การเลือกและการเพิ่มประสิทธิภาพการกำหนดค่าการป้องกันของวิธีการต่อลงดินจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้า 110kV

การแนะนำ

ในระบบไฟฟ้าแรงสูง วิธีการต่อสายดินจุดกลางของหม้อแปลงเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และเสถียรภาพของระบบ สำหรับระบบไฟฟ้า 110kV การเลือกวิธีการต่อสายดินจุดกลางส่งผลโดยตรงต่อระดับฉนวนของอุปกรณ์ การป้องกันแรงดันเกิน การกำหนดค่าการป้องกันรีเลย์ และความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟ ในประเทศจีน ระบบ 110kV โดยทั่วไปจะใช้วิธีการต่อสายดินจุดกลางแบบใดแบบหนึ่ง วิธีการต่อสายดินที่มีประสิทธิภาพบางส่วนโดยที่จุดต่อสายกลางบางจุดของหม้อแปลงจะต่อลงดินโดยตรง ในขณะที่จุดอื่นๆ จะไม่ได้ต่อลงดิน เพื่อจำกัดกระแสลัดวงจรเฟสเดียวและป้องกันอันตรายจากแรงดันเกิน

บทความนี้วิเคราะห์ลักษณะ ข้อดี และข้อจำกัดของวิธีการต่อสายดินจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้า 110kV แบบต่างๆ สำรวจกลยุทธ์การกำหนดค่าการป้องกันที่เหมาะสมที่สุด และนำเสนอแนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

1. วิธีการต่อสายดินจุดกลางที่สำคัญสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า 110kV

1.1 การต่อลงดินโดยตรง

การต่อลงดินโดยตรงหมายถึงการเชื่อมต่อจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้ากับพื้นดินโดยตรง วิธีนี้ช่วยตรึงศักย์ไฟฟ้าของจุดกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจได้ว่าในกรณีที่เกิดการลัดวงจรลงดินแบบเฟสเดียว แรงดันไฟฟ้าของเฟสที่ไม่เกิดการลัดวงจรจะไม่เกิน 1.4 เท่าของแรงดันไฟฟ้าของเฟสนั้น ซึ่งจะช่วยลดความต้องการฉนวนของอุปกรณ์และลดต้นทุนได้

อย่างไรก็ตาม ข้อเสียที่สำคัญคือ กระแสไฟฟ้าลัดวงจรลงดินเฟสเดียวสูงมาก(สูงถึงหลายพันแอมแปร์) ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความสามารถในการตัดวงจรของเบรกเกอร์และเสถียรภาพของระบบ ดังนั้น โดยทั่วไปจึงใช้การต่อลงดินโดยตรงในระบบแรงดัน 110kV ขึ้นไปที่ต้องการแก้ไขข้อผิดพลาดอย่างรวดเร็ว

1.2 สายกลางที่ไม่ต่อลงดิน

ใน ระบบที่ไม่ได้ต่อสายดินจุดต่อสายกลางของหม้อแปลงไฟฟ้าจะถูกแยกออกจากพื้นดินด้วยฉนวน เมื่อเกิดการลัดวงจรลงดินแบบเฟสเดียว กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะมีขนาดเล็กมาก (ส่วนใหญ่เป็นกระแสความจุของระบบ) ทำให้ระบบสามารถทำงานต่อไปได้ในระยะเวลาสั้นๆ (โดยทั่วไปไม่เกิน 2 ชั่วโมง) ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก ความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟ.

อย่างไรก็ตาม ในระบบที่ไม่มีการต่อลงดิน ความผิดพลาดลงดินแบบเฟสเดียวอาจทำให้แรงดันเฟสที่ไม่เกิดความผิดพลาดสูงขึ้นจนถึงระดับแรงดันสาย หากฉนวนอ่อนแอ อาจทำให้เกิดการชำรุดเสียหายและลุกลามไปสู่ความผิดพลาดระหว่างเฟส นอกจากนี้ การลัดวงจรลงดินแบบเป็นช่วงๆ ก็สามารถก่อให้เกิด... แรงดันไฟเกินแบบอาร์คซึ่งอาจทำให้แรงดันเฟสสูงขึ้นถึง 3–3.5 เท่า ก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อฉนวนของหม้อแปลงไฟฟ้า

1.3 การต่อลงดินผ่านอิมพีแดนซ์ต่ำ

เพื่อสร้างความสมดุลระหว่างข้อดีและข้อเสียของระบบต่อลงดินโดยตรงและระบบที่ไม่ต่อลงดิน วิธีการต่อลงดินแบบอิมพีแดนซ์มักใช้กัน ซึ่งรวมถึงการต่อลงดินผ่านความต้านทานต่ำหรือรีแอกแทนซ์ต่ำ

• การต่อลงดินที่มีความต้านทานต่ำ: จำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรไว้ที่หลายร้อยแอมแปร์ ลดผลกระทบต่อระบบในขณะที่ยังคงทำให้การป้องกันทำงานได้อย่างรวดเร็ว วิธีนี้ช่วยลดแรงดันเกินได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเหมาะสำหรับเครือข่ายจำหน่ายที่มีสายเคเบิลจำนวนมากและมีกระแสไฟฟ้าสะสมสูง
• การต่อลงดินแบบรีแอกแทนซ์ขนาดเล็ก: สามารถชดเชยกระแสความจุของระบบด้วยกระแสเหนี่ยวนำ ลดโอกาสการเกิดประกายไฟซ้ำ วิธีนี้มักถูกพิจารณาว่าเป็นวิธีการต่อลงดินแบบชดเชย

การต่อสายดินผ่านอิมพีแดนซ์ขนาดเล็กเป็นการรวมข้อดีของทั้งระบบต่อตรงและระบบไม่ต่อสายดินเข้าด้วยกัน โดยให้การป้องกันแรงดันเกินและความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟค่อนข้างสูง วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบ 110kV โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่มีกระแสประจุไฟฟ้าสูงหรือต้องการคุณภาพไฟฟ้าสูง

2. การกำหนดค่าการป้องกันสำหรับจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้า 110kV

2.1 ภัยคุกคามจากแรงดันไฟฟ้าเกิน

ระดับฉนวนของจุดกลางของหม้อแปลง 110kV โดยทั่วไปคือ กึ่งฉนวนโดยมีพิกัดแรงดันที่ทนได้เพียงหนึ่งในสามของปลายสาย ทำให้จุดกลางมีความเสี่ยงต่อความเสียหายจากแรงดันเกิน ประเภทของแรงดันเกินหลักๆ ได้แก่:

• แรงดันไฟเกินความถี่กำลัง: เกิดจากการสลับสาย การลัดวงจรแบบไม่สมมาตร หรือการสูญเสียโหลดอย่างกะทันหัน
• แรงดันเกินเรโซแนนซ์เกิดจากการสั่นสะเทือนอันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุในระหว่างการทำงานหรือความผิดพลาดของระบบ
• แรงดันไฟเกินขณะสวิตช์: เกิดจากการแปลงพลังงานแม่เหล็กและพลังงานไฟฟ้าสถิตระหว่างการเปิดหรือปิดวงจรเบรกเกอร์
• ฟ้าผ่าแรงดันไฟฟ้าเกิน: เกิดจากฟ้าผ่า มีลักษณะเด่นคือ ความเข้มสูงและระยะเวลาสั้น

2.2 อุปกรณ์ป้องกันทั่วไป

เพื่อป้องกันจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้า อุปกรณ์ป้องกันต่อไปนี้จึงถูกนำมาใช้กันโดยทั่วไป:

• อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยจำกัดแรงดันไฟเกินจากฟ้าผ่าและแรงดันไฟเกินจากการสวิตช์บางประเภท อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากมาตรฐานมักไม่เพียงพอสำหรับระดับฉนวนที่ต่ำของจุดกลางของหม้อแปลง 110kV ทำให้การเลือกใช้งานเป็นเรื่องที่ท้าทาย
• ช่องว่างการแยกตัวอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยป้องกันแรงดันเกินจากความถี่ไฟฟ้าและเรโซแนนซ์ เมื่อเกิดแรงดันเกิน ช่องว่างจะขาดและต่อลงดินที่จุดกลางเพื่อจำกัดการเพิ่มขึ้นของแรงดัน ข้อเสียคือความยากในการปรับระยะห่างของช่องว่างให้แม่นยำ ซึ่งอาจนำไปสู่การทำงานที่ไม่ประสานกันของระบบป้องกัน
• การเชื่อมต่อแบบขนานของอุปกรณ์กันไฟกระชากและช่องว่างนี่เป็นวิธีการป้องกันที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย อุปกรณ์กันไฟกระชากจะจัดการกับแรงดันไฟเกินจากฟ้าผ่า ในขณะที่ช่องว่างจะจัดการกับแรงดันไฟเกินจากความถี่ไฟฟ้าและเรโซแนนซ์ ช่องว่างยังช่วยป้องกันอุปกรณ์กันไฟกระชากจากแรงดันไฟเกินจากความถี่ไฟฟ้าที่มากเกินไป ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายได้ วิธีการนี้ให้ข้อดีที่เสริมกัน

2.3 การกำหนดค่าการป้องกันด้วยรีเลย์

ระบบป้องกันรีเลย์สำหรับจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้า 110kV ประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้:

• ระบบป้องกันกระแสลำดับศูนย์สำหรับหม้อแปลงที่ต่อลงดินโดยตรง จะมีการกำหนดค่าการป้องกันกระแสลำดับศูนย์เพื่อขจัดความผิดพลาดลงดินอย่างรวดเร็ว โดยปกติการป้องกันจะแบ่งออกเป็นส่วนๆ โดยมีช่วงเวลาหน่วงสั้นๆ สำหรับการระบุตำแหน่งความผิดพลาด และช่วงเวลาหน่วงที่ยาวขึ้นสำหรับการตัดวงจรทุกด้านของหม้อแปลง
• ระบบป้องกันแรงดันลำดับศูนย์และระบบป้องกันกระแสช่องว่างสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ไม่มีการต่อลงดิน จะมีการติดตั้งระบบป้องกันแรงดันลำดับศูนย์และระบบป้องกันกระแสช่องว่าง เมื่อเกิดการลัดวงจรลงดินทำให้ระบบสูญเสียจุดต่อลงดิน ส่งผลให้แรงดันที่จุดกลางสูงขึ้น ช่องว่างก็จะขาด ระบบป้องกันกระแสช่องว่างหรือระบบป้องกันแรงดันลำดับศูนย์จะทำงานโดยมีเวลาหน่วง (0.3–0.5 วินาที) เพื่อตัดวงจรหม้อแปลงไฟฟ้าทุกด้าน
• การประสานงานการป้องกันการสำรองข้อมูลเพื่อให้มั่นใจถึงการเลือกเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ ต้องมีการประสานเวลาหน่วงของระบบป้องกันลำดับศูนย์ ตัวอย่างเช่น เวลาหน่วงสำหรับระบบป้องกันสำรองบนหม้อแปลงไฟฟ้าควรนานกว่าเวลาหน่วงของระบบป้องกันสายส่งที่มันสำรองไว้

3. ข้อเสนอแนะในการปรับปรุงประสิทธิภาพและการวิเคราะห์กรณีศึกษา

3.1 ข้อจำกัดของวิธีการแบบดั้งเดิม

ในขณะที่การใช้งานของ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากแบบขนานกับช่องว่างแม้ว่าวิธีการนี้จะใช้กันทั่วไป แต่ก็มีข้อเสียหลายประการ:

• ความยากลำบากในการเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากการหาอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากมาตรฐานที่ตรงตามข้อกำหนดทั้งด้านแรงดันไฟฟ้าใช้งานต่อเนื่องสูงและแรงดันไฟฟ้าตกค้างจากฟ้าผ่าต่ำสำหรับจุดกลางของหม้อแปลง 110kV นั้นเป็นเรื่องท้าทาย
• ความท้าทายในการกำหนดช่องว่างแรงดันพังทลายของช่องว่างอากาศมีแนวโน้มที่จะเกิดการกระจายตัว ทำให้ยากที่จะประสานการทำงานของช่องว่างได้อย่างแม่นยำสำหรับสภาวะความผิดพลาดแบบ "ขาดการต่อลงดิน" และ "ต่อลงดิน"
• ความซับซ้อนของการป้องกันรีเลย์ระบบป้องกัน "การสูญเสียการต่อลงดิน" (เช่น การป้องกันแรงดันเกินลำดับศูนย์และการป้องกันกระแสเกินช่องว่าง) อาจทำงานผิดพลาด ทำให้ต้องใช้เกณฑ์การปิดกั้นเพิ่มเติม ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนและลดความน่าเชื่อถือลง

3.2 ข้อดีของการต่อสายดินโดยใช้ค่ารีแอกแทนซ์ต่ำ

ผลการวิจัยและการปฏิบัติบ่งชี้ว่า ต่อจุดกลางลงดินด้วยรีแอกแทนซ์ขนาดเล็กมีข้อดีมากมายเหนือกว่าวิธีการต่อสายดินแบบดั้งเดิมบางส่วน:

• ข้อกำหนดระดับฉนวนที่ลดลงหลังจากปรับใช้การต่อลงดินที่มีค่ารีแอกแทนซ์ต่ำ ระดับฉนวนของจุดกลางของหม้อแปลงสามารถลดลงจาก 35kV เหลือ 20kV ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวป้องกันไฟกระชากและช่องว่าง และทำให้การกำหนดค่าการป้องกันง่ายขึ้น
• โหมดการต่อสายดินแบบรวมวิธีนี้ช่วยขจัดปัญหาการเกิดระบบที่แยกตัวโดยไม่มีการต่อลงดิน ทำให้สามารถลดความซับซ้อนหรือละเว้นการป้องกันที่เกี่ยวข้องได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ
• การรักษาข้อได้เปรียบ: ระบบนี้ยังคงรักษาข้อดีของการต่อลงดินบางส่วน เช่น การป้องกันลำดับศูนย์ที่ง่ายและเชื่อถือได้ ในขณะเดียวกันก็จำกัดกระแสลัดวงจรเฟสเดียว

3.3 การวิเคราะห์กรณีศึกษา

ตัวอย่างหนึ่งคือการแปลงสถานีไฟฟ้าย่อยปลายทางขนาด 110kV การออกแบบดั้งเดิมใช้ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากแบบขนานที่มีช่องว่างสำหรับการป้องกันจุดกลาง อย่างไรก็ตาม หลังจากนำระบบต่อลงดินที่มีรีแอกแทนซ์ต่ำมาใช้ ระดับฉนวนที่ต้องการสำหรับจุดกลางของหม้อแปลงก็ลดลง อุปกรณ์ป้องกันก็ง่ายขึ้น และความน่าเชื่อถือในการใช้งานก็ดีขึ้น การคำนวณแสดงให้เห็นว่าความต้านทานการต่อลงดินสามารถจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรไว้ที่ไม่กี่ร้อยแอมแปร์ และสามารถประสานงานการป้องกันลำดับศูนย์ได้อย่างง่ายดาย

อีกกรณีหนึ่งเกี่ยวข้องกับความผิดพลาดในสถานีไฟฟ้าย่อยขนาด 110 กิโลโวลต์ ซึ่งเกิดจากความผิดพลาดชั่วคราวของกระแสไฟฟ้าลงดินในสายส่งขาเข้า ส่งผลให้จุดต่อสายกลางเสียหายและหม้อแปลงไฟฟ้าตัดวงจร การวิเคราะห์พบว่า แม้ว่าความผิดพลาดของสายส่งจะเป็นแบบชั่วคราว แต่... ข้อเสนอแนะจากมอเตอร์อะซิงโครนัสจำนวนมากด้านโหลดให้พลังงานแก่การเกิดประกายไฟ ทำให้ความผิดปกติคงอยู่ต่อไป นี่แสดงให้เห็นว่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีโหลดมอเตอร์สูง (แหล่งจ่ายเทียบเท่า) การป้องกันจุดกลางอย่างสมบูรณ์ รวมถึงการป้องกันกระแสเกินลำดับศูนย์ กระแสช่องว่าง และแรงดันลำดับศูนย์ เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ

4. บทสรุปและแนวโน้มในอนาคต

การเลือกวิธีการต่อลงดินจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้า 110kV และการกำหนดค่าการป้องกันนั้นเป็นงานที่ซับซ้อนซึ่งต้องพิจารณาถึงโครงสร้างของระบบ ลักษณะของโหลด และข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือ แม้ว่าวิธีการต่อลงดินบางส่วนแบบดั้งเดิมที่ใช้ร่วมกับอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากและช่องว่างจะเป็นที่นิยม แต่ก็มีข้อท้าทายในการเลือกอุปกรณ์และการประสานงานการตั้งค่า วิธีการต่อลงดินแบบรีแอกแทนซ์ขนาดเล็กนำเสนอทางเลือกที่น่าสนใจ ซึ่งอาจช่วยลดความต้องการฉนวนกันความร้อน ทำให้การป้องกันง่ายขึ้น และเพิ่มความน่าเชื่อถือได้

แนวโน้มการพัฒนาในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่ด้านต่อไปนี้:

• การประยุกต์ใช้อุปกรณ์ใหม่เช่น ช่องว่างแบบผสมหรือช่องว่างที่ควบคุมได้ซึ่งใช้ควบคู่กับอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือและความแม่นยำในการป้องกัน
• เทคโนโลยีการป้องกันแบบดิจิทัล: การใช้ระบบป้องกันที่ใช้ไมโครคอมพิวเตอร์ร่วมกับอัลกอริธึมขั้นสูง (เช่น การระบุรูปคลื่น การวิเคราะห์ฮาร์มอนิก) เพื่อเพิ่มความไวและความน่าเชื่อถือของการป้องกันไฟรั่วลงดิน
• การกำหนดมาตรฐานและการแบ่งส่วนย่อย: พัฒนาอุปกรณ์ป้องกันจุดกลางที่เป็นมาตรฐานและแบบโมดูลาร์ เพื่อลดความซับซ้อนในการออกแบบและการบำรุงรักษา

โดยสรุปแล้ว การเพิ่มประสิทธิภาพวิธีการต่อสายดินจุดกลางและโครงสร้างการป้องกันของหม้อแปลงไฟฟ้า 110kV นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และการทำงานที่ประหยัดของระบบไฟฟ้า ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี คาดว่าจะมีโซลูชันที่ชาญฉลาดและมีประสิทธิภาพมากขึ้นเกิดขึ้นและได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลาย