Seleção e otimização da configuração de proteção de métodos de aterramento do ponto neutro de transformadores de 110 kV

Introdução

Em sistemas de energia de alta tensão, o método de aterramento do ponto neutro do transformador é um fator crítico que influencia a segurança, a confiabilidade e a estabilidade do sistema. Para sistemas de energia de 110 kV, a escolha do método de aterramento do ponto neutro afeta diretamente os níveis de isolamento dos equipamentos, a proteção contra sobretensão, a configuração da proteção por relés e a confiabilidade do fornecimento de energia. Na China, os sistemas de 110 kV normalmente adotam um método de aterramento do ponto neutro. método de aterramento parcialmente eficaz, onde alguns pontos neutros do transformador são aterrados diretamente, enquanto outros permanecem sem aterramento, visando limitar as correntes de curto-circuito monofásicas e, ao mesmo tempo, prevenir ameaças de sobretensão.

Este artigo analisa as características, vantagens e limitações de diferentes métodos de aterramento do ponto neutro de transformadores de 110 kV, explora estratégias de configuração de proteção ideais e apresenta tendências de desenvolvimento futuro.

1. Principais métodos de aterramento do ponto neutro para transformadores de 110 kV

1.1 Aterramento direto

Aterramento diretoRefere-se à conexão direta do ponto neutro do transformador à terra. Este método fixa efetivamente o potencial do ponto neutro, garantindo que, durante uma falta à terra monofásica, a elevação da tensão na fase não afetada pela falta não exceda 1,4 vezes a tensão da fase. Isso ajuda a reduzir os requisitos de isolamento do equipamento e os custos.

No entanto, uma desvantagem significativa é a corrente de falta à terra monofásica muito alta(até vários milhares de amperes), o que pode afetar a capacidade de interrupção do disjuntor e a estabilidade do sistema. Portanto, o aterramento direto é geralmente usado em sistemas de 110 kV e tensões superiores, onde a rápida remoção de falhas é necessária.

1.2 Neutro não aterrado

Em um sistema sem aterramento, o ponto neutro do transformador é isolado da terra. Quando ocorre uma falta à terra monofásica, a corrente de falta é muito pequena (principalmente a corrente capacitiva do sistema), permitindo que o sistema continue operando por um curto período (normalmente até 2 horas). Isso aumenta significativamente a segurança. confiabilidade da fonte de alimentação.

No entanto, em sistemas sem aterramento, faltas à terra monofásicas podem fazer com que a tensão da fase não afetada suba até o nível da tensão da linha. Se o isolamento for frágil, isso pode levar à ruptura dielétrica, escalando para uma falta fase-fase. Além disso, o aterramento por arco intermitente pode gerar sobretensões de arco, atingindo 3 a 3,5 vezes a tensão de fase, representando uma ameaça ao isolamento do transformador.

1.3 Aterramento por meio de baixa impedância

Para equilibrar as vantagens e desvantagens dos sistemas com aterramento direto e sem aterramento, o método de aterramento por impedânciaé frequentemente utilizado. Isso inclui o aterramento através de uma pequena resistência ou uma pequena reatância.

• Aterramento de baixa resistênciaLimita a corrente de falta a algumas centenas de amperes, reduzindo o impacto no sistema e permitindo, ao mesmo tempo, uma rápida operação de proteção. Este método suprime sobretensões de forma eficaz e é adequado para redes de distribuição com grande volume de cabos e altas correntes capacitivas.
• Aterramento de pequena reatânciaPode compensar a corrente capacitiva do sistema através de corrente indutiva, reduzindo a probabilidade de reignição do arco. Este método é frequentemente considerado um método de aterramento compensado.

O aterramento por baixa impedância combina os benefícios dos sistemas com e sem aterramento, oferecendo supressão de sobretensão e confiabilidade relativamente alta do fornecimento de energia. É amplamente utilizado em sistemas de 110 kV, especialmente aqueles com correntes capacitivas significativas ou que exigem alta qualidade de energia.

2. Configuração de proteção para pontos neutros de transformadores de 110 kV

2.1 Ameaças de sobretensão

O nível de isolamento do ponto neutro de um transformador de 110 kV é tipicamente semi-isolado, com uma classificação de tensão suportável de apenas um terço da extremidade da linha. Isso torna o ponto neutro vulnerável a danos por sobretensão. Os principais tipos de sobretensão incluem:

• Sobretensão de frequência de energia: Resultante de comutação de linhas, curtos-circuitos assimétricos ou perda repentina de carga.
• Sobretensão de ressonânciaCausadas por oscilações devido às interações entre elementos indutivos e capacitivos durante a operação ou falhas do sistema.
• Sobretensão de comutaçãoResultante da conversão de energia magnética e eletrostática durante a abertura ou o fechamento de disjuntores.
• Sobretensão de raioCausada por descargas atmosféricas, caracterizada por alta amplitude e curta duração.

2.2 Dispositivos de proteção comuns

Para proteger o ponto neutro do transformador, os seguintes dispositivos de proteção são comumente empregados:

• Para-raiosEsses dispositivos limitam a sobretensão atmosférica e certas sobretensões de manobra. No entanto, os para-raios padrão costumam ser inadequados para o baixo nível de isolamento dos pontos neutros de transformadores de 110 kV, o que torna a seleção um desafio.
• Lacunas de isolamentoEsses dispositivos protegem contra sobretensões de frequência da rede e de ressonância. Quando ocorre uma sobretensão, o gap se rompe, aterrando o ponto neutro para limitar a elevação da tensão. Uma desvantagem é a dificuldade em ajustar com precisão a distância do gap, o que pode levar a erros de coordenação da proteção.
• Conexão paralela de para-raios e gapEste é um método de proteção amplamente utilizado. O para-raios lida com sobretensões atmosféricas, enquanto o centelhador protege contra sobretensões de frequência da rede e de ressonância. O centelhador também protege o para-raios contra sobretensões excessivas de frequência da rede que poderiam causar sua falha. Essa abordagem oferece vantagens complementares.

2.3 Configuração de proteção por relé

A proteção por relé para o ponto neutro de um transformador de 110 kV inclui principalmente os seguintes aspectos:

• Proteção contra corrente de sequência zeroPara transformadores diretamente aterrados, a proteção contra corrente de sequência zero é configurada para eliminar rapidamente as faltas à terra. A proteção geralmente é dividida em seções, com retardos de tempo curtos para a localização da falta e retardos de tempo mais longos para o desligamento de todos os lados do transformador.
• Proteção contra tensão de sequência zero e proteção contra corrente de intervalo.Para transformadores não aterrados, são configuradas proteções contra tensão de sequência zero e contra corrente de centelhamento. Quando uma falha de aterramento faz com que o sistema perca seu ponto de aterramento, levando a uma elevação da tensão no ponto neutro, ocorre a ruptura do centelhador. A proteção contra corrente de centelhamento ou a proteção contra tensão de sequência zero atuam com um retardo de tempo (0,3–0,5 s) para desligar o transformador em todos os lados.
• Coordenação de proteção de backupPara garantir a seletividade, os tempos de retardo da proteção de sequência zero devem ser coordenados. Por exemplo, o tempo de retardo para uma proteção de reserva em um transformador deve ser maior do que o da proteção de linha que ela serve de reserva.

3. Recomendações de Otimização e Análise de Caso

3.1 Limitações dos Métodos Tradicionais

Embora o uso de para-raios paralelos com espaçosEmbora seja comum, essa abordagem apresenta diversas desvantagens:

• Dificuldade na seleção de para-raiosÉ difícil encontrar para-raios padrão que atendam aos requisitos de alta tensão operacional contínua e baixa tensão residual de impulso de raio para pontos neutros de transformadores de 110 kV.
• Desafios na definição de lacunasA tensão de ruptura do entreferro está sujeita a dispersão, o que dificulta a coordenação precisa da operação do entreferro em condições de "perda de terra" e "falta com terra".
• Complexidade da proteção de relésA proteção contra "perda de aterramento" (como proteção contra sobretensão de sequência zero e sobrecorrente de gap) pode apresentar mau funcionamento, exigindo critérios de bloqueio adicionais, o que aumenta a complexidade e reduz a confiabilidade.

3.2 Vantagens do aterramento por meio de pequena reatância

A pesquisa e a prática indicam que aterrando o ponto neutro através de uma pequena reatânciaOferece vantagens significativas em relação aos métodos tradicionais de aterramento parcial:

• Requisitos de nível de isolamento reduzidosApós a adoção do aterramento de baixa reatância, o nível de isolamento do ponto neutro do transformador pode ser reduzido de 35 kV para 20 kV, eliminando a necessidade de para-raios e centelhadores e simplificando a configuração de proteção.
• Modo de aterramento unificadoEste método elimina a ocorrência de um sistema isolado sem aterramento, permitindo a simplificação ou omissão da proteção relacionada, aumentando assim a confiabilidade.
• Retenção de vantagensMantém as vantagens do aterramento parcial, como a proteção de sequência zero simples e confiável, ao mesmo tempo que limita as correntes de curto-circuito monofásicas.

3.3 Análise de Estudo de Caso

Um exemplo é a transformação de uma subestação terminal de 110 kV. O projeto original utilizava um para-raios paralelo com um espaçopara proteção do ponto neutro. No entanto, após a adoção de aterramento de baixa reatância, o requisito de nível de isolamento do ponto neutro do transformador foi reduzido, os dispositivos de proteção foram simplificados e a confiabilidade operacional foi aprimorada. Os cálculos mostraram que a resistência de aterramento poderia limitar a corrente de falta a algumas centenas de amperes e a proteção de sequência zero poderia ser facilmente coordenada.

Outro caso envolveu uma falha em uma subestação de 110 kV, onde uma falta transitória monofásica à terra na linha de entrada levou à ruptura do ponto neutro e ao desligamento do transformador. A análise revelou que, embora a falta na linha fosse transitória, feedback de um grande número de motores assíncronosNo lado da carga, foi fornecida energia para o arco, sustentando a falha. Isso destaca que, para transformadores com cargas significativas de motores (fontes equivalentes), a proteção completa do ponto neutro, incluindo proteção contra sobrecorrente de sequência zero, corrente de gap e tensão de sequência zero, é essencial durante a fase de projeto.

4. Conclusão e Perspectivas

A seleção do método de aterramento do ponto neutro de um transformador de 110 kV e sua configuração de proteção é uma tarefa multifacetada que exige a consideração da estrutura do sistema, das características da carga e dos requisitos de confiabilidade. Embora o método tradicional de aterramento parcial combinado com para-raios e centelhadores seja comum, ele enfrenta desafios na seleção dos dispositivos e na coordenação da instalação. método de aterramento de pequena reatânciaOferece uma alternativa promissora, com potencial para reduzir os requisitos de isolamento, simplificar a proteção e melhorar a confiabilidade.

As tendências de desenvolvimento futuro se concentrarão nas seguintes áreas:

• Aplicação de Novos Dispositivos: Tais como espaçamentos compostos ou espaçamentos controláveis ​​usados ​​em paralelo com para-raios, aumentando a confiabilidade e a precisão da proteção.
• Tecnologia de proteção digitalUtilizar proteção baseada em microcomputadores com algoritmos avançados (por exemplo, identificação de forma de onda, análise harmônica) para melhorar a sensibilidade e a confiabilidade da proteção contra falhas de aterramento.
• Padronização e ModularizaçãoDesenvolver equipamentos de proteção de ponto neutro padronizados e modulares para simplificar o projeto e a manutenção.

Em resumo, a otimização do método de aterramento do ponto neutro e da configuração de proteção de transformadores de 110 kV é crucial para aumentar a segurança, a confiabilidade e a economia da operação do sistema de energia. Com os avanços tecnológicos, espera-se que soluções mais inteligentes e eficientes surjam e sejam amplamente aplicadas.