Трансформатор за заземляване: Причини за неправилно действие и мерки за противодействие в подстанции от 110 кВ
В електропроводната система на Китай, мрежите от 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ обикновено използват режим на работа с неизолирана нейтрална точка. Стороната на разпределителното напрежение на главния трансформатор в мрежата обикновено е свързана в триъгълна конфигурация, което не предоставя нейтрална точка за свързване на резистор за заземляване.
Когато в системата с неизолирана нейтрална точка се появи единичен фазов пробив до земята, триъгълникът на напреженията между фазите остава симетричен, което има минимално влияние върху операциите на потребителите. Освен това, когато щепящият ток е относително малък (по-малък от 10 А), някои преходни пробиви до земята могат да се самозагасят, което е много ефективно за подобряване на надеждността на доставката на електроенергия и намаляване на случаите на прекъсване на тока.
Однако, с постоянното разширяване и развитие на електроенергийната индустрия, този прост метод вече не отговаря на текущите потребности. В съвременните градски електрически мрежи, увеличено използване на кабелни цепи води до значително по-големи щепящи токове (над 10 А). Под такива условия, дъговият пробив до земята не може надеждно да се загаси, което води до следните резултати:
Прекъснато угасяване и повторно възпламеняване на единичния фазов дъгов пробив до земята генерира превишения на напрежението при дъгов пробив до земята с амплитуда, достигаща до 4U (където U е пиковото фазово напрежение) или дори повече, продължаващи за дълго време. Това представлява сериозна заплаха за изолацията на електрическото оборудване, потенциално причиняващо пробиви в слаби точки на изолацията и довежда до големи загуби.
Постоянната дъга причинява йонизация на въздуха, влошавайки изолацията на околната среда и правейки вероятни фазови краткосрочни замыкания.
Може да се появят ферорезонансни превишения на напрежението, които лесно могат да повредят потенциални трансформатори (PTs) и предпазващи устройства, и в тежки случаи, дори да доведат до експлозии на предпазващите устройства. Тези последствия сериозно застрашават изолацията на оборудването в мрежата и опасността за безопасната работа на електроенергийната система.
За да се предотвратят гореспоменатите аварии и да се осигурят достатъчни нулеви последователни ток и напрежение за надеждна работа на защитата при пробив до земята, трябва да се създаде изкуствена нейтрална точка, за да се свърже резистор за заземляване. За да бъде удовлетворена тази нужда, бяха разработени заземящи трансформатори (обикновено наричани "заземящи единици"). Заземящият трансформатор изкуствено създава нейтрална точка с резистор за заземляване, обикновено с много ниска стойност на съпротивлението (обикновено по-малка от 5 ома).
Освен това, поради своите електромагнитни характеристики, заземящият трансформатор представлява високо импеданс за положителни и отрицателни последователни токове, позволявайки само малък ток на възбуда да протече през своите виткове. На всеки ядрен пръст са намотени две секции виткове в противоположни посоки. Когато равни нулеви последователни токове протичат през тези виткове върху същия ядрен пръст, те представляват ниско импеданс, което води до минимално падане на напрежението върху витковете при нулеви последователни условия.
По време на пробив до земята, положителни, отрицателни и нулеви последователни токове протичат през витковете. Витките представляват високо импеданс за положителни и отрицателни последователни токове, но за нулевия последователен ток, двата витка върху същата фаза са свързани поредно с противоположна полярност. Их индуцирани електродвижущи сили са равни по големина, но обратни по посока, което ги компенсира ефективно, представяйки ниско импеданс.
В много приложения, заземящите трансформатори се използват единствено за осигуряване на нейтрална точка с малък резистор за заземляване и не доставят никаква нагрузка; затова много заземящи трансформатори са проектирани без вторичен витка. По време на нормалната работа на мрежата, заземящият трансформатор работи основно в безнагрузково състояние. Но по време на авария, той носи аварийен ток само за кратко време.
В системата с ниско съпротивление на нейтралната точка, когато се появи единичен фазов пробив до земята, високочувствителната нулева последователна защита бързо разпознава и временна изолира дефектната линия. Заземящият трансформатор е активен само за кратък интервал между появата на пробива до земята и действие на нулевата последователна защита за изчистване на пробива. По време на този период, нулевият последователен ток протича през нейтралния резистор за заземляване и заземящия трансформатор, зададен чрез
където U е фазовото напрежение на системата, R1 е нейтралния резистор за заземляване, а R2 е допълнителното съпротивление в контура на пробива до земята.
На базата на горния анализ, операционните характеристики на заземящите трансформатори са: дълготрайна работа без нагузка с краткосрочна способност за перегрузка.
Обобщавайки, заземящият трансформатор изкуствено създава нейтрална точка за свързване на резистор за заземляване. По време на пробив до земята, той представлява високо импеданс за положителни и отрицателни последователни токове, но ниско импеданс за нулевия последователен ток, позволявайки надеждна работа на защитата при пробив до земята.
В момента, заземящите трансформатори, инсталирани в трансформаторни станции, служат за две цели:
Доставяне на нисковолтово алтернативно напрежение за въспомогателно използване в трансформаторната станция;
Създаване на изкуствена нейтрална точка на страната от 10 кВ, която - когато е комбинирана с дугови подавателни катушки - компенсира капацитивния пробивен ток до земята при единичен фазов пробив до земята на 10 кВ, което довежда до угасяване на дъгата в местонахождението на пробива. Принципът е следния:
Във всичкия протежение на трите фази в електрическата мрежа, съществуват капацитивности между фазите и между всяка фаза и земята. Когато нейтралната точка на мрежата не е заземена, капацитивността между фазата и земята на дефектната фаза става нула при единичен фазов пробив до земята, докато фазовите напрежения между другите две фази и земята се увеличават до √3 пъти нормалното фазово напрежение. Въпреки че това увеличено напрежение не надхвърля проектната изолационна сила за безопасност, то увеличава техните капацитивности между фазата и земята.
Емпиритеската тока при еднофазен дефект е приблизително три пъти по-голяма от нормалната емпиритеска тока на фаза. Когато тази тока е голяма, лесно причинява преривни дъги, водещи до надвoltage в LC резонансния контур, образуван от индуктивността и емпиритескостта на мрежата, с амплитуда, достигаща 2,5 до 3 пъти фазното напрежение. Колкото по-високо е мрежовото напрежение, толкова по-голям е рискът от такива наднапрежения. Следователно само системи под 60 кВ могат да работят с неизолиран нулев проводник, тъй като еднофазните емпиритески токове при земен дефект са относително малки. За по-високи напрежения трябва да се използва трансформатор за изолация, за да се свърже нулевият проводник чрез импеданс към земята.
Когато 10 кВ страната на главния трансформатор на подстанцията е свързана в триъгълник или звезда без нулев проводник, и еднофазната емпиритеска тока при земен дефект е голяма, е необходим трансформатор за изолация, за да се създаде изкуствен нулев проводник, позволяващ свързване към дугови затихващи катушки. Това формира изкуствена система за изолация на нулевия проводник - основната функция на трансформатора за изолация. По време на нормална работа трансформаторът за изолация издържа балансирано мрежово напрежение и носи само малка възбудителна тока (при празна нагрузка).
Разликата в потенциала между нулевия проводник и земята е нула (игнорирайки малкото разместване на нулевия проводник от дуговата затихваща катушка) и няма тока, който протича през дуговата затихваща катушка. Ако се предположи, че се случи краткосрочно замикване на фаза C към земята, нулевата последователност на напрежението, резултираща от трифазна асиметрия, протича през дуговата затихваща катушка към земята. Както самата дугова затихваща катушка, индуцираната индуктивна тока компенсира емпиритеската тока при земен дефект, елиминирайки дъгата в точката на дефекта.
През последните години в определен регион са се случили многобройни грешки в защитата на трансформаторите за изолация в 110 кВ подстанции, което сериозно влияе на стабилността на мрежата. За идентифициране на кореновите причини са проведени анализи на причините за тези грешки, и са предприети съответни мерки, за да се предотврати повторното им съществуване и да се предостави референция за други региони.
В момента 10 кВ изходящите линии в 110 кВ подстанциите все повече използват кабели, което значително увеличава еднофазната емпиритеска тока при земен дефект в 10 кВ системата. За потискане на амплитудата на наднапреженията при еднофазни земни дефекти, 110 кВ подстанциите започват да инсталират трансформатори за изолация, за да реализират схема за изолация с ниско съпротивление, създавайки път за нулева последователност на тока. Това позволява селективна защита на нулева последователност да изолира земни дефекти в зависимост от местоположението на дефекта, предотвратявайки повторното възгаряне на дъга и наднапрежението, осигурявайки безопасно доставяне на енергия към оборудването на мрежата.
От 2008 година определена регионална мрежа модернизира 10 кВ системите на 110 кВ подстанции до изолация с ниско съпротивление чрез инсталиране на трансформатори за изолация и съответстващи защитни устройства. Това позволи бързо изолиране на всеки 10 кВ изходящ земен дефект, минимизирайки влиянието върху мрежата. Въпреки това, наскоро пет 110 кВ подстанции в региона преживяха многократни грешки в защитата на трансформаторите за изолация, причинявайки прекъсвания на подстанциите и сериозно нарушавайки стабилността на мрежата. Следователно, идентифицирането на причините и прилагането на коригиращи мерки е необходимо за поддържане на регионалната сигурност на мрежата.
1. Анализ на причините за грешки в защитата на трансформаторите за изолация
Когато 10 кВ изходящата линия преживее земен краткосрочен дефект, защитата на нулева последователност на дефектната изходяща линия в 110 кВ подстанцията трябва първо да се активира, за да изолира дефекта. Ако тя не успее правилно, защитата на нулева последователност на трансформатора за изолация ще действа като резерв, изключвайки контактната ключка на шината и двете страни на главния трансформатор, за да изолира дефекта. Така, правилната работа на защитата и ключките на 10 кВ изходящите линии е критична за безопасността на мрежата. Статистическият анализ на грешки в пет 110 кВ подстанции показва, че основната причина е невъзможността на 10 кВ изходящите линии да изчистват правилно земни дефекти.
Принцип на защитата на нулева последователност на 10 кВ изходящите линии:
Намеряване на нулева последователност CT → активиране на защитата на изходящата линия → изключване на ключката.
От този принцип, нулевата последователност CT, релето на защитата на изходящата линия и ключката са ключови компоненти за правилната работа. Настоящият анализ на причините за грешки от тези аспекти:
1.1 Грешка на нулева последователност CT, причиняваща грешка в защитата на трансформатора за изолация.
По време на земен дефект на 10 кВ изходящата линия, нулевата последователност CT на дефектната изходяща линия детектира дефектната тока, активирайки защитата, за да изолира дефекта. Едновременно, нулевата последователност CT на трансформатора за изолация също усеща дефектната тока и стартира защитата. За да се осигури селективност, защитата на нулева последователност на 10 кВ изходящите линии е зададена с по-ниски токови и по-кратки времеви настройки от защитата на трансформатора за изолация. Настройки на тока: трансформатор за изолация - 75 A первично, 1,5 с за изключване на 10 кВ контактна ключка, 1,8 с за блокиране на автоматичната прехвърляща схема на 10 кВ, 2,0 с за изключване на нисковолтната страна на трансформатора, 2,5 с за изключване на двете страни; 10 кВ изходяща линия - 60 A первично, 1,0 с за изключване на ключката.
Въпреки това, грешките на CT са неизбежни. Ако трансформаторът за изолация CT има грешка -10% и изходящата линия CT има грешка +10%, реалните операционни токове стават 67,5 A и 66 A - почти равни. Разчитайки единствено на временна градация, земен дефект на 10 кВ изходящата линия лесно може да причини защитата на нулева последователност на трансформатора за изолация да се активира предварително.
1.2 Неправилно заземяване на кабелна обвивка, причиняващо грешка.
110 кВ подстанции 10 кВ изходящи линии използват кабели с обвивка, заземени на двете страни - общо практикувано средство за намаляване на EMI. Нулевата последователност CT са торовидни типове, инсталирани около кабелите на изходящите терминали на контакторите. По време на земни дефекти, несбалансираните токове индуцират сигнали в CT, за да активират защитата. Въпреки това, с двустранно заземяване на обвивката, индуцираните токове в обвивката също минават през нулевата последователност CT, създавайки лъжливи сигнали. Без правилно намаляване, това влошава точността на защитата на нулева последователност на изходящите линии, довеждайки до резервен активации на защитата на трансформатора за изолация.
1.3 Неуспешна защита на 10 кВ изходящите линии, причиняваща грешка.
Съвременните микропроцесорни реле предлагат подобрена производителност, но качеството на производителите и слабата дисипация на топлина остават проблеми. Статистиката на дефекти показва, че модулите за захранване, платите за пробиране, CPU платите и модулите за изключване на 10 кВ изходящите линии са най-уязвими за дефекти. Незабелязаните дефекти могат да причинят отказ на защитата, активирайки грешка в защитата на трансформатора за изолация.
1.4 Повреда на автомат за хранене на 10 кВ, водеща до неправилно действие.
С увеличаването на възрастта, честите операции или вродените качествени проблеми, повредите на апаратурата за 10 кВ – особено в управляващите контури – се увеличават. В по-малко развитите планински райони, старата апаратура GG-1A все още е в употреба с по-високи стойности на повреди при заминаване на земята. Дори и нулевата последователностна защита да работи правилно, повредата на автомата (например изгоряла обмотка за отключване, предотвратяваща действието) води до неправилно действие на трансформатора за заминаване на земята.
1.5 Високопречни повреди при две хранящи линии на 10 кВ (или сериозна единична високопречна повреда), водещи до неправилно действие.
Когато две хранящи линии изпитват високопречни повреди на един и същ фаз, индивидуалните нулеви последователностни токове могат да останат под прага за отключване от 60 А (например 40 А и 50 А), така че защитите на хранящите линии само алармират. Но сумиращият ток (90 А) надхвърля установката на 75 А за трансформатора за заминаване на земята, което води до премature отключване. При хранящи линии на 10 кВ, изградени само с кабели, нормалните щедрости на капацитет може да достигнат 12–15 А. Даже една сериозна високопречна повреда (например 58 А) плюс нормалната щедрост на капацитет приближава 75 А. Системните колебания могат лесно да спровокират неправилно действие на трансформатора за заминаване на земята.
2.Мерки за предотвратяване на неправилно действие на защитата на трансформатора за заминаване на земята
На основата на горния анализ, се препоръчват следните мерки:
2.1 За предотвратяване на неправилно действие, причинено от грешки на ТТ
Използване на висококачествени ТТ за нулева последователност; стриктни тестове на характеристиките на ТТ преди монтаж и отхвърляне на всички с грешка >5%; установяване на стойности за активиране на защитата въз основа на первичния ток; проверка на установките чрез тестове с первично вкарване.
2.2 За предотвратяване на неправилно заземяване на екраниран кабел
Проводниците за заземяване на екраниран кабел трябва да минават надолу през ТТ за нулева последователност и да бъдат изолирани от кабелните трасове. Преди да преминат през ТТ, не трябва да има контакт с земята. Експонирайте металните краища за тестове с первично вкарване; изолирайте останалата част надеждно.
Ако точката на заземяване на екрана е под ТТ, проводникът не трябва да преминава през ТТ. Избегнете маршрутирането на проводника за заземяване на екрана през средата на ТТ.
Подобряване на техническото обучение, така че екипите за релейна защита и кабели да разберат напълно методите за монтаж на ТТ и заземяване на екрана.
Усилене на процедурите за приемане с общи инспекции от екипи за релейна защита, операции и кабели.
2.3 За предотвратяване на повреди на защитата на хранящата линия
Избор на доказали се, надеждни устройства за защита; замяна на остарели или често повредени единици; подобряване на поддръжката; инсталиране на климатици и вентилация, за да се предотврати работа при високи температури.
2.4 За предотвратяване на повреди на автомат за храняща линия
Използване на надеждна, зрела апаратура; изфазиране на старите шкафове GG-1A в полза на герметизирани, с пружина или моторна зарядка типове; поддръжка на управляващите контури; използване на висококачествени обмотки за отключване.
2.5 За предотвратяване на неправилно действие при високопречни повреди
Незабавно обхождане и ремонт на хранящите линии при алармен сигнал за нулева последователност; намаляване на дължината на хранящите линии; балансиране на фазовите натоварвания, за да се минимизират нормалните щедрости на капацитет.
3. Заключение
По мере на това, че все повече регионални мрежи инсталират трансформатори за заминаване на земята и свързаните с тях защити, за да подобрят структурата и стабилността, повторните случаи на неправилно действие подчертават необходимостта от справяне с неблагоприятните ефекти. Тази статия анализира основните причини за неправилно действие на защитата на трансформаторите за заминаване на земята и предлага мерки, предоставяйки насоки за региони, които вече са инсталирали или планират да инсталират такива системи.
