Monitoraggio del punto neutro CC del trasformatore

Analisi tecnica del sistema di monitoraggio del punto neutro CC del trasformatore

• Obiettivi principali di monitoraggioIl componente DC o quasi-DC che scorre nel conduttore di terra del trasformatore.

• domanda fondamentale: impedisce che il trasformatore diventi “DC biased” a causa dell'iniezione di correnti DC esterne.

• Principali fonti di minaccia: Correnti geomagnetiche indotte (GIC), funzionamento unipolare dell'anello di terra dei sistemi di trasmissione ad alta tensione in corrente continua (HVDC) o correnti dei poli di terra delle stazioni di conversione e correnti vaganti in corrente continua provenienti da elettrolizzatori industriali e di transito ferroviario urbano.

• Rischi di polarizzazione DCPorta alla saturazione del nucleo del trasformatore, provocando un drastico aumento della corrente di eccitazione e della distorsione, il surriscaldamento locale degli avvolgimenti e delle parti strutturali, l'aumento delle vibrazioni e del rumore, l'aumento della perdita di potenza reattiva e può causare il malfunzionamento o il rifiuto del funzionamento del dispositivo di protezione del relè.

• funzione del sistemaConsente la misurazione accurata, il monitoraggio in tempo reale, l'allarme di superamento dei limiti, l'analisi dei dati e la trasmissione a distanza della corrente CC neutra, fornendo una base decisionale per la valutazione dello stato di sicurezza dei trasformatori e dei disturbi CC nella rete elettrica.

• valore tecnico: è un importante mezzo tecnico per salvaguardare la sicurezza dei grandi trasformatori di potenza, mantenere il funzionamento stabile delle reti elettriche e far fronte a disastri meteorologici spaziali come le tempeste geomagnetiche.

I. Cause e rischi della polarizzazione CC

Bias DC Si tratta della generazione di un flusso magnetico costante in corrente continua nel nucleo di ferro quando la corrente continua fluisce negli avvolgimenti del trasformatore. Questo flusso CC si sovrappone al flusso di eccitazione a frequenza industriale CA, determinando uno spostamento del flusso nel nucleo su un ciclo di frequenza industriale, con la metà positiva o negativa del ciclo che ha maggiori probabilità di entrare nella regione di saturazione.

1. Analisi delle cause principali:

• Corrente indotta geomagneticamente (GIC): l'attività solare (ad esempio, brillamenti, espulsioni di massa coronale) innesca drastici cambiamenti nel campo geomagnetico, inducendo un campo elettrico nella crosta terrestre, che crea una differenza di potenziale a corrente quasi diretta (con un periodo di variazione che va da alcuni minuti a diverse ore) nelle linee di trasmissione ad alta tensione a lunga distanza e un anello di corrente attraverso il filo di terra neutro del trasformatore.

• Sistemi di trasmissione ad alta tensione in corrente continua (HVDC): Nella modalità di funzionamento del circuito di terra unipolare, la terra viene utilizzata come anello di corrente. Una parte della corrente CC può fluire nel sistema CA attraverso la griglia di messa a terra del neutro del trasformatore, influenzando i trasformatori vicini.

• Alimentatori CC industriali e ferroviariI grandi elettrolizzatori industriali, le ferrovie elettrificate o le metropolitane urbane utilizzano l'alimentazione a corrente continua e le loro correnti vaganti (Stray Current) possono penetrare nella rete elettrica a corrente alternata attraverso il sistema di messa a terra.

2. Meccanismi di rischio del nucleo:

• Saturazione del nucleo e distorsione della corrente di eccitazione: Anche piccole correnti continue (pochi ampere) sono sufficienti a saturare gravemente il nucleo di un trasformatore di grandi dimensioni. Ciò comporta un forte aumento della corrente di eccitazione e la generazione di un gran numero di componenti armoniche di ordine pari (2°, 4°, ecc.), che è la caratteristica elettrica più tipica della polarizzazione in corrente continua.

• Surriscaldamento localizzato di avvolgimenti e componenti strutturaliI nuclei saturi comportano la dispersione di grandi quantità di flusso magnetico in aree esterne al nucleo, che possono generare perdite di corrente parassita negli avvolgimenti, nei morsetti, nelle pareti dei serbatoi e in altri componenti strutturali metallici, innescando punti caldi localizzati che non possono essere rilevati con i mezzi di monitoraggio convenzionali e, nei casi più gravi, possono causare danni all'isolamento.

• Aumento delle vibrazioni e del rumoreL'effetto magnetostrittivo è notevolmente potenziato quando il nucleo di ferro è saturo e, a causa della presenza di componenti armoniche, può portare a un aumento anomalo delle vibrazioni del corpo del trasformatore e del rumore di funzionamento.

• Aumento della perdita reattiva e iniezione di armonicheLa corrente di eccitazione distorta contiene una grande quantità di componenti reattive, che aumentano la perdita di potenza reattiva del trasformatore. Allo stesso tempo, un gran numero di armoniche viene iniettato nella rete, inquinando la qualità dell'energia.

• Attivazione errata o rifiuto dei dispositivi di protezione a relèLa corrente continua neutra può saturare il nucleo di ferro del trasformatore di corrente (TA) utilizzato per la protezione, con il risultato che il lato secondario del TA non riflette accuratamente la corrente reale sul lato primario, il che può portare a valutazioni errate o al malfunzionamento di dispositivi di protezione chiave come la protezione differenziale.

II. Composizione del sistema e principio di funzionamento

Il sistema di monitoraggio del punto neutro CC del trasformatore è solitamente composto da quattro parti: unità di rilevamento front-end, unità di acquisizione ed elaborazione dati, unità di comunicazione e software master di sfondo.

1. Composizione del sistema:

• Unità di rilevamento frontaleIl nucleo è un sensore di corrente continua ad alta precisione. Poiché i TA a induzione elettromagnetica convenzionali non sono in grado di misurare la corrente continua, è necessario utilizzare un sensore di corrente continua.Sensori a effetto Hall或Sensori FluxgateQuesto tipo di sensore determina la grandezza della corrente misurando il campo magnetico generato dalla corrente. Questi sensori determinano l'entità della corrente misurando il campo magnetico generato dalla corrente e sono in grado di misurare con precisione sia la componente CA che quella CC. I sensori sono solitamente progettati in una configurazione aperta per facilitare l'installazione senza interrompere il filo di terra.

• Unità di acquisizione ed elaborazione datiQuesta unità è il cuore del sistema e di solito è installata sul campo in un armadio di convergenza o in una morsettiera. Riceve i segnali analogici dai sensori front-end e li digitalizza attraverso un convertitore analogico-digitale (A/D) ad alta risoluzione. Il microprocessore integrato ad alte prestazioni (MCU o DSP) utilizza algoritmi di filtraggio digitale (ad esempio, filtraggio passa-basso o trasformazione FFT) per separare e calcolare con precisione le componenti CC e CA del segnale di corrente composito.

• unità di comunicazioneResponsabile della trasmissione remota dei dati elaborati (ad es. dimensione del componente CC, valore RMS CA, informazioni sugli allarmi, ecc.) al centro di monitoraggio. Supporta le modalità di comunicazione in fibra ottica, Ethernet, RS-485 e wireless 4G/5G ed è conforme a IEC 61850, IEC 104 e ad altri protocolli di comunicazione di potenza standard.

• Software master backend: è installato sul server del centro di monitoraggio e fornisce un'interfaccia grafica utente (GUI). Il software master è responsabile della ricezione, dell'archiviazione e della visualizzazione dei dati di tutti i punti di monitoraggio, fornendo la visualizzazione della forma d'onda in tempo reale, l'interrogazione dei dati storici, l'analisi delle curve di tendenza, la gestione degli eventi di allarme e la generazione di rapporti.

2. Flusso di lavoro:

Il sensore di corrente continua aperto è montato sul conduttore di terra neutro del trasformatore -> Il sensore misura in tempo reale il segnale di corrente totale che scorre attraverso il conduttore -> Il segnale viene trasmesso all'unità di acquisizione ed elaborazione dati -> L'unità di acquisizione esegue il campionamento ad alta velocità e la conversione A/D -> Il processore interno estrae la componente di corrente continua mediante algoritmi di elaborazione del segnale digitale -> Viene effettuato un confronto tra il valore di corrente continua calcolato e il valore di allarme preimpostato (ad esempio, valore di avviso o di allarme) -> Se il limite viene superato, viene generato un evento di allarme e viene attivata un'uscita di allarme locale (ad esempio, un contatto relè) -> I dati e le informazioni sull'allarme vengono caricati alla stazione master back-end tramite l'unità di comunicazione su base regolare o quando vengono attivati. Confronto del valore DC calcolato con il valore di allarme preimpostato (ad es. valore di avviso, valore di allarme) -> Se il limite viene superato, viene generato immediatamente un evento di allarme e viene attivata l'uscita di allarme locale (ad es. contatto a relè) -> Caricamento dei dati e delle informazioni di allarme alla stazione master back-end tramite l'unità di comunicazione a intervalli regolari o al momento dell'attivazione dell'evento.

III. Tabella delle funzioni principali e dei parametri tecnici

Domande frequenti (FAQ)

1. Perché non è possibile utilizzare un normale TA di protezione per misurare il neutro in CC?
I normali TA funzionano in base alla legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, che si basa sul principio che un flusso magnetico variabile induce una corrente nell'avvolgimento secondario. La corrente continua produce un campo magnetico costante e non può indurre una corrente nell'avvolgimento secondario, pertanto i normali TA sono “ciechi” rispetto alla componente continua. Inoltre, la corrente continua satura il nucleo del TA, compromettendo la sua capacità di misurare con precisione la componente CA.

2. Qual è la corrente DC tipica che può fluire attraverso il punto neutro di un trasformatore?
Non esiste uno standard internazionale unico in materia e di solito dipende dal progetto, dalla capacità e dal materiale del nucleo del trasformatore. In generale, nel settore dell'energia è ampiamente riconosciuto che per i trasformatori di potenza di grandi dimensioni, le correnti CC di pochi ampere (ad esempio, 3-5A) possono causare effetti di polarizzazione CC significativi, e fino a 10A o più possono rappresentare una seria minaccia. Per questo motivo, i valori di allarme per i sistemi di monitoraggio sono solitamente impostati a livelli di ampere a una cifra.

3. In che modo questo sistema si differenzia dal monitoraggio della corrente di protezione del neutro del trasformatore in sequenza zero/differenza?
L'oggetto e lo scopo del monitoraggio sono completamente diversi. La corrente di protezione di sequenza zero/di salto viene monitorata dal sistema di protezioneCorrente di sequenza zero CA industrialeViene utilizzato per valutare il guasto a terra del sistema o il guasto a terra monofase all'interno del trasformatore. Questo sistema è specializzato nel monitoraggioComponente DC o quasi-DCLa minaccia di polarizzazione della corrente continua sul corpo del trasformatore causata da sorgenti esterne di corrente continua (ad esempio, GIC, HVDC) viene utilizzata come difesa contro la polarizzazione della corrente continua. Le due tipologie di sensori, gli algoritmi di elaborazione del segnale e gli scenari di applicazione sono fondamentalmente diversi.

4. Tutti i trasformatori di grandi dimensioni richiedono questo sistema?
Non tutti i trasformatori sono ugualmente a rischio. La massima priorità per l'installazione del sistema è data ai trasformatori nelle seguenti aree: alte latitudini (alto rischio di GIC), vicino alle stazioni di trasmissione UHV in corrente continua e nelle sottostazioni hub vicino alle linee ferroviarie urbane o ai grandi impianti industriali che utilizzano la corrente continua. L'installazione del sistema è un'importante misura preventiva per garantire il funzionamento sicuro dei trasformatori di grande capacità a UHV e EHV in queste aree.