Методе неутралног уземљења електроенергетског система: Комплетан водич за инжењера електротехнике

Увод

 

У електроенергетским системима, начин на који је неутрална тачка трансформатора или генератора уземљена игра кључну улогу у одређивању сигурности, поузданости и дизајна изолације система. Метода неутралног уземљења директно утиче на јачину струје квара, нивое пренапона, сложеност заштитне шеме и укупан квалитет електричне енергије.

Одабир одговарајуће методе неутралног уземљења једна је од најосновнијих дизајнерских одлука у инжењерству електроенергетских система. Овај свеобухватни водич истражује три најшире прихваћене методе уземљења неутралне тачке у електроенергетским системима, њихове принципе рада, предности, ограничења и типичне сценарије примене.

Класификација метода неутралног уземљења

 

Методе неутралног уземљења електроенергетског система су широко класификоване надве категорије:

1. Велики уземљени-системи струје квара

У овим системима, неутрална тачка је директно уземљена или уземљена преко ниске импедансе. Када дође до квара једне-фазе{2}}на-земље, велика струја кратког{4}}споја тече кроз путању квара, омогућавајући брзо и селективно откривање квара помоћу заштитних релеја.

2. Мали уземљени-системи струје квара

У овим системима, неутрална тачка је или неуземљена, уземљена преко завојнице за сузбијање лука (Петерсенова завојница) или уземљена преко високе импедансе. Струја земљоспоја-је знатно мања у поређењу са великим системима земљоспоја{2}}, што омогућава привремени наставак рада, али захтева специјализоване механизме за откривање.

Међу свим конфигурацијама неутралног уземљења, три методе се најчешће користе широм света:

Неутемељени неутрални систем(неутрална тачка није повезана са земљом)

Систем уземљења намотаја за гашење лука(неутрална тачка уземљена кроз Петерсенову завојницу)

Чврсто уземљен неутрални систем(неутрална тачка директно повезана са земљом)

 

1. Неуземљени неутрални систем

 

Принцип рада

У неуземљеном неутралном систему (познатом и као изоловани неутрални систем), неутрална тачка трансформатора или генератора није физички повезана са земљом. Када се у овом систему појави један-фазни-на{{3} квар, квар не ствара кратак-пут. Уместо тога, струја која тече кроз тачку квара је само капацитивна струја система, која тече кроз дистрибуирани капацитет фаза без квара до земље.

Кључне карактеристике

Континуитет снабдевања

Једна од примарних предности неуземљеног неутралног система је та што једнофазни квар уземљења-не прекида напајање. Пошто напони фазе{2}}на-фазни напони остају непромењени, оптерећења повезана између фазног-на-напона могу наставити да раде нормално. Ово чини неуземљени систем посебно атрактивним за индустријске објекте где је континуитет услуге критичан.

Повишење напона на фазама без{0}}квара

Међутим, ова предност долази са значајним ризиком. Када је једна фаза уземљена, напон не-фаза без грешке расте до √3 пута (приближно 1.732 пута) у односу на нормалну фазу-на-напон уземљења. То значи да је изолација све опреме у систему подвргнута напону између линије-на- током квара на земљи.

⚠Техничка напомена:Продужени рад у условима једнофазног земљоспоја- није дозвољен. Повишени напон на фазама без -квара може да изазове квар изолације на слабим тачкама, што потенцијално може да доведе до двофазног кратког споја уземљења -, што је далеко озбиљнији квар који може да изазове велика оштећења опреме.

Повремено уземљење лука и пренапон

Проблем самогашења{0}} лука

Када јекапацитивну струју{0}}земљаје релативно велик, лук на месту квара постаје тешко самоугашен-. У неким случајевима, аниспрекидани лук- онај који се периодично гаси и поново пали - може да се формира на месту земљоспоја.

Пренапонски механизам

Мрежа напајања је у суштини ЛЦ осцилационо коло састављено од индуктивности и капацитивности. Испрекидани лук генерише високо{1}}осцилације, стварајући пренапоне на изолацији фазе{2}}на-земље који могу достићи2,5 до 3 пута већи од нормалног фазног напона (Ук).

Ови пренапони се шире по целој електрично повезаној мрежи, драматично повећавајући ризик од прескакања изолације на другим фазама - што може ескалирати удвофазни{0}}уземљени споји изазвати озбиљну штету на електричној опреми.

 

Тренутне границе и стандарди

 

Да би се спречило оштећење изазвано електричним луком{0}}од пренапона, индустријски стандарди намећу строга ограничењакапацитивна струја земљоспојау неуземљеним системима:

Волтаге Левел	Максимална капацитивна струја квара{0}}уземљења	Реасонинг
3–10 кВ	Мањи или једнак 30 А	Лук се не може само-угасити изнад овог прага
20–60 кВ	Мање или једнако 10 А	Већи напон отежава гашење лука; пренапон је опаснији за изолацију

За3–10 кВ мреже, ако једнофазна-фазна капацитивна струја уземљења прелази 30А, лук на тачки квара не може-да се самоугаси. За20–60 кВ мреже, ситуација је још критичнија - пренапон изазван испрекиданим луковима је већи, што представља већу опасност за изолацију опреме, а виши напон отежава самогашење лука-. Због тога је ограничење струје земљоспоја{3}}сведено на 10А на овим нивоима напона.

 

Захтеви за праћење и заштиту

 

У неуземљеним неутралним системима морају се инсталирати специјализовани{0}}уређаји за праћење кварова у земљи. Ови уређаји омогућавају оператерима да:

Одмах откријте једнофазне{0}}фазне кварове на земљи помоћу шема релеја напона које надгледају напон{1}}нулте секвенце (напон померања)

Идентификујте неисправан фидеркоришћењем усмерених релеја квара{0}}уземљења или метода убризгавања импулса

Изолујте оштећени деопре него што се развије у тежи квар

Разматрање дизајна изолације

Зато што напони без{0}}фазних фаза расту долинијски-на-напонтоком земљоспоја, сва изолација{0}}на-земља у неуземљеним системима мора бити пројектована запуни линијски-на-напон, не само фазни-на-напон. Ово повећава трошкове изолације, посебно на вишим нивоима напона.

 

Типичне апликације

Неуземљени неутрални систем се обично користи у:

Индустријске мреже ниског и средњег напона(3–10 кВ) где је континуитет сервиса приоритет

Помоћни системи електранагде је привремени рад са земљоспојем прихватљив

Системи са малом укупном капацитивном струјом(кратке кабловске мреже, надземне мреже)

Предности и недостаци Резиме

 

Предности неуземљених неутралних система

Непрекидно напајањетоком једнофазног уземљења-

Ниска струја{0}}земљаминимизира штету на месту квара

Нема потребе за тренутним саплитањем- омогућава време за локацију квара и планирану изолацију

Смањени напони корака и додиратоком земљоспоја

Недостаци неуземљених неутралних система

Ризик од пренапона- испрекидани лукови могу изазвати пренапон од 2,5–3×

Потребна је пуна изолација-до-вода- повећава цену опреме

Тешко откривање квара- мала уземљена-струја квара чини селективну заштиту изазовном

Ризик од ескалације грешке- продужени рад може довести до двофазних кварова на земљи-

Строга ограничења капацитивних струја- није погодан за мреже са великом капацитивном струјом

 

Закључак

 

Тхенеутемељени неутрални системнуди вредне предности континуитета услуге, посебно у индустријским апликацијама средњег{0}}напона. Међутим, његова ограничења - укључујући ризике од пренапона, строга ограничења капацитивних струја и казне за трошкове изолације - морају бити пажљиво процењена током пројектовања система.

Када капацитивна струја земљоспоја{0}}пређе дозвољене границе, систем мора да пређе науземљени систем намотаја за гашење лукаили усвојити алтернативне методе уземљења. У нашем пратећем чланку,"Завојница за сузбијање лука и чврсто уземљење у енергетским системима: техничко дубоко зарон",детаљно истражујемо ове две критичне методе уземљења, укључујући њихове принципе рада, шеме заштите и упутства за примену за високонапонске{0}}напонске мреже.