Заземление трансформаторов ветроэлектростанций

Опубликовано: 6 Декабрь 2012

ветроэлектростанция заземление

Почему заземления трансформаторов имеют важное значение для крупных ветроэлектростанций

Когда вы думаете о ветряных электростанциях, на ум приходят величественные башни с огромными вращающимися лопастями, охватывающими горизонт. Конструкторы тоже не застрахованы от этого импульса, так как основной упор они делают на размещение, закупку, монтаж и подключение башен, турбин и лопастей. Но многие люди не знают, что такое заземление трансформатора и часто пренебрегают этой составляющей совокупных узлов ветровой станции. Доказательством этого служит тот факт, что на 90% ветряных электростанций покупатели заземляют трансформаторы в течение 60 дней после запуска в эксплуатацию, заново обращаясь к застройщикам. Тем не менее, те, кто пренебрегает адекватным планированием заземления трансформаторов, делают это на свой страх и риск. На самом деле, потери миллионов долларов и большая ответственность основаны на дуговых замыканиях. Таким образом, заземление возглавляет список проблем для тех, кто связан с развитием ветровой энергетики.

Зачем нужно заземление трансформаторов?

Проще говоря, заземление трансформатора обеспечивает соединение с землей незаземленных соединенных в звезду и треугольник устройств. Заземление трансформаторов, как правило, используется для:

  • Обеспечения относительно низкого сопротивления на пути к земле, тем самым сохраняя в системе нейтральный или близкий к нулю потенциал;
  • Передачи на землю предельной величины перенапряжения при коротких замыканиях;
  • Обеспечения источника тока выходом на землю во время замыкания на линии;
  • Обеспечения контакта фаза-нейтраль при заданных нагрузках;

  Если заземляющий контур неисправен или изолирован от системы, то при коротком замыкании  отсутствует путь для обратного тока, так что ток по цепи проходить не будет. Общая система будет продолжать работать, однако, за счет поврежденной линии будет расти напряжение в прогрессии, равной корню квадратному из трех,  пока в результате перенапряжение в изоляции трансформаторов и других сопутствующих узлов не достигнет примерно 173%. Металл-оксидные варисторы (MOV) используемые для подавления скачков/перепадов напряжения (молниеотводы), особенно чувствительны к повреждениям от нагрева в результате токоутечки через блок, даже если повышение напряжения не является достаточным для искрения. Заземление трансформатора обеспечивает току путь к земле для предотвращения таких перегрузок.
Заземления трансформаторов имеют важное значение для крупных ветровых мульти-турбин, где подчас является единственной связью с землей распределительных систем трансформаторных подстанций. Заземление трансформатора, включенное в электрическую цепь турбины, обеспечивает токам путь к земле в случае, если общая линия становится изолированной от системы заземления.
Замыкание на землю кабеля на коллекторе является причиной повреждения контура подстанции, в который включена открытая схема этого кабеля, в результате чего линия источника тока становится изолированной от земли. Турбины не всегда могут обнаружить дефект в линии заземления. В результате генераторы продолжают возбуждать коллектор, и напряжение между поврежденной линией и землей вырастает заметно выше нормальной величины напряжения. В итоге, затраты будут ошеломляющие.
Согласно одному из источников «Ибердрола», мирового лидера в области развития ветроэнергетики, потеря доходов только на одной линии из 10 турбин могут превысить 10 000 $ в день. Учитывая удаленность объекта и стоимость замены оборудования, убытки трансформаторов могут приблизиться к 40 000$ в сутки. Типичная конструкция ветряной электростанции на самом деле слегка аналогична конструкции колесу повозки – ступица и спицы. Наружная часть колеса действует как забор ветрового потока, в центре колеса расположен коллектор, подключенный в электрическую цепь. Спицы – это радиальные линии, к которым подключены каждая из ветровых электростанций. Как правило, каждая линейная цепь турбины должна быть подключена к заземлению трансформатора, как показано на рис. 1.

линейная цепь турбины подключена к заземлению трансформатора

Подробное устройство

Заземление трансформаторов имеет, как правило, одну из двух конфигураций – соединение  обмоток методом Zn-«зигзаг» (с или без вспомогательной обмотки), или соединение обмоток звездой (Ynd)( с дельта связанной вторичной обмоткой, что может или не может быть использована для подачи дополнительного питания). Обе конфигурации показаны на рис.2.

Заземление трансформаторов ветроэлектростанций

Современные тенденции в дизайне ветровых электростанций в основном основаны на подключении звездой первичной обмотки с дельта – подключенной вторичной обмоткой. Основываясь на опыте, существует несколько причин того, почему подключение двух обмоток трансформатора к заземлению звездой более популярно, чем зигзагообразное. Это основано на следующих факторах:

  • Несмотря на некоторую неактуальность, 2-обмотки трансформатора оказываются более доступными для замены или обновления.
  • Отсутствие у дизайнеров достаточной базы знаний, необходимой для монтажа зигзагообразных конфигураций, и заставляющая конструкторов опираться на более привычные конфигурации.
  • Ynd – связанная конструкция двух обмоток позволяет дозировано загружать вторичные обмотки, в то время, как зигзагообразная конструкция этого не позволяет.
  • Не все производители предоставляют варианты зигзаг-заземления вниманию потенциальных клиентов, хотя эта конфигурация для них может быть наиболее подходящей.

  Геометрия зигзагообразного подключения гармонично ограничивает третью часть циркуляции тока и может быть использована без дельта-связной обмотки, или для 4- или 5-фазной основной конструкции, обычно используемой для этих целей в распределительных и силовых трансформаторах. Устранение необходимости вторичной обмотки может сделать такой вариант подключения мене дорогим, чем сопоставимое заземление трансформатора с вторичной обмоткой. Кроме того, использование «зигзаг»-контура на трансформаторах обеспечивает заземление с сопротивлением меньше единицы, в то время, как звезда-треугольник с вторичными обмотками обеспечивает такую же последовательность, но с нулевым сопротивлением.
Ynd-подключенное заземление трансформатора, с другой стороны, требует либо дельта-связную вторичную, либо 4- или 5-фазную основную конструкцию для обеспечения пути для обратного тока при несбалансированной нагрузке на основные соединения. Поэтому желательно обеспечить дополнительное питание от заземления вторичной обмотки трансформатора. Для этого предпочтительнее использовать 2-обмоточное, зигзагообразное подключение. К тому же, зигзагообразное заземление трансформатора может быть смонтировано с дополнительными возможностями – это может быть либо звезда, либо дельта-распределение нагрузки.
Прочно обоснованная система использования заземления трансформатора предлагает множество улучшений системы безопасности. Тем не менее, «земли» трансформатора хватает только на токоограничивающую способность резистивной системы заземления. По этой причине в сочетании с заземлением трансформаторов часто используют нейтральные резисторы, способные ограничить величину нейтрального тока замыкания. Значения их сопротивления должны быть определены так, чтобы позволить прохождение на землю потока достаточно высокого тока замыкания для обеспечения надежной работы релейной защиты. И в тоже время, оно должно быть достаточно низким, чтобы ограничить термические повреждения.

Установка заземления трансформатора

При выборе заземления трансформатора для вашей ветряной электростанции, не забудьте рассмотреть следующие основные параметры:

  • Первичное напряжение – это напряжение системы, к которой должно быть подключено заземление. Не забудьте указать импульсный уровень трансформатора (BIL), который определяет способность системы противостоять грозовому перенапряжению. В некоторых случаях BIL из соображений параметров оборудования. Так при напряжении 150 кВ импульсный уровень должен составлять 34,5 кВ из-за ограничения на передние разъемы.
  • Номинальная мощность (кВА) – заземление трансформатора, как правило, предусматривает короткий срок монтажа и меньшую стоимость по сравнению с трансформатором, рассчитанным на длительную эксплуатацию. По этой причине на трансформаторах монтируется заземление часто не соответствующее параметрам номинальной мощности, мотивируя это коротким сроком их непрерывной работы. Независимо, как вы оцениваете параметры, заземления трансформаторов должны быть рассчитаны для проведения непрерывного первичного фазного тока без превышения температурного предела. Эта нагрузка включает в себя ток намагничивания сердечника, емкостный зарядный ток всех кабелей и, при возможности, дополнительную нагрузку. Чем выше это значение, тем больше и дороже трансформатор.
  • Типичные значения постоянного тока могут быть от 5А до величины в несколько сотен ампер. Не забудьте учесть возможность подключения любых вспомогательных нагрузок.
  • Непрерывный нейтральный ток – определяется как в три раза больше фазного тока, или, другими словами, это ток нулевой последовательности. Если система сбалансирована, то он обычно считается равным нулю. Тем не менее, ценность проектирования заземления трансформатора заключается в предвидении утечки в нейтральной цепи без срабатывания защитных схем (которые заставят текущий ток быть равным нулю) или токоутечки на землю, которая не является симметричным действием. Опять же, это значение необходимо проектировать с учетом тепловой мощности заземления трансформатора.
  • Текущие неисправности и их продолжительность. Эти величины необходимы для расчетов короткого время нагрева, что является результатом неисправности в системе и должны быть определены при инженерном исследовании системы. Типовые значения варьируются от несколько сотен ампер до нескольких тысяч ампер с точно выраженной продолжительностью времени в секундах, независимо от цикла. Например, значение в 400 А в течение 10 секунд является типичным. Более продолжительное время уже является критическим параметром для узлов трансформатора. Защитная схема заземления предусмотрена для прекращения работы трансформатора за относительно короткое время (от 5 до 10 сек). С другой стороны, непрерывность или расширение потока нейтрального тока при коротком замыкании не требуется, когда в заземлении трансформатора используется система предупреждения замыкания на землю.
  • Сопротивление. Сопротивление может быть выражено в процентном соотношении или в Ом в значении одной фазы. В любом случае, она должна быть выбрана так, чтобы напряжение не повреждало фазы при замыкании на землю и находилось в пределах возможного временного перенапряжения трансформатора и связанного с ним оборудования, например, разрядников и клеммных соединений. Значения, которые могут варьироваться от самых низких 2,5% до высоких 10%, должны быть обеспечены разработчиком.
  • Контакт первичной обмотки. Вы должны быть уверены, чтобы указать тип основного заземления – либо зигзаг, либо Ynd. Прежде чем принимать решение, рассмотрим факторы, представленные ранее в отношении ситуаций, для которых конкретная конфигурация может быть наиболее подходящей.
  • Вторичное подключение. Укажите параметры вторичного напряжения при подключении в случае необходимости. Кроме того, обязательно нужно учитывать размер вспомогательной нагрузки, которая должна быть подключена либо Zn-звездой, либо иметь подключенную первичную обмотку.

  При выборе 2-обмоточного трансформатора без вторичной нагрузки, установленная дельта-обмотка может быть «похоронена» (то есть, не выведена наружу) или быть просто выведенной наружу для заземления или тестирования.

Важные характеристики и параметры

В дополнение к обсуждаемым проектным характеристикам существует целый ряд других понятий и особенностей, которые необходимо учитывать при монтаже заземления трансформаторов ветровых электростанций.
Посоветуйтесь с поставщиком, какая их двух конструкций главного трансформатора или подстанции оснащена встроенным защитным отсеком.
Подумайте, нужны ли заземления трансформатора и где они будут расположены, на открытом воздухе или в помещении. Потому что даже наружные блоки требуют особого внимания при размещении их рядом с другими структурами.
Выберите конкретный тип жидкости для особого применения. Выбирайте минеральное масло, силикон и натуральные жидкости на комбинированной основе. Рассмотрите варианты подключения и выберите лучший вариант для линии. Варианты варьируются от неподсоединенного и подсоединенного выхода до границы заглубления. Местоположения заглубления может быть определено по крышей или рядом, защищенное или незащищенное.
Возможный предел повышения температуры рассчитан в конструкции и составляет 65 градусов.
Рассмотрите высоту линии во избежание экологических проблем.
Используйте специальные краски только по мере необходимости.
Номинальное напряжение заземленных нейтральных резисторов должно быть равно напряжению на заземляющей линии трансформатора. Текущие параметры и продолжительность должны соответствовать параметрам заземления трансформатора. Не забудьте установить текущие параметры на достаточно высоком уровне, чтобы они были выше зарядного тока кабеля, тока намагничивания заземления трансформатора.

Ещё по теме:

Оставить отзыв