Πηνίο καταστολής τόξου και στερεά γείωση σε συστήματα ισχύος: Τεχνική βαθιά κατάδυση

Εισαγωγή

 

Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, επιλέγοντας το κατάλληλομέθοδος ουδέτερης γείωσηςείναι απαραίτητη για την εξισορρόπηση της ασφάλειας, της αξιοπιστίας και της{0}}οικονομικής αποτελεσματικότητας. Ενώ τα μη γειωμένα ουδέτερα συστήματα προσφέρουν συνέχεια υπηρεσίας, αντιμετωπίζουν αυστηρούς περιορισμούς όταν το χωρητικό ρεύμα σφάλματος γείωσης-υπερβαίνει τα επιτρεπόμενα όρια.

Όταν τοχωρητικό ρεύμα σφάλματος γείωσης-ξεπερνά τα όρια ενός μη γειωμένου συστήματος (30Α για δίκτυα 3–10 kV, 10Α για δίκτυα 20–60 kV), οι μηχανικοί πρέπει να υιοθετήσουν πιο προηγμένες λύσεις γείωσης. Οι δύο πιο σημαντικές μέθοδοι είναι:

Γείωση πηνίου καταστολής τόξου(γνωστή και ως γείωση πηνίου Petersen)

Στέρεα γειωμένο ουδέτερο(άμεση γείωση)

Αυτό το άρθρο παρέχει αλεπτομερής τεχνική ανάλυσηκαι των δύο μεθόδων, τις αρχές λειτουργίας τους, τα συστήματα προστασίας και τα σενάρια βέλτιστης-χρήσης σε δίκτυα διανομής και μεταφοράς ενέργειας.

2. Σύστημα γείωσης πηνίου καταστολής τόξου (Γείωση πηνίου Petersen)

Τι είναι ένα πηνίο καταστολής τόξου;

Εναπηνίο καταστολής τόξου, επίσης γνωστό ως αΠηνίο Petersen, είναι ένας συντονιζόμενος επαγωγικός αντιδραστήρας που συνδέεται μεταξύ του ουδέτερου σημείου του μετασχηματιστή και της γείωσης. Η βασική του λειτουργία είναι νααντιστάθμιση του χωρητικού ρεύματος σφάλματος γείωσης-με την έγχυση ενός επαγωγικού ρεύματος που αντισταθμίζει το χωρητικό ρεύμα του συστήματος στη θέση σφάλματος, μειώνοντας έτσι το υπολειπόμενο ρεύμα σε ένα επίπεδο όπου το τόξο μπορεί να σβήσει μόνο του-.

 

Κατασκευή και εξαρτήματα

Το πηνίο καταστολής τόξου αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά στοιχεία:

Συστατικό	Περιγραφή	Λειτουργία
Σιδερένιος πυρήνας με κενά αέρα	Πολυστρωματικός πυρήνας από χάλυβα με σκόπιμα μη-μαγνητικά κενά	Αποτρέπει τον μαγνητικό κορεσμό και εξασφαλίζει γραμμικά χαρακτηριστικά επαγωγής
Περιέλιξη (πηνίο)	Χάλκινη περιέλιξη τοποθετημένη στον πυρήνα του σιδήρου	Παρέχει ρυθμιζόμενη αυτεπαγωγή μέσω του μηχανισμού αλλαγής πατήματος-
Δεξαμενή λαδιού	Σφραγισμένο περίβλημα μετασχηματιστή-με λάδι-	Παρέχει μόνωση και ψύξη για τον πυρήνα και την περιέλιξη
Αλλαγή πατήματος	Απενεργοποίηση-φόρτωση ή ενεργοποιημένη-φόρτωση αλλαγής βρύσης	Προσαρμόζει τον αριθμό των ενεργών στροφών περιέλιξης για να συντονίσει την αυτεπαγωγή

Η περιέλιξη έχειπολύ χαμηλή αντίστασηκαιπολύ υψηλή αντίδραση, πράγμα που σημαίνει ότι το πηνίο παρέχει κυρίως επαγωγική αντίδραση με ελάχιστες απώλειες αντίστασης.

 

Αρχή Εργασίας: Επαγωγική Αποζημίωση

Κανονική λειτουργία

Υπό κανονικές συνθήκες συστήματος, οι τάσεις τριών φάσεων είναι ουσιαστικά ισορροπημένες και ητάση μετατόπισης ουδέτερου σημείουείναι πολύ μικρό. Κατά συνέπεια, το ρεύμα που ρέει μέσω του πηνίου καταστολής τόξου είναι αμελητέα και το πηνίο δεν έχει σημαντική επίδραση στην κανονική λειτουργία του συστήματος.

Μονό-Σφάλμα γείωσης φάσης

Όταν αμονοφασικό--σε-σφάλμα γείωσηςεμφανίζεται, η τάση μετατόπισης του ουδέτερου σημείου αυξάνεται, προκαλώντας τη ροή ρεύματος μέσω του πηνίου καταστολής τόξου. Αυτό το επαγωγικό ρεύμα ρέει μέσω του σημείου σφάλματος στοαντίθετη κατεύθυνσηστο χωρητικό ρεύμα σφάλματος του συστήματος.

Ουπολειπόμενο ρεύμα στο σημείο σφάλματοςείναι η διανυσματική διαφορά μεταξύ:

Χωρητικό ρεύμα (Ic):Δημιουργείται από την κατανεμημένη χωρητικότητα των δύο μη-φάσεων σφάλματος

Επαγωγικό ρεύμα (IL):Δημιουργείται από το πηνίο καταστολής τόξου

Όταν συντονιστεί σωστά, το IL ≈ Ic και το υπολειπόμενο ρεύμα μειώνονται σε πολύ μικρή τιμή -μειώνοντας δραματικά την ενέργεια του τόξουστη θέση του σφάλματος και δίνοντας τη δυνατότητα στο τόξο να σβήσει αυτο-.

Λειτουργίες συντονισμού και αντιστάθμισης

Η αυτεπαγωγή του πηνίου καταστολής τόξου είναιευκανόνιστοςαλλάζοντας τον αριθμό των ενεργών στροφών περιέλιξης μέσω του διακόπτη στρόφιγγας. Αυτό επιτρέπει στο πηνίο να ρυθμιστεί ώστε να ταιριάζει με το χωρητικό ρεύμα του συστήματος.

Πάνω από-Λειτουργία αντιστάθμισης (Συνιστάται)

Σευπερ-αποζημίωση, το επαγωγικό ρεύμα ρυθμίζεται ελαφρώςμεγαλύτεροςαπό το χωρητικό ρεύμα (IL > Ic). Αυτός είναι ο προτιμώμενος τρόπος λειτουργίας γιατί:

Εάν το χωρητικό ρεύμα του συστήματοςξαφνικά μειώνεται(π.χ. λόγω της απενεργοποίησης ενός τροφοδότη), το σύστημα μετακινείταιπιο μακριά από τον συντονισμό, όχι πιο κοντά σε αυτό

Αυτό αποτρέπει επικίνδυνααπήχηση σειράςσυνθήκες που θα μπορούσαν να προκαλέσουν υπερβολική υπέρταση

Παρέχει ένα περιθώριο ασφαλείας έναντι αλλαγών στη διαμόρφωση του συστήματος

Πλήρης αποζημίωση και κάτω-Αποζημίωση

Πλήρης αποζημίωση(IL=Ic): Θεωρητικά ιδανικό αλλά επικίνδυνο - μπορεί να προκαλέσει υπέρταση συντονισμού υπό κανονικές συνθήκες

Υπό-αποζημίωση(IL < Ic): Οι μη συνιστώμενες - αλλαγές συστήματος θα μπορούσαν να το ωθήσουν σε συντονισμό

 

Κατά τη διάρκεια ενός-μονοφασικού σφάλματος γείωσης σε ένα γειωμένο σύστημα πηνίου καταστολής τόξου:

Παράμετρος	Συμπεριφορά
Τάση φάσης σφάλματος	Πέφτει στο μηδέν
Τάση φάσης χωρίς-σφάλμα	Αυξάνεται σε √3 × τάση φάσης (από γραμμή-σε-τάση γραμμής)
Τριφασική-τάση γραμμής	Παραμένει συμμετρικό και αμετάβλητο
Ρεύμα σφάλματος στο σημείο σφάλματος	Πολύ μειωμένο (μόνο υπολειπόμενο ρεύμα)
Συμπεριφορά τόξου	Μπορεί να σβήσει αυτο-λόγω του χαμηλού υπολειπόμενου ρεύματος

Επειδή τοΗ τάση γραμμής τριών φάσεων παραμένει συμμετρική, το σύστημα μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί προσωρινά -αλλά για όχι περισσότερο από 2 ώρες. Αυτό το χρονικό όριο επιτρέπει στους χειριστές να εντοπίσουν και να απομονώσουν το σφάλμα διατηρώντας παράλληλα τη συνέχεια της υπηρεσίας.

Πλεονεκτήματα της γείωσης πηνίου καταστολής τόξου

Αυτοσβενόμενα τόξα:Το αντισταθμιζόμενο υπολειμματικό ρεύμα είναι αρκετά μικρό ώστε το τόξο να σβήσει φυσικά, ειδικά γιαπαροδικά σφάλματα γείωσης

Μειωμένη βλάβη τόξου:Το χαμηλότερο ρεύμα σφάλματος ελαχιστοποιεί τη ζημιά από εγκαύματα στη θέση του σφάλματος

Ελάχιστη παρεμβολή:Το μειωμένο ρεύμα σφάλματος γείωσης-ελαχιστοποιεί τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές σε κοντινές γραμμές επικοινωνίας

Συνέχεια εξυπηρέτησης:Η προσωρινή λειτουργία (έως 2 ώρες) επιτρέπει την προγραμματισμένη απομόνωση σφαλμάτων

Αποτελεσματικό για παροδικά σφάλματα:Τα περισσότερα μονοφασικά- σφάλματα γείωσης στις εναέριες γραμμές είναι παροδικά

Θεωρήσεις σχεδιασμού μόνωσης

Παρόμοια με τα μη γειωμένα συστήματα, τοοι μη{0}}τάσεις της φάσης σφάλματος ανέρχονται σε γραμμή-σε-τάση γραμμήςκατά τη διάρκεια ενός σφάλματος γείωσης. Επομένως, όλαη μόνωση φάσης-προς-γείωση πρέπει να είναι σχεδιασμένη για πλήρη τάση-σε-γραμμή, γεγονός που αυξάνει το κόστος εξοπλισμού σε σύγκριση με συστήματα σταθερής γείωσης.

Σενάρια εφαρμογής

Η γείωση πηνίου καταστολής τόξου χρησιμοποιείται συνήθως σε:

Καλωδιακά δίκτυα μέσης-τάσηςόπου το χωρητικό ρεύμα υπερβαίνει τα μη γειωμένα όρια συστήματος

Δίκτυα εναέριων γραμμών 20–60 kVμε σημαντικό χωρητικό ρεύμα

Αστικά δίκτυα διανομήςμε εκτεταμένη καλωδιακή υποδομή

Συστήματα όπου η συνέχεια της υπηρεσίαςέχει προτεραιότητα, αλλά το χωρητικό ρεύμα είναι πολύ υψηλό για μη γειωμένη λειτουργία

3. Ουδέτερο σύστημα στερεάς γείωσης (απευθείας γείωση)

Λειτουργική Αρχή

Σε ένασταθερά γειωμένο ουδέτερο σύστημα, το ουδέτερο σημείο του μετασχηματιστή είναιάμεσα συνδεδεμένο με τη γηχωρίς να έχει εισαχθεί σκόπιμη αντίσταση. Το δυναμικό ουδέτερου σημείου παραμένει στομηδέν βολτυπό όλες τις συνθήκες λειτουργίας - κανονική ή ελαττωματική.

Όταν αμονοφασικό--σε-σφάλμα γείωσηςεμφανίζεται, η φάση σφάλματος είναι απευθείας βραχυκυκλωμένο- μέσω του σημείου σφάλματος και του γειωμένου ουδέτερου. Αυτό παράγει τομέγιστο δυνατό μονοφασικό ρεύμα σφάλματος-γείωσης-, το οποίο είναι συνήθως συγκρίσιμο ή μεγαλύτερο από τρι-ηλεκτρικό ρεύμα σφάλματος.

 

Συμπεριφορά σφάλματος και προστασία

Άμεση εκκαθάριση βλαβών

Λόγω τουμεγάλο ρεύμα σφάλματος γείωσης-, η γραμμή σφάλματος πρέπει να είναιαποσυνδέθηκε αμέσωςμε προστατευτικά ρελέ. Αυτό διαφέρει θεμελιωδώς από τα μη γειωμένα συστήματα πηνίων και τα συστήματα καταστολής τόξου, τα οποία επιτρέπουν την προσωρινή συνεχή λειτουργία.

Πλεονεκτήματα προστασίας ρελέ

Το υψηλό ρεύμα σφάλματος παρέχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα γιαπροστατευτική αναμετάδοση:

Απλά και αξιόπιστα συστήματα προστασίαςΤα ρελέ υπερέντασης - μπορούν εύκολα να ανιχνεύσουν το μεγάλο ρεύμα σφάλματος

Επιλεκτική απομόνωση σφαλμάτων- το υψηλό μέγεθος ρεύματος καθιστά εύκολη τη διάκριση μεταξύ ελαττωματικών και υγιών τροφοδοτικών

Γρήγορη εκκαθάριση σφαλμάτωνΗ προστασία - λειτουργεί γρήγορα και με ακρίβεια, ελαχιστοποιώντας τη διάρκεια και τη ζημιά του σφάλματος

 

Αυτόματο-Επανακλείσιμο για παροδικά σφάλματα

Η παροδική φύση των ρηγμάτων εδάφους

Η εμπειρία λειτουργίας δείχνει ότι σεΔίκτυα 110 kV και άνω, τα περισσότερα μονοφασικά - σφάλματα γείωσης - ειδικά αυτά που βρίσκονται σεεναέριες γραμμές μεταφοράς- είναιπαροδικής φύσης. Τα αίτια περιλαμβάνουν:

Κεραυνός χτυπά προκαλώντας προσωρινή αναρρόφηση της μόνωσης

Συντρίμμια από τον άνεμο-σε επαφή στιγμιαία με αγωγούς

Επαφή με πουλιά ή ζώα

Η-προκαλούμενη από τη ρύπανση flashover που-καθαρίζεται από μόνη της

Αυτόματο-Σχέδιο επανακλεισίματος

Μετά την ενεργοποίηση της γραμμής με σφάλμα, τοΗ μόνωση στη θέση του σφάλματος συχνά ανακάμπτει γρήγορα. Χρησιμοποιούνται σύγχρονα σταθερά γειωμένα συστήματασυσκευές αυτόματης επαναφοράς (ARC).ότι:

Περάστε τη γραμμή με σφάλμακατά την ανίχνευση του σφάλματος γείωσης

Περιμένετε ένα σύντομο νεκρό χρόνο(συνήθως 0,3–1 δευτερόλεπτο) για απιονισμό τόξου

Αυτόματο εκ νέου-κλείσιμο του διακόπτηγια να ελέγξετε εάν το σφάλμα έχει διορθωθεί

Επαναφέρετε την ισχύεάν το σφάλμα ήταν παροδικό - που συμβαίνει στις περισσότερες περιπτώσεις

Αυτή η προσέγγιση βελτιώνεται δραματικάαξιοπιστία εφοδιασμούσε στερεά γειωμένα συστήματα, μετριάζοντας το κύριο μειονέκτημα της άμεσης εκκαθάρισης σφαλμάτων.

 

Πλεονεκτήματα σχεδιασμού μόνωσης

Το βασικό οικονομικό όφελος

Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα των στερεά γειωμένων ουδέτερων συστημάτων είναι ότιοι μη-τάσεις φάσης δεν αυξάνονταικατά τη διάρκεια ενός μονοφασικού-σφάλματος γείωσης. Εφόσον ο ουδέτερος είναι σταθερά γειωμένος, η τάση από-προς-γείωση των υγιών φάσεων παραμένει στο κανονικό επίπεδο τάσης φάσης.

Αυτό σημαίνει:

Μόνωση από-προς-γείωσηχρειάζεται μόνο να σχεδιαστεί γιατάση φάσης(όχι από γραμμή-προς-τάση γραμμής)

Αυτόμειώνει το κόστος μόνωσηςγια μετασχηματιστές, καλώδια, συσκευές διανομής και απαγωγείς υπερτάσεων

ΟΤο οικονομικό όφελος αυξάνεται με την τάση του συστήματος- όσο υψηλότερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερη είναι η εξοικονόμηση

 

Σύγκριση: Στερεά γείωση έναντι άλλων μεθόδων

Χαρακτηριστικό	Αβάσιμος	Πηνίο καταστολής τόξου	Στερεά γειωμένο
Μέγεθος ρεύματος σφάλματος	Μικρό (χωρητικό)	Πολύ μικρό (υπόλοιπο)	Μεγάλο (βραχυκύκλωμα-)
Τάση φάσης χωρίς-σφάλμα κατά τη διάρκεια σφάλματος	√3 × τάση φάσης	√3 × τάση φάσης	Τάση φάσης (αμετάβλητη)
Απαιτείται επίπεδο μόνωσης	Τάση γραμμής-σε-γραμμή	Τάση γραμμής-σε-γραμμή	Τάση φάσης
Εκκαθάριση σφαλμάτων	Χειροκίνητα ή με καθυστέρηση	Καθυστέρηση (λιγότερο ή ίσο με 2 ώρες)	Άμεσα (αυτόματο)
Πολυπλοκότητα προστασίας	Συγκρότημα	Συγκρότημα	Απλό και αξιόπιστο
Συνέχεια σέρβις κατά τη διάρκεια βλάβης	Ναι (προσωρινό)	Ναι (λιγότερο από ή ίσο με 2 ώρες)	Όχι (σκοτώθηκε αμέσως)
Αυτοσβήσιμο τόξου-	Δύσκολο (υψηλό Ic)	Ναι (με αποζημίωση)	Δεν ισχύει
Εφαρμογή αυτόματου-εκ νέου κλεισίματος	Περιωρισμένος	Περιωρισμένος	Εξαιρετικά αποτελεσματικό
Καλύτερο εύρος τάσης	3–10 kV	10–60 kV	110 kV και άνω
Οικονομικό πλεονέκτημα	Χαμηλό (υψηλό κόστος μόνωσης)	Μέσον	Υψηλό (χαμηλό κόστος μόνωσης)

 

Τυπικές Εφαρμογές Στερεά Γειωμένων Συστημάτων

Τα στερεά γειωμένα ουδέτερα συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως σε:

Δίκτυα μετάδοσης υψηλής-τάσης(110 kV, 220 kV, 500 kV και άνω)

Αστική κατανομή μέσης-τάσης(10 kV, 35 kV) όπου η αξιοπιστία και η απλή προστασία έχουν προτεραιότητα

Μεγάλα βιομηχανικά συστήματα ισχύοςμε εκτεταμένα καλωδιακά δίκτυα

Συστήματα χαμηλής-τάσης(380V/400V/480V) για ασφάλεια και προστασία εξοπλισμού

Οδηγίες επιλογής: Επιλογή της σωστής μεθόδου γείωσης

Με βάση το επίπεδο τάσης

Εύρος τάσης	Συνιστώμενη μέθοδος γείωσης	Πρωταρχικό σκεπτικό
Χαμηλή τάση (Μικρότερη ή ίση με 1 kV)	Στέρεα γειωμένο	Ασφάλεια, απλή προστασία
Μέση τάση (3–10 kV)	Μη γειωμένο ή πηνίο καταστολής τόξου	Συνέχεια υπηρεσίας. εξαρτάται από το χωρητικό ρεύμα
Μέση-υψηλή τάση (20–60 kV)	Πηνίο καταστολής τόξου	Χωρητικό ρεύμα πολύ υψηλό για μη γειωμένο. διαχειρίσιμο κόστος μόνωσης
Υψηλή τάση (Μεγαλύτερη ή ίση με 110 kV)	Στέρεα γειωμένο	Εξοικονόμηση οικονομικής μόνωσης; απλή, αξιόπιστη προστασία

Με βάση τις απαιτήσεις συστήματος

Εάν η συνέχεια της υπηρεσίας είναι πρωταρχικής σημασίας→ Πηνίο καταστολής τόξου ή μη γειωμένο σύστημα

Εάν απαιτείται απλή, αξιόπιστη προστασία→ Στερεά γειωμένο σύστημα

Αν καλωδιακό δίκτυο με υψηλό χωρητικό ρεύμα→ Πηνίο καταστολής τόξου

Εάν το δίκτυο εναέριας γραμμής με παροδικά σφάλματα→ Στέρεα γειωμένο με αυτόματο-επανακλείσιμο

 

Σύναψη

Οσύστημα γείωσης πηνίου καταστολής τόξουκαι τοσταθερά γειωμένο ουδέτερο σύστημααντιπροσωπεύουν δύο θεμελιωδώς διαφορετικές προσεγγίσεις για την ουδέτερη γείωση του συστήματος ισχύος, η καθεμία με ξεχωριστά πλεονεκτήματα:

Γείωση πηνίου καταστολής τόξουυπερέχει σε δίκτυα μέσης-τάσης όπουσυνέχεια της υπηρεσίαςκαιαυτοσβενόμενο τόξο-είναι κρίσιμες. Αντισταθμίζοντας το χωρητικό ρεύμα σφάλματος, επιτρέπει την προσωρινή λειτουργία και τη φυσική εξάλειψη του τόξου, καθιστώντας το ιδανικό για καλωδιακά δίκτυα και εναέρια συστήματα διανομής με σημαντικό χωρητικό ρεύμα.

Στερεά γειωμένα ουδέτερα συστήματακυριαρχούν στα δίκτυα μεταφοράς υψηλής-τάσης όπου τα οικονομικά οφέλη απόμειωμένες απαιτήσεις μόνωσηςκαι την αξιοπιστία τουαπλά, γρήγορα συστήματα προστασίαςξεπερνούν το μειονέκτημα της άμεσης εκκαθάρισης σφαλμάτων. Σε συνδυασμό με την τεχνολογία αυτόματης-εκ νέου κλεισίματος, αυτά τα συστήματα επιτυγχάνουν τόσο ασφάλεια όσο και αξιοπιστία.

Η κατανόηση αυτών των μεθόδων γείωσης είναι απαραίτητη για τους μηχανικούς συστημάτων ισχύος, τους κατασκευαστές ηλεκτρικού εξοπλισμού και τους χειριστές εγκαταστάσεων. ΣτοZhejiang Rsafele Electric Co., Ltd., η ομάδα ειδικών μας μπορεί να σας βοηθήσει να επιλέξετε και να εφαρμόσετε την πιο κατάλληλη λύση γείωσης για τη συγκεκριμένη εφαρμογή σας, διασφαλίζοντας τη βέλτιστη ασφάλεια, αξιοπιστία και{0}}οικονομική απόδοση για το ηλεκτρικό σας σύστημα.