Анализ технологии защиты заземления трансформаторов на строительных площадках

В настоящее время Китай достиг определенных успехов в этой области. В соответствующей литературе разработаны типовые схемы защиты от заземляющих повреждений в низковольтных распределительных системах атомных электростанций. На основе анализа отечественных и зарубежных случаев, когда заземляющие повреждения в низковольтных распределительных системах атомных электростанций вызывали ложные срабатывания нулевой последовательности трансформаторов, были выявлены основные причины. Кроме того, предложены рекомендации по улучшению мер защиты от заземляющих повреждений в вспомогательных энергосистемах атомных электростанций на основе этих типовых схем.

В соответствующей литературе изучены закономерности изменения дифференциального и ограничивающего тока, и путем расчета отношения между дифференциальным и ограничивающим током проведена количественная оценка адаптивности защиты трансформатора от дифференциального соотношения при таких условиях повреждения.

Однако указанные методы все еще сталкиваются с множеством проблем, требующих срочного решения. Например, чрезмерное сопротивление заземления, неправильный выбор метода заземления и недостаточные меры защиты от грозовых перенапряжений — все эти проблемы могут привести к отказам трансформаторов и даже к авариям. Поэтому необходимо проводить более глубокие исследования и анализ технологий заземления трансформаторов на строительных площадках, интегрируя последние научные достижения и технические разработки.

Благодаря этому исследованию можно не только повысить теоретический уровень технологии защиты трансформаторов от заземления, но и предоставить практические и осуществимые решения и меры для реальных строительных проектов. Надеется, что это исследование привлечет больше внимания и акцента ученых на технологии защиты трансформаторов от заземления на строительных площадках, совместно способствуя развитию этой области.

1 Определение методов заземления трансформаторов

Традиционный метод прямого заземления нейтральной точки трансформатора может вызвать чрезмерные короткозамкнутые токи при определенных условиях, что потенциально может привести к повреждению оборудования. Поэтому предлагается метод заземления нейтральной точки с низким сопротивлением. Заземление нейтральной точки с низким сопротивлением является эффективным методом заземления трансформатора, который обеспечивает эффективный контроль тока заземления трансформатора путем подключения низкого сопротивления между нейтральной точкой трансформатора и землей. Этот метод заземления не только регулирует величину тока заземления и снижает влияние молнии и перенапряжений на трансформаторы, тем самым улучшая стабильность работы, но также ограничивает короткозамкнутые токи и снижает риск повреждения оборудования.

Конкретно, при реализации заземления нейтральной точки с низким сопротивлением для трансформаторов на строительных площадках, первым шагом является определение подходящего значения сопротивления заземления. Согласно закону Ома, значение сопротивления заземления обратно пропорционально току заземления и напряжению заземления. Поэтому, при выборе значения сопротивления заземления для метода заземления нейтральной точки с низким сопротивлением, сначала должно быть определено значение сопротивления, формула расчета которого следующая:

В формуле R₀ представляет собой значение сопротивления заземляющего резистора; U₀ представляет собой среднее номинальное напряжение электрической системы на строительной площадке; I₀ представляет собой ток, протекающий через резистор нейтральной точки. Согласно расчету по формуле (1), должно быть выбрано подходящее значение сопротивления заземления, которое сможет эффективно ограничивать короткозамкнутый ток, избегая чрезмерного воздействия на трансформатор.

Следующим этапом является определение параметров, таких как сечение и материал заземляющего провода. Материал заземляющего провода должен обладать отличной проводимостью и коррозионной стойкостью, чтобы обеспечить его долговечность и надежность. В этом исследовании всесторонне учитываются фактические условия заземления трансформаторов на строительных площадках, и выбирается медная проволока с покрытием оловом в качестве заземляющего проводника — материал с хорошей проводимостью, удобный для прокладки и с высокими антикоррозийными свойствами, полностью отвечающий требованиям метода заземления нейтральной точки с низким сопротивлением.

Сечение заземляющего провода напрямую влияет на его значение сопротивления, что, в свою очередь, влияет на ток заземления. Поэтому, исходя из следующей формулы, выбирается подходящее сечение заземляющего провода:

В формуле S представляет собой сечение заземляющего провода в методе заземления нейтральной точки с низким сопротивлением; η представляет собой коэффициент соотношения между сопротивлением заземления нейтральной точки и сопротивлением заземления трансформатора; T представляет собой допустимое тепловое повышение заземляющего провода. Наконец, необходимо определить глубину закладки заземляющего электрода. Для обеспечения стабильной работы заземляющего электрода в суровых условиях его глубина должна превышать толщину мерзлого слоя на строительной площадке, что в целом гарантирует надежность и безопасность заземляющей системы.

В заключение, при реализации заземления трансформаторов на строительных площадках используется метод заземления нейтральной точки с низким сопротивлением, с рациональными настройками параметров заземления, включая значение сопротивления, сечение заземляющего провода, выбор материала и глубину закладки заземляющего электрода, что создает прочную основу для стабильной работы трансформаторов во время строительства.

2 Разработка схемы защиты от заземления трансформаторов

Согласно вышеуказанному содержанию, на строительных площадках для технологии защиты заземления трансформаторов используется метод заземления нейтральной точки с малым сопротивлением. Этот метод заземления в основном эффективно контролирует ток заземления трансформатора через малое сопротивление. В процессе работы трансформатора могут возникать различные неисправности, наиболее распространенной из которых является однофазное замыкание на землю. Однофазное замыкание на землю означает короткое замыкание между одной фазной обмоткой трансформатора и землей, в то время как две другие фазы продолжают функционировать нормально. Эта неисправность вызывает изменение потенциала нейтральной точки трансформатора, что приводит к дисбалансу трехфазных токов. Используя эту характеристику, предлагается схема защиты, основанная на дисбалансе трехфазных токов в трансформаторах:

Первым является защита нулевой последовательности секции I, формула расчета которой следующая:

В формуле I₁ представляет собой значение рабочего тока защиты нулевой последовательности трансформаторов на строительных площадках; γ₁ представляет собой коэффициент надежности; γ₂ представляет собой коэффициент нулевой последовательности; I₂ представляет собой значение рабочего тока защиты нулевой последовательности смежных компонентов трансформаторов на строительных площадках. После расчета значения тока для защиты нулевой последовательности секции I по формуле (3), время срабатывания защиты секции I обычно устанавливается примерно на 0,5 секунды больше, чем время срабатывания следующего уровня защиты нулевой последовательности.

Далее следует защита нулевой последовательности секции II. Формула расчета значения тока защиты такая же, как и для защиты нулевой последовательности секции I, то есть значение тока защиты также определяется по формуле (3), но время срабатывания отличается, требуя увеличения примерно на 0,3 секунды по сравнению со временем срабатывания защиты нулевой последовательности секции I.

Наконец, существует защита напряжения нулевой последовательности. Учитывая, что при однофазных замыканиях на землю трансформаторов на строительных площадках нейтральная точка может потерять свою врожденную чувствительность, рабочее напряжение защиты напряжения нулевой последовательности должно быть ниже максимального напряжения нулевой последовательности, появляющегося в точке установки защиты при однофазных замыканиях на землю. Значение напряжения защиты напряжения нулевой последовательности в основном определяется по следующей формуле:

В формуле U₁ представляет собой рабочее напряжение защиты напряжения нулевой последовательности; U₂ представляет собой номинальное напряжение трех вторичных обмоток.

В заключение, чтобы сформировать полную схему защиты от дисбаланса трехфазных токов, требуется ряд сложных расчетов, включая формулы расчета для защиты нулевой последовательности секции I, секции II и защиты напряжения нулевой последовательности. Вывод и применение этих формул помогут более точно определить тип и степень однофазных замыканий на землю на строительных площадках. Эта схема защиты не только быстро локализует и изолирует замыкания на землю, но и снижает вероятность аварийных отключений, вызванных замыканиями на землю. Одновременно, в сочетании с методом заземления нейтральной точки с малым сопротивлением, формируется комплексная структура защиты заземления трансформаторов на строительных площадках, обеспечивая мощную защиту безопасной работы трансформаторов.

3 Экспериментальный анализ

Чтобы проверить эффективность вышеупомянутой технологии защиты заземления трансформаторов на строительных площадках, в этой главе будет использоваться программное обеспечение для моделирования энергосистем PowerFactory для проведения экспериментов по моделированию защиты заземления трансформаторов. Сначала в программе моделирования создается модель электрической системы здания, которая в основном включает трансформаторы, высоковольтные и низковольтные линии, нагрузки и другое оборудование. Таблица 1 приводит модель и параметры экспериментального трансформатора.

Специфическая структура трансформатора показана на рисунке 1.

Затем были проведены имитационные эксперименты по защите от заземления трансформаторов с использованием трех различных методов заземления: заземление нейтральной точки с малым сопротивлением, заземление нейтральной точки с большим сопротивлением и заземление нейтральной точки с дросселем. При установке методов заземления, для метода заземления нейтральной точки с малым сопротивлением был выбран резистор с малым значением сопротивления, а именно 0,5 Ом, чтобы смоделировать эффект заземления с малым сопротивлением; для метода заземления нейтральной точки с большим сопротивлением был выбран резистор с большим значением сопротивления, установленным на 10 Ом, чтобы смоделировать характеристики заземления с большим сопротивлением.

Во время эксперимента были смоделированы уровни токов заземления трансформатора при однофазных замыканиях на землю. Конкретное место неисправности было установлено в середине одной из фазных линий на стороне низкого напряжения трансформатора, сопротивление неисправности было установлено на 100 Ом, чтобы смоделировать сопротивление заземления при замыкании на землю. В процессе моделирования неисправности использовалась система сбора данных с высокой частотой дискретизации для записи данных о токах заземления, частота дискретизации была установлена на 1000 раз в секунду, чтобы обеспечить захват мельчайших изменений тока заземления.

Помимо записи значения тока заземления в момент возникновения неисправности, были установлены несколько временных точек, включая 0,1 с, 0,5 с, 1 с, 5 с и 10 с после возникновения неисправности, чтобы наблюдать изменения тока заземления в различные моменты времени. Чтобы избежать случайности в результатах эксперимента, данные о токах заземления записывались 10 раз, и среднее значение принималось как окончательный результат эксперимента. Рисунок 2 предоставляет сравнение эффектов защиты от заземления трансформатора при различных методах заземления.

Как показано на рисунке 2, имитационный анализ сравнивает характеристики токов заземления трансформаторов при однофазных неисправностях для методов заземления нейтральной точки с малым сопротивлением, большим сопротивлением и дросселем. Результаты показывают, что при однофазном замыкании на землю трансформатора, ток заземления при методе заземления нейтральной точки с малым сопротивлением значительно выше, чем при методах заземления нейтральной точки с большим сопротивлением и дросселем.

При разработанной технологии защиты от заземления, средний ток заземления трансформатора составил 70,11 А, что на 43,44 А и 21,62 А больше, соответственно, по сравнению с контрольными технологиями. Это помогает уменьшить интенсивность дуги в месте неисправности и ускоряет способность к самоочищению неисправности. Таким образом, разработанная технология защиты от заземления является осуществимой и надежной, подходящей для практического применения при однофазных замыканиях на землю трансформаторов, эффективно защищая безопасность эксплуатации трансформаторов на строительных площадках.

4. Заключение

Технология защиты от заземления трансформаторов на строительных площадках предлагает схему защиты от перегрузки нулевой последовательности на основе метода заземления нейтральной точки с малым сопротивлением. С помощью сравнительных экспериментов было подтверждено превосходство разработанной технологии защиты от заземления в основном защите при однофазных неисправностях трансформаторов. Хотя некоторые достижения в исследовании уже достигнуты, существуют определенные ограничения. Например, условия эксперимента и образцы данных могут быть недостаточно полными, требуя дальнейшего подтверждения универсальности выводов.

Будущие исследования могут сосредоточиться на следующих областях: во-первых, расширение масштаба экспериментов и увеличение образцов данных для повышения точности и универсальности выводов; во-вторых, углубленное изучение других схем и технологий защиты, чтобы исследовать более эффективные и надежные методы защиты от заземления трансформаторов; наконец, разработка устройств и систем защиты с более высокими характеристиками в сочетании с практическими инженерными приложениями.