تحويلة التأريض الحماية: أسباب الخطأ في التشغيل ووسائل مواجهتها في محطات 110 كيلوفولت

في نظام الطاقة في الصين، تتبنى الشبكات ذات الجهد 6 كيلوفولت و10 كيلوفولت و35 كيلوفولت عادةً طريقة التشغيل غير المتصلة بالأرض. الجانب الموزع للجهد من المحول الرئيسي في الشبكة يتصل عادة بطريقة دلتا، مما لا يوفر نقطة مركزية لتوصيل مقاومة التأريض.

عند حدوث عطل أرضي لفاز واحد في نظام غير متصل بالأرض، تبقى مثلث الجهد بين الخطوط متناظرة، مما يسبب تأثيرًا ضئيلًا على عمليات المستخدم. بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون التيار السعوي صغيرًا نسبيًا (أقل من 10 أمبير)، يمكن أن تنطفئ بعض العطل الأرضية المؤقتة بنفسها، مما يكون فعالًا للغاية في تحسين موثوقية التزويد بالطاقة وتقليل حوادث انقطاع الكهرباء.

ومع ذلك، مع الاستمرار في توسع وتطوير الصناعة الكهربائية، لم تعد هذه الطريقة البسيطة تلبي الاحتياجات الحالية. في شبكات الطاقة الحضرية الحديثة، أدت زيادة استخدام الدوائر الكابلية إلى زيادة كبيرة في التيار السعوي (يزيد عن 10 أمبير). تحت هذه الظروف، لا يمكن إطفاء القوس الأرضي بشكل موثوق، مما يؤدي إلى النتائج التالية:

• انطفاء واعادة الاشتعال المتقطع للقوس الأرضي للفاز الواحد يولد جهودًا زائدة للأرض بحجم يصل إلى 4U (حيث U هو الجهد الفازي الأقصى) أو أعلى، وتستمر لفترات طويلة. هذا يشكل تهديدًا خطيرًا لعزل المعدات الكهربائية، وقد يؤدي إلى الانهيار في نقاط العزل الضعيفة ويسبب خسائر كبيرة.

• الأقواس المستمرة تؤدي إلى تأيين الهواء، مما يقلل من عزل الهواء المحيط ويجعل قصر الدائرة بين الفازين أكثر احتمالية.

• قد تحدث جهود زائدة بسبب الترنين المغناطيسي، مما يمكن أن يضر محولات الجهد (PTs) ومكابح البرق، وفي الحالات الشديدة، قد يؤدي إلى انفجار المكابح. هذه النتائج تشكل تهديدًا خطيرًا لعزل معدات الشبكة وتهدد التشغيل الآمن لنظام الطاقة.

للوقاية من هذه الحوادث وتوفير تيار وأجراء صفرية كافيين لتشغيل حماية العطل الأرضية بشكل موثوق، يجب إنشاء نقطة مركزية اصطناعية حتى يمكن توصيل مقاومة التأريض. لمواجهة هذا الحاجة، تم تطوير محولات التأريض (وتسمى عادة "وحدات التأريض"). تقوم محولة التأريض بإنشاء نقطة مركزية اصطناعية مع مقاومة تأريض، عادة ما تكون ذات قيمة مقاومة منخفضة جدًا (عادة أقل من 5 أوم).

بالإضافة إلى ذلك، بسبب خصائصها الكهرومغناطيسية، تقدم محولة التأريض عائقًا كبيرًا للتوااليات الموجبة والسالبة، مما يسمح فقط بمرور تيار تشغيل صغير عبر ملفاتها. على كل ساق من النواة، يتم لف قسمين من الملفات في الاتجاهين المعاكسين. عندما يتدفق تيارات صفرية متساوية عبر هذه الملفات على نفس ساق النواة، فإنها تقدم عائقًا منخفضًا، مما يؤدي إلى انخفاض ضئيل في الجهد عبر الملفات تحت ظروف التوااليات الصفرية.

خلال العطل الأرضي، يتدفق التوااليات الموجبة والسالبة والصفرية عبر الملفات. يقدم الملف عائقًا كبيرًا للتوااليات الموجبة والسالبة، ولكن بالنسبة للتوااليات الصفرية، يتم توصيل الملفين على نفس المرحلة بالتسلسل وبقطبية معاكسة. قوى الدفع الكهروستاتيكية التي يولدها هذان الملفان متساوية في الحجم ولكنها معاكسة في الاتجاه، مما يؤدي إلى إلغاء بعضهما البعض بشكل فعال، وبالتالي تقديم عائق منخفض.

في العديد من التطبيقات، تستخدم محولات التأريض فقط لتوفير نقطة مركزية مع مقاومة تأريض صغيرة ولا تزود بأي حمل؛ لذلك، تم تصميم العديد من محولات التأريض بدون ملف ثانوي. أثناء التشغيل الطبيعي للشبكة، تعمل محولة التأريض بشكل أساسي في حالة عدم الحمل. ومع ذلك، خلال العطل، تحمل تيار العطل لمدة قصيرة فقط.

في نظام ذو نقطة مركزية متصلة بالأرض بمقاومة منخفضة، عند حدوث عطل أرضي لفاز واحد، يقوم الحماية الصفرية الحساسة جدًا بتحديد العازل المعيب وعزله مؤقتًا بسرعة. تكون محولة التأريض نشطة فقط خلال الفترة القصيرة بين حدوث العطل الأرضي وتشغيل الحماية الصفرية لإزالة العطل. خلال هذا الوقت، يتدفق التيار الصفرية عبر مقاومة التأريض المركزية ومحولة التأريض، حيث يتم تعريفه بـ

حيث U هو جهد المرحلة لنظام، R1 هي مقاومة التأريض المركزية، وR2 هي المقاومة الإضافية في دائرة العطل الأرضي.

بناءً على التحليل أعلاه، فإن خصائص التشغيل لمحولات التأريض هي: التشغيل طويل الأمد بدون حمل مع قدرة على الحمل الزائد لفترة قصيرة.

باختصار، تقوم محولة التأريض بإنشاء نقطة مركزية اصطناعية لتوصيل مقاومة التأريض. خلال العطل الأرضي، تقدم عائقًا كبيرًا للتوااليات الموجبة والسالبة ولكن عائقًا منخفضًا للتوااليات الصفرية، مما يمكّن من تشغيل حماية العطل الأرضية بشكل موثوق.

حالياً، تُستخدم محولات التأريض المثبتة في محطات التحويل لأغراضين:

• تقديم طاقة تيار متردد منخفضة الجهد للاستخدامات المساعدة في محطة التحويل؛

• إنشاء نقطة مركزية اصطناعية على الجانب 10 كيلوفولت، والتي - عند الجمع مع ملتف القمع - تعوض عن التيار السعوي للأرض خلال عطل أرضي لفاز واحد بـ 10 كيلوفولت، مما ينطفئ القوس في نقطة العطل. المبدأ هو كالتالي:

على طول طول خطوط النقل في شبكة الطاقة ثلاثية الأطوار، توجد سعات بين الأطوار وبين كل طور والأرض. عندما تكون نقطة الوسط للشبكة غير متصلة بالأرض بشكل صلب، تصبح السعة الأرضية للطور المعطوب صفرًا خلال عطل أرضي لفاز واحد، بينما يرتفع جهد الأرض للطورين الآخرين إلى √3 مرة الجهد الفازي الطبيعي. رغم أن هذا الجهد المتزايد لا يتجاوز قوة العزل المصممة للأمان، فإنه يزيد من سعتيهما الأرضية.

يكون تيار العطل الأرضي السعوي خلال عطل أحادي الطور تقريباً ثلاثة أضعاف التيار السعوي الطبيعي لكل طور. عندما يكون هذا التيار كبيراً، فإنه يسبب بسهولة قوساً كهربائياً متقطعاً، مما يؤدي إلى زيادة الجهد في دارة الرنين LC المتكونة من الحث الشبكي والسعة، مع مقدار يصل إلى 2.5 إلى 3 أضعاف جهد الطور. كلما ارتفع جهد الشبكة، زاد الخطر الناتج عن هذه الزيادات في الجهد. لذا، يمكن أن تعمل الأنظمة التي تكون أقل من 60 كيلو فولت بنقطة محايدة غير مترابطة، حيث تكون تيارات العطل الأرضي السعوية للأحادي الطور نسبياً صغيرة. بالنسبة للمستويات الأعلى للجهد، يجب استخدام محول تأريض لتوصيل نقطة المحايد عبر مقاومة بالأرض.

عندما يتم توصيل الجانب 10 كيلو فولت من محول محطة التحويل الرئيسي بشكل مثلث أو نجمة بدون نقطة محايد، وتيار العطل الأرضي السعوي للأحادي الطور كبير، يكون هناك حاجة إلى محول تأريض لإنشاء نقطة محايد صناعية، مما يمكّن من توصيل ملف القمع. وهذا يشكل نظام تأريض صناعي لنقطة المحايد - وهو الوظيفة الرئيسية لمحول التأريض. أثناء التشغيل العادي، يتحمل محول التأريض جهد الشبكة المتوازن ويحمل فقط تيار تشغيل صغير (حالة عدم الحمل).

الفرق الكهربائي بين نقطة المحايد والأرض هو صفر (مع إهمال الجهد الصغير للإزاحة الناتج عن ملف القمع)، ولا يتدفق أي تيار عبر ملف القمع. إذا حدث قصر كهربائي بين الطور C والأرض، يتدفق الجهد الصفر الناتج عن عدم التناظر الثلاثي الفاز عبر ملف القمع إلى الأرض. كما هو الحال مع ملف القمع نفسه، يتعوض التيار الحثي المستحث عن تيار العطل الأرضي السعوي، مما يزيل القوس الكهربائي عند نقطة العطل.

في السنوات الأخيرة، حدثت العديد من الأخطاء في حماية محول التأريض في محطات التحويل 110 كيلو فولت في منطقة معينة، مما أثر بشدة على استقرار الشبكة. تم إجراء تحليلات لتحديد أسباب هذه الأخطاء وتوفير الإجراءات المناسبة لمنع تكرارها وتقديم مرجعية للمناطق الأخرى.

حالياً، تستخدم خطوط التغذية 10 كيلو فولت في محطات التحويل 110 كيلو فولت بشكل متزايد الكابلات كخطوط خروج، مما يزيد بشكل كبير من تيار العطل الأرضي السعوي للأحادي الطور في النظام 10 كيلو فولت. لقمع مقدار الزيادات في الجهد خلال أعطال الأرض الأحادية الطور، بدأت محطات التحويل 110 كيلو فولت في تركيب محولات تأريض لتنفيذ مخطط تأريض ذات مقاومة منخفضة، مما ينشئ مساراً للتيار الصفر. هذا يسمح بحماية تيار الصفر الاختيارية لعزل أعطال الأرض بناءً على موقع العطل، مما يمنع إعادة إشعال القوس الكهربائي والزيادات في الجهد، وبالتالي ضمان تزويد آمن للشبكة بالطاقة.

منذ عام 2008، قامت شبكة منطقة معينة بتحويل أنظمة 10 كيلو فولت في محطات التحويل 110 كيلو فولت إلى تأريض ذات مقاومة منخفضة عن طريق تركيب محولات تأريض وأجهزة حماية مرتبطة. هذا سمح بعزل سريع لأي عطل أرضي في خط التغذية 10 كيلو فولت، مما يقلل من تأثير الشبكة. ومع ذلك، مؤخراً، خمس محطات تحويل 110 كيلو فولت في المنطقة تعرضت لعمليات تكرارية للأخطاء في حماية محول التأريض، مما أدى إلى انقطاع محطات التحويل وتعطيل استقرار الشبكة بشدة. لذا، فإن تحديد الأسباب وتنفيذ الإجراءات التصحيحية أمر ضروري لضمان أمان الشبكة المحلية.

1. تحليل أسباب الأخطاء في حماية محول التأريض

عند حدوث عطل قصير أرضي في خط التغذية 10 كيلو فولت، يجب أن تعمل حماية التيار الصفر على الخط المعطوب في محطة التحويل 110 كيلو فولت أولاً لعزل العطل. إذا لم يتم ذلك بشكل صحيح، ستقوم حماية التيار الصفر في محول التأريض بدور الاحتياطي، مما يؤدي إلى قطع دائرة التغذية الرئيسية وفصل الجانبين من المحول الرئيسي لعزل العطل. لذا، فإن التشغيل الصحيح لحماية خط التغذية 10 كيلو فولت والمفاتيح هو أمر حاسم لسلامة الشبكة. تظهر التحليلات الإحصائية للأخطاء في خمس محطات تحويل 110 كيلو فولت أن السبب الرئيسي هو فشل خطوط التغذية 10 كيلو فولت في إزالة أعطال الأرض بشكل صحيح.

مبدأ حماية التيار الصفر لخط التغذية 10 كيلو فولت:

أخذ عينات CT الصفر → تفعيل حماية الخط → فصل المفتاح.
من هذا المبدأ، يعتبر CT الصفر وماسح الحماية والمفتاح هي المكونات الرئيسية للتشغيل الصحيح. يحلل ما يلي أسباب الأخطاء من هذه الجوانب:

1.1 خطأ CT الصفر يتسبب في أخطاء حماية محول التأريض.
خلال عطل أرضي في خط التغذية 10 كيلو فولت، يكتشف CT الصفر في الخط المعطوب تيار العطل، مما يؤدي إلى تفعيل حمايته لعزل العطل. في الوقت نفسه، يشعر CT الصفر في محول التأريض أيضاً بتيار العطل ويبدأ الحماية. لضمان الاختيارية، يتم ضبط حماية التيار الصفر لخط التغذية 10 كيلو فولت بأقل تيار وزمن من حماية محول التأريض. الإعدادات الحالية: محول التأريض - 75 أمبير أولي، 1.5 ثانية لفصل دائرة التغذية 10 كيلو فولت، 1.8 ثانية لحظر التحويل التلقائي 10 كيلو فولت، 2.0 ثانية لفصل الجانب المنخفض من المحول، 2.5 ثانية لفصل الجانبين؛ خط التغذية 10 كيلو فولت - 60 أمبير أولي، 1.0 ثانية لفصل المفتاح.

ومع ذلك، فإن أخطاء CT لا مفر منها. إذا كان لدى CT محول التأريض خطأ -10٪ ولدى CT الخط خطأ +10٪، فإن التيار الفعلي للعمل يصبح 67.5 أمبير و 66 أمبير - تقريباً متساوي. مع الاعتماد فقط على التدرج الزمني، يمكن أن يتسبب عطل أرضي في خط التغذية 10 كيلو فولت بسهولة في تفعيل حماية التيار الصفر الزائد لمحول التأريض مبكراً.

1.2 التأريض الخاطئ للدرع الكابل يتسبب في الأخطاء.
تستخدم محطات التحويل 110 كيلو فولت دروع كابلات مثبتة على كلا الطرفين - وهي ممارسة شائعة لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي. CTs الصفر هي نوع حلقي مثبت حول الكابلات عند نقاط الخروج من لوحة التوزيع. أثناء أعطال الأرض، تؤدي التيارات غير المتوازنة إلى إشارات في CT لتفعيل الحماية. ومع ذلك، مع تأريض الدرع على كلا الطرفين، تمر التيارات المستحثة في الدرع عبر CT الصفر، مما يخلق إشارات خاطئة. دون تخفيف مناسب، هذا يؤثر على دقة حماية التيار الصفر لخط التغذية، مما يؤدي إلى تفعيل حماية محول التأريض الاحتياطية.

1.3 فشل حماية خط التغذية 10 كيلو فولت يتسبب في الأخطاء.

تقدم الأجهزة الحديثة المعتمدة على المعالجات الدقيقة أداءً أفضل، ولكن تبقى مشكلات جودة الشركات المصنعة وسوء التبريد. تظهر إحصائيات الأعطال أن وحدات التغذية، وألواح الاستشعار، وألواح CPU، وألواح الإخراج في حماية خطوط التغذية 10 كيلو فولت هي الأكثر عرضة للعطل. الأعطال غير المكتشفة يمكن أن تتسبب في رفض الحماية، مما يؤدي إلى تفعيل حماية محول التأريض بشكل خاطئ.

1.4 فشل مفتاح التغذية بجهد 10 كيلوفولت مما يؤدي إلى التشغيل الخاطئ.
مع التقدم في العمر والعمليات المتكررة أو مشاكل الجودة الداخلية، تزداد حالات فشل لوحة التوزيع ذات الجهد 10 كيلوفولت - خاصة في الدائرة الكهربائية للتحكم. في المناطق الجبلية الأقل تطوراً، لا تزال لوحات GG-1A القديمة قيد الاستخدام مع معدلات أعطال التسرب الأرضي الأعلى. حتى وإن كانت حماية التسلسل الصفر تعمل بشكل صحيح، فإن فشل المفتاح (مثل احتراق ملف الإطفاء مما يمنع العمل) يؤدي إلى تشغيل المحول الأرضي خاطئًا.

1.5 أعطال التسرب الأرضي ذات المقاومة العالية على خطين من التغذية بجهد 10 كيلوفولت (أو عطل أحادي شديد المقاومة العالية) مما يؤدي إلى التشغيل الخاطئ.
عندما يتعرض خطان للتغذية لأعطال تسرب أرضي ذات المقاومة العالية بنفس الطور، قد تبقى التيارات التسلسل الصفرية تحت حد الفصل البالغ 60 أمبير (مثلاً 40 أمبير و 50 أمبير)، وبالتالي تقوم حماية الخطوط فقط بإصدار إنذار. ولكن التيار المجموع (90 أمبير) يتجاوز الضبط البالغ 75 أمبير للمحول الأرضي، مما يؤدي إلى الفصل المبكر. بالنسبة للخطوط التغذية ذات الجهد 10 كيلوفولت والمكونة بالكامل من الكابلات، يمكن أن يصل التيار السعة الطبيعي إلى 12-15 أمبير. وحتى العطل الشديد ذو المقاومة العالية الواحد (مثلاً 58 أمبير) بالإضافة إلى التيار السعة الطبيعي يقترب من 75 أمبير. قد يؤدي الاهتزازات النظامية بسهولة إلى تشغيل المحول الأرضي خاطئًا.

2. إجراءات لمنع التشغيل الخاطئ لحماية المحول الأرضي

بناءً على التحليل السابق، يُوصى بالإجراءات التالية:

2.1 لمنع التشغيل الخاطئ الناجم عن خطأ محول التيار
استخدم محولات التيار التسلسل الصفرية عالية الجودة؛ اختبر صفات محول التيار بدقة قبل التركيب ورفض أي منها بهامش خطأ أكبر من 5٪؛ ضبط قيم التقاط الحماية بناءً على التيار الأولي؛ تحقق من الإعدادات بواسطة اختبار الحقن الأولي.

2.2 لمنع التأريض الخاطئ للدرع الكابل

• يجب أن يمر سلك تأريض الدرع عبر محول التيار التسلسل الصفر ويكون معزولاً عن أرفف الكابلات. لا يجب أن يحدث تأريض قبل مروره عبر محول التيار. كشف الأطراف المعدنية لاختبار الحقن الأولي؛ عزل باقي الجزء بشكل موثوق.

• إذا كان نقطة تأريض الدرع أسفل محول التيار، فلا يجب أن يمر الموصل عبر محول التيار. تجنب توجيه موصل تأريض الدرع عبر الوسط في محول التيار.

• تعزيز التدريب الفني بحيث يتمكن فرق الحماية والتتابع والكابلات من فهم طرق تركيب محول التيار وتأريض الدرع بشكل كامل.

• تعزيز إجراءات القبول مع عمليات تفتيش مشتركة بين فرق الحماية والتتابع والتشغيل والكابلات.

2.3 لمنع فشل حماية الخط
اختر أجهزة حماية ثابتة ومعتمدة؛ استبدل الوحدات القديمة أو التي تتعرض للأعطال بشكل متكرر؛ تعزيز الصيانة؛ تثبيت تكييف الهواء والتهوية لمنع التشغيل عند درجات حرارة عالية.

2.4 لمنع فشل مفتاح الخط
استخدم لوحات توزيع موثوقة وناضجة؛ استبعاد خزانات GG-1A القديمة واستبدالها بأنواع مغلقة ومزودة بشحن ربيع أو كهربائي؛ صيانة الدائرة الكهربائية للتحكم؛ استخدام ملفات الإطفاء عالية الجودة.

2.5 لمنع التشغيل الخاطئ بسبب العطل ذات المقاومة العالية
قم بجولة فورية وإصلاح الخطوط عند استلام إنذار التسلسل الصفر؛ تقليل أطوال الخطوط؛ توازن الأحمال الطورية لتقليل التيار السعة الطبيعي.

3. الخاتمة

مع زيادة تركيب المحولات الأرضية وأنظمة الحماية المرتبطة بها في شبكات المنطقة لتحسين البنية والاستقرار، تبرز حوادث التشغيل الخاطئ المتكررة الحاجة إلى معالجة الآثار السلبية. تحلل هذه الورقة الأسباب الرئيسية لتشغيل حماية المحول الأرضي الخاطئ وتقترح إجراءات مضادة، مما يوفر توجيهًا للمناطق التي قدمت أو تنوي تقديم مثل هذه الأنظمة.