Monitoramento de CC do ponto neutro do transformador

Análise técnica do sistema de monitoramento de ponto neutro CC do transformador

• Metas principais de monitoramentoDC: O componente DC ou quase DC que flui no condutor de aterramento do neutro do transformador.

• questão fundamentalProteção contra a polarização de CC: evita que o transformador se torne “polarizado em CC” devido à injeção de correntes CC externas.

• Principais fontes de ameaçaCorrentes geomagneticamente induzidas (GIC), operação de loop de terra unipolar de sistemas de transmissão de corrente contínua de alta tensão (HVDC) ou correntes de polo de terra de estação conversora e correntes CC dispersas de trânsito ferroviário urbano/eletrolisadores industriais.

• Perigos de polarização de CCCausa a saturação do núcleo do transformador, desencadeando um aumento drástico na corrente de excitação e na distorção, superaquecimento local dos enrolamentos e das peças estruturais, aumento da vibração e do ruído, aumento da perda de potência reativa e pode fazer com que o equipamento de proteção do relé se comporte mal ou se recuse a operar.

• função do sistemaMedição precisa, monitoramento em tempo real, alarme de limite excessivo, análise de dados e transmissão remota da corrente CC neutra, fornecendo uma base de tomada de decisão para avaliar o status de segurança dos transformadores e os distúrbios de CC na rede elétrica.

• valor técnicoDescrição: É um meio técnico importante para proteger a segurança de grandes transformadores de energia, manter a operação estável das redes de energia e lidar com desastres climáticos espaciais, como tempestades geomagnéticas.

I. Causas e perigos da polarização CC

Polarização de CC É a geração de um fluxo magnético CC constante no núcleo de ferro quando a corrente CC flui para os enrolamentos do transformador. Esse fluxo CC é sobreposto ao fluxo de excitação de frequência industrial CA, resultando em uma mudança de fluxo no núcleo em um ciclo de frequência industrial, com a metade positiva ou negativa do ciclo com maior probabilidade de entrar na região de saturação.

1. análise das principais causas:

• Corrente Geomagneticamente Induzida (GIC)Descrição: A atividade solar (por exemplo, erupções, ejeções de massa coronal) provoca mudanças drásticas no campo geomagnético, induzindo um campo elétrico na crosta terrestre, o que cria uma diferença de potencial de corrente quase direta (com um período de mudança de vários minutos a várias horas) em linhas de transmissão de alta tensão de longa distância e um loop de corrente através do fio de aterramento neutro do transformador.

• Sistemas de transmissão de corrente contínua de alta tensão (HVDC)No modo de operação do circuito de aterramento unipolar, o aterramento é usado como um loop de corrente. Parte da corrente CC pode fluir para o sistema CA por meio da grade de aterramento do neutro do transformador, afetando os transformadores vizinhos.

• Fontes de alimentação CC industriais e ferroviáriasCorrente de dispersão: Grandes eletrolisadores industriais, ferrovias eletrificadas ou sistemas de metrô urbano usam fonte de alimentação CC, e suas correntes de dispersão (Stray Current) podem se infiltrar na rede de energia CA por meio do sistema de aterramento.

2. principais mecanismos de risco:

• Saturação do núcleo e distorção da corrente de excitaçãoDescrição: Mesmo pequenas correntes CC (alguns amperes) são suficientes para saturar severamente o núcleo de um transformador grande. Isso resulta em um aumento acentuado na corrente de excitação e na geração de um grande número de componentes harmônicos de ordem uniforme (2º, 4º, etc.), que é a característica elétrica mais típica da polarização CC.

• Superaquecimento localizado de enrolamentos e componentes estruturaisNúcleos saturados levam a grandes quantidades de vazamento de fluxo magnético para áreas fora do núcleo, o que pode gerar perdas de corrente de Foucault em enrolamentos, grampos, paredes de tanques e outros componentes estruturais metálicos, desencadeando pontos quentes localizados que não podem ser detectados por meios de monitoramento convencionais e, em casos graves, podem levar a danos no isolamento.

• Aumento da vibração e do ruídoEfeito magnetostrictivo: O efeito magnetostrictivo é significativamente aumentado quando o núcleo de ferro está saturado e, devido à presença de componentes harmônicos, pode levar a um aumento anormal da vibração do corpo do transformador e do ruído operacional.

• Aumento da perda reativa e injeção de harmônicosCorrente de excitação distorcida: A corrente de excitação distorcida contém uma grande quantidade de componentes reativos, o que aumenta a perda de potência reativa do transformador. Ao mesmo tempo, um grande número de harmônicos é injetado na rede, poluindo a qualidade da energia.

• Ativação incorreta ou recusa de dispositivos de proteção de reléCorrente contínua neutra: A corrente contínua neutra pode saturar o núcleo de ferro do transformador de corrente (TC) usado para proteção, fazendo com que o lado secundário do TC não reflita com precisão a corrente real no lado primário, o que pode levar a uma avaliação incorreta ou ao mau funcionamento dos principais dispositivos de proteção, como a proteção diferencial.

II. composição do sistema e princípio de funcionamento

O sistema de monitoramento de CC do ponto neutro do transformador geralmente consiste em quatro partes: unidade de detecção front-end, unidade de aquisição e processamento de dados, unidade de comunicação e software mestre em segundo plano.

1. composição do sistema:

• Unidade de detecção de front-endO núcleo é um sensor de corrente CC de alta precisão. Como os TCs de indução eletromagnética convencionais não podem medir CC, é necessário usar umSensores de efeito Hall或Sensores de FluxgateEsse tipo de sensor determina a magnitude da corrente por meio da medição do campo magnético gerado pela corrente. Esses sensores determinam a magnitude da corrente por meio da medição do campo magnético gerado pela corrente e são capazes de medir com precisão os componentes CA e CC. Os sensores geralmente são projetados em uma configuração de extremidade aberta para facilitar a instalação sem interromper o fio terra.

• Unidade de aquisição e processamento de dadosUnidade de controle de convergência: Essa unidade é o coração do sistema e geralmente é instalada no campo em um gabinete de convergência ou caixa de terminais. Ela recebe os sinais analógicos dos sensores front-end e os digitaliza por meio de um conversor analógico-digital (A/D) de alta resolução. O microprocessador integrado de alto desempenho (MCU ou DSP) usa algoritmos de filtragem digital (por exemplo, filtragem passa-baixa ou transformação FFT) para separar e calcular com precisão os componentes CC e CA do sinal de corrente composto.

• unidade de comunicaçãoResponsável pela transmissão remota de dados processados (por exemplo, tamanho do componente CC, valor RMS CA, informações de alarme etc.) para o centro de monitoramento. Ele é compatível com os modos de comunicação sem fio de fibra óptica, Ethernet, RS-485 e 4G/5G e está em conformidade com a IEC 61850, IEC 104 e outros protocolos de comunicação de energia padrão.

• Software mestre de back-endSoftware mestre: implantado no servidor do centro de monitoramento, fornecendo uma interface gráfica do usuário (GUI). O software mestre é responsável por receber, armazenar e exibir dados de todos os pontos de monitoramento, fornecendo exibição de forma de onda em tempo real, consulta de dados históricos, análise de curva de tendência, gerenciamento de eventos de alarme e geração de relatórios.

2) Fluxo de trabalho:

O sensor de corrente CC aberto é montado no condutor de aterramento do neutro do transformador -> O sensor mede o sinal de corrente total que flui pelo condutor em tempo real -> O sinal é transmitido para a unidade de aquisição e processamento de dados -> A unidade de aquisição realiza amostragem de alta velocidade e conversão A/D -> O processador interno extrai o componente CC por meio de algoritmos de processamento de sinais digitais -> É feita uma comparação entre o valor CC calculado e o valor de alarme predefinido (por exemplo, valor de advertência ou de alarme) -> Se o limite for excedido, um evento de alarme é gerado e uma saída de alarme local (por exemplo, contato de relé) é acionada -> Os dados e as informações de alarme são carregados para a estação principal back-end por meio da unidade de comunicação regularmente ou quando acionados. Compare o valor de CC calculado com o valor de alarme predefinido (por exemplo, valor de advertência, valor de alarme) -> Se o limite for excedido, um evento de alarme será gerado imediatamente e acionará a saída de alarme local (por exemplo, contato de relé) -> Faça upload dos dados e das informações de alarme para a estação mestra de back-end por meio da unidade de comunicação em intervalos regulares ou no momento do acionamento do evento.

III Tabela de funções principais e parâmetros técnicos

Perguntas frequentes (FAQ)

1) Por que não posso usar um TC comum como proteção para medir a CC neutra?
Os TCs comuns funcionam com base na lei de Faraday de indução eletromagnética, que se baseia no princípio de que um fluxo magnético variável induz uma corrente no enrolamento secundário. A corrente CC produz um campo magnético constante e não pode induzir uma corrente no enrolamento secundário, portanto, os TCs comuns são “cegos” para o componente CC. Além disso, a corrente CC satura o núcleo do TC, afetando sua capacidade de medir com precisão o componente CA.

2) Qual é a corrente CC típica que pode fluir pelo ponto neutro de um transformador?
Não há um padrão internacional único para isso, e geralmente depende do projeto do transformador, de sua capacidade e do material do núcleo. Em geral, é amplamente reconhecido no setor de energia que, para grandes transformadores de potência, as correntes CC de alguns amperes (por exemplo, 3-5A) podem causar efeitos significativos de polarização CC, e até 10A ou mais podem representar uma séria ameaça. Por esse motivo, os valores de alarme para sistemas de monitoramento geralmente são definidos em níveis de amperes de um dígito.

3) Qual é a diferença entre esse sistema e o monitoramento da corrente de sequência zero/gap de proteção do neutro do transformador?
O objeto e a finalidade do monitoramento são completamente diferentes. A corrente de proteção de sequência zero/gap é monitorada peloCorrente de sequência zero CA industrialEle é usado para avaliar a falha de aterramento do sistema ou a falha de aterramento monofásica dentro do transformador. E esse sistema é especializado no monitoramento deComponente CC ou quase CCA ameaça de polarização de CC ao corpo do transformador causada por fontes externas de CC (por exemplo, GIC, HVDC) é usada como uma defesa contra a polarização de CC. Os dois são fundamentalmente diferentes em termos de tipos de sensores, algoritmos de processamento de sinais e cenários de aplicação.

4) Todos os grandes transformadores exigem esse sistema?
Nem todos os transformadores estão igualmente em risco. A maior prioridade para a implantação do sistema é dada aos transformadores nas seguintes áreas: altas latitudes (alto risco de GIC), perto de estações conversoras de transmissão UHV DC e em subestações centrais próximas a linhas ferroviárias urbanas ou grandes instalações industriais que usam DC. A instalação do sistema é uma medida preventiva importante para garantir a operação segura de transformadores de grande capacidade de ultra-alta e extra-alta tensão nessas áreas.