel des Transformers bei Einphasen-Erdschlüssen simuliert. Die spezifische Lage des Fehlers wurde in der Mitte einer Phasenleitung auf der Niederspannungsseite des Transformers festgelegt, wobei der Fehlerwiderstand auf 100 Ω eingestellt wurde, um den Erdwiderstand während eines Erdfalls zu simulieren. Im Verlauf der Fehlersimulation wurde ein Datenerfassungssystem mit hoher Abtastrate verwendet, um Erdstromdaten aufzuzeichnen, wobei die Abtastfrequenz auf 1000 Mal pro Sekunde eingestellt wurde, um feine Änderungen im Erdstrom zu erfassen.

Neben der Erfassung des Erdstromwerts zum Zeitpunkt des Fehlers wurden mehrere Zeitpunkte festgelegt, einschließlich 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 5 s und 10 s nach dem Auftreten des Fehlers, um die Änderungen des Erdstroms zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu beobachten. Um die Zufälligkeit der Versuchsergebnisse zu vermeiden, wurden die Erdstromdaten 10-mal aufgezeichnet, wobei der Durchschnittswert als endgültiges Versuchsergebnis verwendet wurde. Abbildung 2 bietet einen Vergleich der Erdungsschutzwirkung des Transformers unter verschiedenen Erdungsverfahren.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, verglich die Simulationsanalyse die Erdstromcharakteristiken von Transformern bei Einphasenfehlern für die Erdung des neutralen Punkts mit niedrigem Widerstand, hohem Widerstand und Bögenlöscher. Die Ergebnisse zeigen, dass der Erdstrom bei der Erdung des neutralen Punkts mit niedrigem Widerstand bei einem Einphasen-Erdschluss signifikant höher ist als bei der Erdung des neutralen Punkts mit hohem Widerstand und der Erdung des neutralen Punkts mit Bögenlöscher. 

Unter der entwickelten Erdungsschutztechnologie betrug der durchschnittliche Erdstrom des Transformers 70,11 A, was eine Steigerung um 43,44 A und 21,62 A im Vergleich zu den Kontrollgruppentechnologien bedeutet. Dies hilft, die Bogenintensität am Fehlerpunkt zu reduzieren und die Selbstreinigungsfähigkeit des Fehlers zu beschleunigen. Daher ist die entwickelte Erdungsschutztechnologie praktikabel und zuverlässig und eignet sich für die praktische Anwendung bei Einphasen-Erdschlüssen von Transformern, um die Betriebssicherheit von Transformern auf Baustellen effektiv zu schützen.

4. Schlussfolgerung

Die Erdungsschutztechnologie für Transformern auf Baustellen schlägt ein Nullfolge-Überstromschutzkonzept auf der Grundlage der Erdung des neutralen Punkts mit niedrigem Widerstand vor. Durch vergleichende Experimente wurde die Überlegenheit der entwickelten Erdungsschutztechnologie im Hauptschutz für Einphasenfehler von Transformern bestätigt. Obwohl einige Forschungsergebnisse erzielt wurden, gibt es noch bestimmte Einschränkungen. Zum Beispiel könnten die experimentellen Bedingungen und Datenproben nicht ausreichend umfassend sein, sodass eine weitere Validierung der Allgemeingültigkeit der Schlussfolgerungen erforderlich ist.

Zukünftige Forschungen könnten sich auf folgende Bereiche konzentrieren: erstens, die Ausweitung des Versuchsumfangs und die Erhöhung der Datenproben, um die Genauigkeit und Allgemeingültigkeit der Schlussfolgerungen zu verbessern; zweitens, tiefgehende Studien zu anderen Schutzkonzepten und -technologien, um effizientere und zuverlässigere Erdungsschutzmethoden für Transformern zu erforschen; schließlich, die Entwicklung von Schutzgeräten und -systemen mit höherer Leistung in Kombination mit praktischen Ingenieurprojekten.