Analiza technologii ochrony przeciwdziałającej doziemienia transformatorów na terenach budowlanych

Obecnie Chiny osiągnęły pewne sukcesy w tym zakresie. Istniejące publikacje zaprojektowały typowe konfiguracje ochrony przed uszkodzeniami uziemienia w niskonapięciowych systemach dystrybucji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych. Na podstawie analizy krajowych i międzynarodowych przypadków, w których uszkodzenia uziemienia w niskonapięciowych systemach dystrybucji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych spowodowały nieprawidłowe działanie ochrony zerowej sekwencji transformatora, zidentyfikowano podstawowe przyczyny. Ponadto na podstawie tych typowych konfiguracji zaproponowano propozycje ulepszeń dla środków ochrony przed uszkodzeniami uziemienia w systemach pomocniczych zasilania elektrowni jądrowych.

Istniejące publikacje przeanalizowały wzorce zmian prądu różnicowego i prądu hamującego, a poprzez obliczenie stosunku między prądem różnicowym a prądem hamującym, przeprowadzono ilościową analizę adaptacyjności ochrony różnicowej transformatora w takich warunkach uszkodzenia.

Jednakże wspomniane metody nadal napotykają wiele problemów, które wymagają pilnego rozwiązania. Na przykład, zbyt wysokie opory uziemienia, nieodpowiedni wybór metod uziemienia oraz niewystarczające środki ochrony przed piorunami mogą prowadzić do awarii transformatorów i nawet do wywoływania wypadków bezpieczeństwa. Dlatego też konieczne jest przeprowadzenie bardziej szczegółowych badań i analiz technologii ochrony uziemienia transformatorów na placach budowy, uwzględniając najnowsze wyniki badań i rozwój technologiczny.

Danki do tego badania można nie tylko podnieść teoretyczny poziom technologii ochrony uziemienia transformatorów, ale także dostarczyć praktyczne i wykonalne rozwiązania oraz środki dla rzeczywistych projektów budowlanych. Mamy nadzieję, że to badanie przyciągnie większą uwagę i nacisk ze strony naukowców na technologie ochrony uziemienia transformatorów na placach budowy, wspólne promując rozwój tego obszaru.

1 Określenie metod uziemienia transformatorów

Tradycyjna metoda bezpośredniego uziemienia punktu neutralnego transformatora może powodować zbyt duże prądy zwarciowe w określonych warunkach, co może prowadzić do uszkodzenia sprzętu. Dlatego proponuje się metodę uziemienia punktu neutralnego z niskim oporem. Uziemienie punktu neutralnego z niskim oporem to skuteczna metoda uziemienia transformatora, która umożliwia efektywną kontrolę prądu uziemienia transformatora poprzez połączenie niskiego oporu między punktem neutralnym transformatora a ziemią. Ta metoda uziemienia nie tylko reguluje wielkość prądu uziemienia i redukuje wpływ piorunów i przepięć na transformatory, zwiększając stabilność działania, ale również ogranicza prądy zwarciowe i zmniejsza ryzyko uszkodzenia sprzętu.

Konkretnie, przy implementacji uziemienia punktu neutralnego z niskim oporem dla transformatorów na placach budowy, pierwszym krokiem jest określenie odpowiedniej wartości oporu uziemienia. Zgodnie z prawem Ohma, wartość oporu uziemienia jest odwrotnie proporcjonalna do prądu uziemienia i napięcia uziemienia. Dlatego, wybierając wartość oporu uziemienia dla metody uziemienia punktu neutralnego z niskim oporem, należy najpierw określić wartość oporu, a wzór obliczeniowy ma postać:

W formule R₀ reprezentuje wartość oporu rezystora uziemienia; U₀ reprezentuje średni nominalny napięcie systemu elektrycznego na placu budowy; I₀ reprezentuje prąd płynący przez rezystor punktu neutralnego. Na podstawie obliczeń według wzoru (1) należy wybrać odpowiednią wartość oporu uziemienia, która będzie efektywnie ograniczała prąd zwarciowy, unikając jednocześnie zbyt dużego wpływu na transformator.

Następnie następuje określenie parametrów takich jak przekrój i materiał przewodu uziemienia. Materiał przewodu uziemienia musi również posiadać doskonałą przewodność elektryczną i odporność na korozję, aby zapewnić jego żywotność i niezawodność. To badanie kompleksowo rozważa rzeczywiste warunki uziemienia transformatorów na placach budowy i wybiera miedź pokrytą cyną jako przewód uziemienia - materiał o dobrych właściwościach przewodności, łatwy do montażu i silnie odporny na korozję, który w pełni spełnia wymagania metody uziemienia punktu neutralnego z niskim oporem.

Przekrój przewodu uziemienia bezpośrednio wpływa na jego wartość oporu, co dalej wpływa na prąd uziemienia. Dlatego odpowiedni przekrój przewodu uziemienia jest wybierany na podstawie następującego wzoru:

W formule S reprezentuje przekrój przewodu uziemienia w metodzie uziemienia punktu neutralnego z niskim oporem; η reprezentuje współczynnik proporcji między oporem uziemienia punktu neutralnego a oporem uziemienia transformatora; T reprezentuje dopuszczalną temperaturę wzrostu przewodu uziemienia. W końcu należy określić głębokość zakopania elektrodu uziemienia. Aby zapewnić stabilne działanie elektrodu uziemienia w trudnych warunkach, jego głębokość zakopania powinna przekraczać grubość warstwy gruntu zamarzniętego na placu budowy, co w pełni gwarantuje niezawodność i bezpieczeństwo systemu uziemienia.

Podsumowując, przy implementacji uziemienia transformatorów na placach budowy, stosuje się metodę uziemienia punktu neutralnego z niskim oporem, z rozsądnymi ustawieniami parametrów uziemienia, w tym wartością oporu, przekrojem przewodu uziemienia, wyborem materiału i głębokością zakopania elektrodu uziemienia, co stanowi solidne podstawy dla stabilnego działania transformatorów podczas realizacji budowy.

2 Projektowanie schematu ochrony uziemienia transformatora

Zgodnie z powyższą treścią, w technologii ochrony przeciwpodłogowej transformatorów na placach budowy stosuje się metodę niskiego oporu doziemnego. Ta metoda przede wszystkim skutecznie kontroluje prąd przeciwpodłogowy transformatora poprzez mały opór. W trakcie działania transformatora mogą wystąpić różne awarie, najpowszechniejszą z nich jest awaria przeciwpodłogowa jednofazowa. Awaria przeciwpodłogowa jednofazowa oznacza zwarcie między jedną z faz cewki transformatora a ziemią, podczas gdy pozostałe dwie fazy działają normalnie. Ta awaria powoduje zmiany potencjału punktu neutralnego transformatora, prowadząc do nierównowagi prądów trójfazowych. Wykorzystując tę cechę, proponuje się schemat ochrony oparty na nierównowadze prądów trójfazowych w transformatorach:

Pierwszym jest ochrona sekcji I zero-sekwencyjnej, której wzór obliczeniowy ustawień wygląda następująco:

W formule, I₁ reprezentuje wartość prądu operacyjnego ochrony zero-sekwencyjnej transformatorów na placach budowy; γ₁ reprezentuje współczynnik niezawodności; γ₂ reprezentuje współczynnik gałęzi zero-sekwencyjnej; I₂ reprezentuje wartość prądu operacyjnego ochrony zero-sekwencyjnej sąsiednich elementów transformatorów na placach budowy. Po obliczeniu wartości prądu dla ochrony sekcji I zero-sekwencyjnej według wzoru (3), czas działania ochrony sekcji I jest zwykle ustawiany na około 0,5 sekundy dłuższy niż czas działania kolejnej ochrony zero-sekwencyjnej.

Następna jest ochrona sekcji II zero-sekwencyjnej. Wzór obliczeniowy jej wartości prądu ochrony jest taki sam jak dla ochrony sekcji I zero-sekwencyjnej, co oznacza, że prąd ochrony również jest uzyskiwany według wzoru (3), ale czas działania różni się, wymagając zwiększenia o około 0,3 sekundy w porównaniu z czasem działania ochrony sekcji I zero-sekwencyjnej.

Ostatecznie istnieje ochrona napięcia zero-sekwencyjnego. Biorąc pod uwagę, że podczas awarii przeciwpodłogowych jednofazowych transformatorów na placach budowy punkt neutralny może utracić swoją pierwotną czułość, napięcie operacyjne ochrony napięcia zero-sekwencyjnego musi być poniżej maksymalnego napięcia zero-sekwencyjnego pojawiającego się w punkcie montażu ochrony podczas awarii przeciwpodłogowych jednofazowych. Wartość napięcia ochrony napięcia zero-sekwencyjnego jest głównie określana według następującego wzoru:

W formule, U₁ reprezentuje napięcie operacyjne ochrony napięcia zero-sekwencyjnego; U₂ reprezentuje napięcie nominalne trzech wtórnych cewek.

Podsumowując, aby sformować kompleksowy schemat ochrony nierównowagi prądów trójfazowych, wymagane jest wykonanie szeregu złożonych obliczeń, w tym wzory obliczeniowe dla ochrony sekcji I i II zero-sekwencyjnej oraz ochrony napięcia zero-sekwencyjnego. Wyprowadzenie i zastosowanie tych wzorów pomoże dokładniej określić rodzaj i nasilenie awarii przeciwpodłogowych jednofazowych na placach budowy. Ten schemat ochrony może nie tylko szybko zlokalizować i izolować awarie przeciwpodłogowe, ale także zredukować prawdopodobieństwo incydentów przerwania dostaw energii spowodowanych awariami przeciwpodłogowymi. Ponadto, łącząc to z metodą niskiego oporu doziemnego, tworzy się kompleksową strukturę ochrony przeciwpodłogowej transformatorów na placach budowy, zapewniając silną ochronę bezpieczeństwa pracy transformatorów.

3 Analiza eksperymentalna

Aby zweryfikować skuteczność wspomnianej technologii ochrony przeciwpodłogowej transformatorów na placach budowy, ten rozdział wykorzysta symulacyjne oprogramowanie systemu energetycznego PowerFactory do przeprowadzenia eksperymentów symulacyjnych ochrony przeciwpodłogowej transformatorów. Najpierw w oprogramowaniu symulacyjnym zostaje zbudowany model systemu elektrycznego budynku, który主要包括了变压器、高低压线路、负载等设备。实验用变压器的型号及参数规格见表1。 这段文本的最后一部分是中文，需要翻译成波兰语：

Składa się on głównie z transformatorów, linii wysokiego i niskiego napięcia, obciążeń i innych urządzeń. Tabela 1 przedstawia model i specyfikacje parametrów eksperymentalnego transformatora.

Specyficzna struktura transformatora przedstawiona jest na rysunku 1.

Następnie przeprowadzono symulacyjne eksperymenty z ochroną od ziemienia transformatora, wykorzystując trzy różne metody ziemienia: niskoodporowe ziemienie punktu neutralnego, wysokoodporowe ziemienie punktu neutralnego oraz ziemienie punktu neutralnego z cewką kompensującą. Przy ustawianiu metod ziemienia, dla metody niskoodporowego ziemienia punktu neutralnego, wybrano opornik o małej wartości oporu, konkretnie ustawiono go na 0,5 Ω, aby symulować efekt niskoodporowego ziemienia; dla metody wysokoodporowego ziemienia punktu neutralnego, wybrano opornik o większej wartości oporu, ustawiony na 10 Ω, aby symulować charakterystykę wysokoodporowego ziemienia.

W trakcie eksperymentu symulowano poziom prądów ziemienia transformatora podczas awarii jednofazowych. Konkretna lokalizacja awarii została ustawiona w połowie jednej fazy linii napięcia niskiego, z oporem awarii ustawionym na 100 Ω, aby symulować opór ziemienia podczas awarii ziemienia. W procesie symulacji awarii użyto systemu pozyskiwania danych o wysokiej częstotliwości próbkowania, aby rejestrować dane dotyczące prądu ziemienia, przy czym częstotliwość próbkowania była ustawiona na 1000 razy na sekundę, aby zapewnić uchwycenie subtelnych zmian prądu ziemienia.

Oprócz rejestrowania wartości prądu ziemienia w momencie wystąpienia awarii, ustawiono wiele punktów czasowych, w tym 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 5 s i 10 s po wystąpieniu awarii, aby obserwować zmiany prądu ziemienia w różnych momentach czasowych. Aby uniknąć losowości wyników eksperymentalnych, dane dotyczące prądu ziemienia były rejestrowane 10 razy, a wartość średnia była brana jako ostateczny wynik eksperymentalny. Rysunek 2 przedstawia porównanie skuteczności ochrony ziemienia transformatora przy różnych metodach ziemienia.

Jak pokazuje rysunek 2, analiza symulacyjna porównała charakterystyki prądów ziemienia transformatora podczas awarii jednofazowych dla metod ziemienia niskoodporowego, wysokoodporowego i z cewką kompensującą. Wyniki wskazują, że podczas awarii jednofazowego ziemienia transformatora, prąd ziemienia przy metodzie niskoodporowego ziemienia punktu neutralnego jest znacznie wyższy niż przy metodzie wysokoodporowego ziemienia punktu neutralnego i ziemienia punktu neutralnego z cewką kompensującą.

W ramach zaprojektowanej technologii ochrony ziemienia, średni prąd ziemienia transformatora wyniósł 70,11 A, co stanowi wzrost o 43,44 A i 21,62 A odpowiednio w porównaniu do technologii grupy kontrolnej. To pomaga zmniejszyć intensywność łuku przy miejscu awarii i przyspiesza zdolność samoczyszczącą awarii. Stąd, zaprojektowana technologia ochrony ziemienia jest wykonalna i niezawodna, nadaje się do praktycznego zastosowania w przypadku awarii jednofazowego ziemienia transformatorów, skutecznie chroniąc bezpieczeństwo operacyjne transformatorów na placach budowy.

4. Wnioski

Technologia ochrony ziemienia transformatorów na placach budowy proponuje schemat ochrony przeciwko nadmiernemu prądowi zerowej sekwencji oparty na metodzie niskoodporowego ziemienia punktu neutralnego. Poprzez eksperymenty porównawcze zweryfikowano wyższość zaprojektowanej technologii ochrony ziemienia w kwestii głównej ochrony transformatorów podczas awarii jednofazowych. Mimo osiągnięcia pewnych rezultatów badawczych, istnieją pewne ograniczenia. Na przykład, warunki eksperymentalne i próbki danych mogą nie być wystarczająco kompleksowe, wymagając dalszego potwierdzenia powszechności wniosków.

Przyszłe badania mogłyby skupić się na następujących obszarach: po pierwsze, rozszerzenie zakresu eksperymentów i zwiększenie ilości próbek danych, aby poprawić dokładność i uniwersalność wniosków; po drugie, przeprowadzenie głębszych badań nad innymi schematami i technologiami ochrony, aby odkryć bardziej efektywne i niezawodne metody ochrony ziemienia transformatorów; w końcu, opracowanie urządzeń i systemów ochrony o wyższej wydajności w połączeniu z praktycznymi zastosowaniami inżynieryjnymi.