Analisi della tecnologia di protezione a terra dei trasformatori nei cantieri

Attualmente, la Cina ha raggiunto determinati risultati in questo campo. La letteratura pertinente ha progettato schemi di configurazione tipici per la protezione dei guasti di messa a terra nei sistemi di distribuzione a bassa tensione delle centrali nucleari. Basandosi sull'analisi di casi domestici e internazionali in cui i guasti di messa a terra nei sistemi di distribuzione a bassa tensione delle centrali nucleari hanno causato il malfunzionamento della protezione a sequenza zero dei trasformatori, sono state identificate le cause sottostanti. Inoltre, sono state proposte suggerimenti di miglioramento per le misure di protezione dei guasti di messa a terra nei sistemi di alimentazione ausiliari delle centrali nucleari basati su questi schemi di configurazione tipici.

La letteratura pertinente ha studiato i modelli di variazione della corrente differenziale e della corrente di restrizione, e attraverso il calcolo del rapporto tra la corrente differenziale e la corrente di restrizione, è stata condotta un'analisi quantitativa sull'adattabilità della protezione differenziale del rapporto del trasformatore principale in tali condizioni di guasto.

Tuttavia, i metodi menzionati sopra affrontano ancora numerosi problemi che necessitano una soluzione urgente. Ad esempio, resistenza di messa a terra eccessiva, scelta impropria dei metodi di messa a terra e misure di protezione contro i fulmini inadeguate—questi problemi possono tutti portare a guasti dei trasformatori e persino a incidenti di sicurezza. Pertanto, è necessario condurre ricerche e analisi più approfondite sulle tecnologie di protezione di messa a terra dei trasformatori nei cantieri, incorporando i risultati di ricerca più recenti e gli sviluppi tecnologici.

Attraverso questa ricerca, non solo può essere migliorato il livello teorico della tecnologia di protezione di messa a terra dei trasformatori, ma possono anche essere fornite soluzioni e misure pratiche e fattibili per i progetti di costruzione reali. Si spera che questa ricerca possa attirare maggiore attenzione e enfasi da parte degli studiosi sulle tecnologie di protezione di messa a terra dei trasformatori nei cantieri, promuovendo collettivamente lo sviluppo di questo campo.

1 Determinazione dei metodi di messa a terra dei trasformatori

Il metodo tradizionale di messa a terra diretta del punto neutro del trasformatore può causare correnti di cortocircuito eccessive in determinate condizioni, potenzialmente danneggiando l'equipaggiamento. Pertanto, viene proposto un metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro. La messa a terra a bassa resistenza del punto neutro è un approccio efficace alla messa a terra dei trasformatori che realizza un controllo efficace della corrente di messa a terra del trasformatore collegando una resistenza bassa tra il punto neutro del trasformatore e la terra. Questo metodo di messa a terra non solo può regolare l'entità della corrente di messa a terra e ridurre l'impatto dei fulmini e delle sovratensioni sui trasformatori, migliorando così la stabilità operativa, ma può anche limitare le correnti di cortocircuito e ridurre il rischio di danni all'equipaggiamento.

Specificamente, quando si implementa la messa a terra a bassa resistenza del punto neutro per i trasformatori nei cantieri, il primo passo è determinare il valore appropriato della resistenza di messa a terra. Secondo la legge di Ohm, il valore della resistenza di messa a terra è inversamente proporzionale alla corrente di messa a terra e al voltaggio di messa a terra. Pertanto, quando si sceglie il valore della resistenza di messa a terra per il metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro, deve prima essere determinato il valore della resistenza, con la formula di calcolo come segue:

Nella formula, R₀ rappresenta il valore della resistenza del resistore di messa a terra; U₀ rappresenta la tensione nominale media del sistema elettrico nel cantiere; I₀ rappresenta la corrente che scorre attraverso il resistore del punto neutro. Secondo il calcolo nella formula (1), dovrebbe essere selezionato un valore appropriato della resistenza di messa a terra che possa limitare efficacemente la corrente di cortocircuito mentre evita un impatto eccessivo sul trasformatore.

Successivamente, è necessaria la determinazione di parametri come la sezione e il materiale del filo di messa a terra. Il materiale del filo di messa a terra deve possedere anche eccellenti proprietà di conduttività e resistenza alla corrosione per garantire la sua durata e affidabilità. Questo studio considera complessivamente le condizioni effettive della messa a terra dei trasformatori nei cantieri e seleziona il filo di rame verniciato come conduttore di messa a terra—un materiale con buona conduttività, facile cablaggio e forti capacità anticorrosione, che soddisfa pienamente i requisiti del metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro.

La sezione del filo di messa a terra influenza direttamente il suo valore di resistenza, che a sua volta influenza la corrente di messa a terra. Pertanto, la sezione appropriata del filo di messa a terra viene selezionata sulla base della seguente formula:

Nella formula, S rappresenta la sezione del filo di messa a terra nel metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro; η rappresenta il coefficiente di rapporto tra la resistenza di messa a terra del punto neutro e la resistenza di messa a terra del trasformatore; T rappresenta l'aumento di temperatura consentito del filo di messa a terra. Infine, deve essere determinata la profondità di sepoltura dell'elettrodo di messa a terra. Per garantire l'operatività stabile dell'elettrodo di messa a terra in ambienti difficili, la sua profondità di sepoltura dovrebbe superare lo spessore del suolo ghiacciato nel cantiere, garantendo così in modo complessivo l'affidabilità e la sicurezza del sistema di messa a terra.

In sintesi, quando si implementa la messa a terra dei trasformatori nei cantieri, viene adottato un metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro, con impostazioni ragionevoli per i parametri di messa a terra, inclusi il valore della resistenza, la sezione del filo di messa a terra, la scelta del materiale e la profondità di sepoltura dell'elettrodo di messa a terra, fornendo una solida base per l'operatività stabile del trasformatore durante la costruzione.

2 Progettazione dello schema di protezione di messa a terra del trasformatore

Secondo il contenuto sopra menzionato, nei siti di costruzione viene adottato il metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro per la protezione di messa a terra dei trasformatori. Questo metodo di messa a terra controlla principalmente la corrente di messa a terra del trasformatore in modo efficace attraverso una resistenza bassa. Durante l'operazione del trasformatore possono verificarsi vari guasti, tra cui il più comune è il guasto di messa a terra monofase. Un guasto di messa a terra monofase si riferisce a un cortocircuito tra una bobina di fase del trasformatore e il terreno, mentre le altre due fasi continuano a funzionare normalmente. Questo guasto causa cambiamenti nel potenziale del punto neutro del trasformatore, portando a un squilibrio nelle correnti trifase. Utilizzando questa caratteristica, viene proposto uno schema di protezione basato sull' squilibrio delle correnti trifase nei trasformatori:

Il primo è la protezione sezione I zero-sequence, con la sua formula di calcolo come segue:

Nella formula, I₁ rappresenta il valore di corrente operativa della protezione zero-sequence per i trasformatori nei cantieri; γ₁ rappresenta il coefficiente di affidabilità; γ₂ rappresenta il coefficiente di ramo zero-sequence; I₂ rappresenta il valore di corrente operativa della protezione zero-sequence dei componenti adiacenti ai trasformatori nei cantieri. Dopo aver calcolato il valore di corrente per la protezione sezione I zero-sequence secondo la formula (3), il tempo di azione per la protezione sezione I è generalmente impostato per essere circa 0,5 secondi più lungo rispetto al tempo di azione della protezione zero-sequence del livello successivo.

Successivamente c'è la protezione sezione II zero-sequence. La formula di calcolo per il suo valore di corrente di protezione è la stessa di quella per la protezione sezione I zero-sequence, il che significa che la corrente di protezione è ottenuta anch'essa secondo la formula (3), ma il tempo di azione è diverso, richiedendo un aumento di circa 0,3 secondi rispetto al tempo di azione della protezione sezione I zero-sequence.

Infine, c'è la protezione di tensione zero-sequence. Considerando in modo complessivo che durante i guasti di messa a terra monofase dei trasformatori sui cantieri, il punto neutro potrebbe perdere la sua sensibilità intrinseca, la tensione operativa della protezione di tensione zero-sequence deve essere inferiore alla massima tensione zero-sequence che appare nel punto di installazione della protezione durante i guasti di messa a terra monofase. Il valore di tensione per la protezione di tensione zero-sequence è determinato principalmente secondo la seguente formula:

Nella formula, U₁ rappresenta la tensione operativa della protezione di tensione zero-sequence; U₂ rappresenta la tensione nominale delle tre avvolgimenti secondari.

In sintesi, per formare uno schema di protezione completo dello squilibrio delle correnti trifase, sono richiesti una serie di calcoli complessi, inclusi le formule di calcolo per la protezione sezione I zero-sequence, la protezione sezione II zero-sequence e la protezione di tensione zero-sequence. La derivazione e l'applicazione di queste formule aiuteranno a determinare in modo più accurato il tipo e la gravità dei guasti di messa a terra monofase nei cantieri. Questo schema di protezione non solo può localizzare e isolare rapidamente i guasti di messa a terra, ma anche ridurre la probabilità di incidenti di interruzione dell'energia elettrica causati dai guasti di messa a terra. Inoltre, combinato con il metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro, si forma una struttura di protezione di messa a terra completa per i trasformatori nei cantieri, fornendo una forte protezione per l'operazione sicura dei trasformatori.

3 Analisi sperimentale

Per verificare l'efficacia della tecnologia di protezione di messa a terra dei trasformatori nei cantieri di costruzione menzionata sopra, questo capitolo utilizzerà il software di simulazione di sistemi elettrici PowerFactory per condurre esperimenti di simulazione di protezione di messa a terra dei trasformatori. Innanzitutto, viene stabilito un modello di sistema elettrico edilizio nel software di simulazione, che comprende principalmente trasformatori, linee ad alta e bassa tensione, carichi e altre attrezzature. La tabella 1 presenta il modello e le specifiche dei parametri del trasformatore sperimentale.

La struttura specifica del trasformatore è mostrata nella Figura 1.

Successivamente, sono stati condotti esperimenti di simulazione della protezione a terra del trasformatore utilizzando tre diversi metodi di messa a terra: messa a terra a bassa resistenza del punto neutro, messa a terra ad alta resistenza del punto neutro e messa a terra del punto neutro con bobina di soppressione dell'arco. Nella configurazione dei metodi di messa a terra, per il metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro, è stato selezionato un resistore con un valore di resistenza piccolo, specificamente impostato su 0,5 Ω, per simulare l'effetto della messa a terra a bassa resistenza; per il metodo di messa a terra ad alta resistenza del punto neutro, è stato selezionato un resistore con un valore di resistenza maggiore, impostato su 10 Ω, per simulare le caratteristiche della messa a terra ad alta resistenza.

Durante l'esperimento, sono state simulate le correnti di terra del trasformatore in caso di guasti a terra monofase. La posizione specifica del guasto è stata impostata al punto mediano di una linea di fase sul lato a bassa tensione del trasformatore, con la resistenza del guasto impostata su 100 Ω per simulare la resistenza di terra durante un guasto a terra. Nel processo di simulazione del guasto, è stato utilizzato un sistema di acquisizione dati ad alta frequenza di campionamento per registrare i dati della corrente di terra, con la frequenza di campionamento impostata su 1000 volte al secondo per assicurare la cattura di cambiamenti sottili nella corrente di terra.

Oltre a registrare il valore della corrente di terra al momento dell'insorgenza del guasto, sono stati impostati diversi punti temporali, compresi 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 5 s e 10 s dopo l'insorgenza del guasto, per osservare i cambiamenti nella corrente di terra in diversi punti temporali. Per evitare la casualità nei risultati sperimentali, i dati della corrente di terra sono stati registrati 10 volte, prendendo il valore medio come risultato sperimentale finale. La Figura 2 fornisce un confronto degli effetti della protezione a terra del trasformatore con diversi metodi di messa a terra.

Come mostrato nella Figura 2, l'analisi di simulazione ha confrontato le caratteristiche della corrente di terra dei trasformatori in caso di guasti monofase per i metodi di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro, ad alta resistenza del punto neutro e con bobina di soppressione dell'arco. I risultati indicano che, durante un guasto a terra monofase nei trasformatori, la corrente di terra nel metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro è significativamente superiore rispetto ai metodi di messa a terra ad alta resistenza del punto neutro e con bobina di soppressione dell'arco.

Con la tecnologia di protezione a terra progettata, la corrente media di terra del trasformatore è stata di 70,11 A, con un aumento di 43,44 A e 21,62 A rispettivamente rispetto alle tecnologie del gruppo di controllo. Questo aiuta a ridurre l'intensità dell'arco al punto del guasto e accelera la capacità di auto-estinzione del guasto. Pertanto, la tecnologia di protezione a terra progettata è fattibile e affidabile, adatta all'applicazione pratica in caso di guasti a terra monofase dei trasformatori, proteggendo efficacemente la sicurezza operativa dei trasformatori nei cantieri.

4.Conclusione

La tecnologia di protezione a terra per i trasformatori nei cantieri propone uno schema di protezione contro sovra-correnti zero-sequence basato sul metodo di messa a terra a bassa resistenza del punto neutro. Attraverso esperimenti comparativi, è stata verificata la superiorità della tecnologia di protezione a terra progettata nella protezione principale per i guasti monofase dei trasformatori. Sebbene siano stati raggiunti alcuni risultati di ricerca, ci sono ancora alcune limitazioni. Ad esempio, le condizioni sperimentali e i campioni di dati potrebbero non essere abbastanza completi, richiedendo ulteriori conferme sull'universalità delle conclusioni.

Le future ricerche potrebbero concentrarsi sulle seguenti aree: in primo luogo, espandere l'ambito degli esperimenti e aumentare i campioni di dati per migliorare l'accuratezza e l'universalità delle conclusioni; in secondo luogo, condurre studi approfonditi su altri schemi e tecnologie di protezione per esplorare metodi di protezione a terra più efficienti e affidabili per i trasformatori; infine, sviluppare dispositivi e sistemi di protezione ad alte prestazioni in combinazione con applicazioni ingegneristiche pratiche.