Pangamot sa Transformador: Ang mga Sakit ug Solusyon sa Pagkamal sa 110kV Substations

Sa sistema sa kuryente sa China, ang mga grid sa 6 kV, 10 kV, ug 35 kV kasagaran naggamit og modo sa operasyon nga walay grounded neutral-point. Ang bahin sa distribusyon sa voltage sa main transformer sa grid kasagaran giconnect sa delta configuration, kung sa diha mao nga walay neutral point aron mogamit og grounding resistor. 

Kon mag-occur og single-phase ground fault sa ungrounded neutral-point system, ang line-to-line voltage triangle gi-maintain ang symmetry, nagresulta sa minimal impact sa operasyon sa user. Gisundan pa, kon ang capacitive current gamay ra (gamay sa 10 A), ang uban ka transient ground faults makapaghunahuna, kini labi ka effective sa pag-improve sa reliability sa power supply ug pag-reduce sa incidents sa brownout.

Pero, tungod sa patuloy nga expansion ug development sa industriya sa kuryente, kini nga simple nga pamaagi wala na naka-meet sa kasamtangan nga demands. Sa modernong urban power grids, ang pag-increase sa paggamit sa cable circuits nagresulta sa mas dako nga capacitive currents (nakalampas sa 10 A). Sa kondisyon kini, ang ground arc dili na ma-reliably extinguish, nagresulta sa sumala nga consequences:

• Intermittent extinction ug reignition sa single-phase ground arc nag-generate og arc-ground overvoltages nga ang amplitudes nakalampas sa 4U (kung diin ang U mao ang peak phase voltage) o paubos, naglast nga dugay. Kini nag-present og severe threats sa insulation sa electrical equipment, posible nga mag-resulta sa breakdowns sa weak insulation points ug leading sa major losses.

• Sustained arcing nag-cause og air ionization, nag-degrade sa insulation sa surrounding air ug nag-make sa phase-to-phase short circuits mas likely.

• Ferroresonance overvoltages mahimong mag-occur, easy sa pag-damage sa potential transformers (PTs) ug surge arresters, ug sa severe cases, even causing arrester explosions. Kini nga consequences seriously endanger ang insulation sa grid equipment ug threaten ang safe operation sa power system.

Arang kang pangitaon sa pag-prevent sa uban ka accidents ug provide sufficient zero-sequence current ug voltage para sa reliable operation sa ground fault protection, kinahanglan nga buhaton ang artificial neutral point aron mogamit og grounding resistor. Aron address kini nga panginahanglan, ang grounding transformers (commonly referred to as "grounding units") gibuo. Ang grounding transformer artificially creates a neutral point with a grounding resistor, typically with a very low resistance value (usually less than 5 ohms).

Bisan pa, tungod sa iyang electromagnetic characteristics, ang grounding transformer nag-present og high impedance sa positive- ug negative-sequence currents, allowing only a small excitation current to flow through its windings. Sa bawat core limb, duha ka winding sections gipailad sa opposite directions. Kon equal zero-sequence currents flow through these windings on the same core limb, sila nag-present og low impedance, resulting in minimal voltage drop across the windings under zero-sequence conditions.

Sa panahon sa ground fault, ang positive-, negative-, ug zero-sequence currents flow through the windings. Ang winding exhibits high impedance sa positive- ug negative-sequence currents, pero for zero-sequence current, ang duha ka windings sa sama nga phase giconnect sa series sa opposite polarity. Ang ilang induced electromotive forces equal in magnitude pero opposite in direction, effectively canceling each other out, thus presenting low impedance.

Sa daghan ka aplikasyon, ang grounding transformers gigamit lamang aron ibutang ang neutral point with a small grounding resistor ug wala na supply any load; therefore, daghan ka grounding transformers designed without a secondary winding. Sa normal grid operation, ang grounding transformer operates essentially in a no-load condition. Pero, sa panahon sa fault, it carries fault current only for a short duration. 

Sa neutral-point low-resistance grounded system, kon mag-occur og single-phase ground fault, ang highly sensitive zero-sequence protection quick nga identify ug temporarily isolate ang faulty feeder. Ang grounding transformer active only during the brief interval between the occurrence of the ground fault ug the operation of the zero-sequence protection to clear the fault. Sa panahon kini, ang zero-sequence current flows through the neutral grounding resistor ug the grounding transformer, given by

kon diin ang U mao ang system phase voltage, R1 mao ang neutral grounding resistor, ug R2 mao ang additional resistance sa ground fault loop.

Based on the above analysis, ang operational characteristics sa grounding transformers mao: long-term no-load operation with short-term overload capability.

In summary, ang grounding transformer artificially creates a neutral point to connect a grounding resistor. Sa panahon sa ground fault, it presents high impedance sa positive- ug negative-sequence currents pero low impedance sa zero-sequence current, enabling reliable operation sa ground fault protection.

Karon, ang grounding transformers installed sa substations serve two purposes:

• Supplying low-voltage AC power for substation auxiliary use;

• Creating an artificial neutral point sa 10 kV side, which—when combined with an arc suppression coil—compensates for capacitive ground fault current during 10 kV single-phase ground faults, thereby extinguishing the arc at the fault point. The principle is as follows:

Sa entire length sa transmission lines sa three-phase power grid, exist ang capacitances tali sa phases ug tali sa bawat phase ug ground. Kon ang grid neutral wala solidly grounded, ang phase-to-ground capacitance sa faulted phase becomes zero sa panahon sa single-phase ground fault, while ang phase-to-ground voltages sa uban ka duha ka phases rise to √3 times the normal phase voltage. Bisag ang increased voltage wala na exceed sa insulation strength designed for safety, it increases their phase-to-ground capacitance. 

Ang kapangyarihan sa pagkakasala sa ground fault nga capacitive sa usa ka single-phase fault mao ang tinuod nga tulo ka beses sa normal nga per-phase capacitive current. Kon dako kini nga current, madaling makapukaw ug intermittent arcing, nag-resulta sa overvoltages sa LC resonant circuit nga gihimo sa grid inductance ug capacitance, nga ang magnitudes mao ang 2.5 hangtod sa 3 ka beses sa phase voltage. Ang mas taas ang grid voltage, ang mas dako usab ang panganib gikan sa mga overvoltages. Kaya, ang system lang nga adunay uban 60 kV mahimong mogamit sa ungrounded neutral, tungod kay ang ilang single-phase capacitive ground fault currents relatyibong gamay. Para sa mas taas nga level sa voltage, kinahanglan og grounding transformer aron mag-connection sa neutral point pinaagi sa impedance ngadto sa ground.

Kon ang 10 kV side sa substation main transformer gigamit sa delta o wye nga walay neutral point, ug ang single-phase capacitive ground fault current dako, kinahanglan og grounding transformer aron maporma og artificial neutral point, nahimong makonekta sa arc suppression coil. Kini nagbuhat og artificial neutral grounding system—ang primary function sa grounding transformer. Sa normal nga operasyon, ang grounding transformer mobati sa balanced grid voltage ug molambo lamang og gamay nga excitation current (no-load condition). 

Ang potential difference sa neutral-to-ground zero (ignoring minor neutral displacement voltage gikan sa arc suppression coil), ug walay current molabo sa arc suppression coil. Pagsangpot sa phase-C-to-ground short circuit, ang zero-sequence voltage gikan sa three-phase asymmetry mobiya sa arc suppression coil ngadto sa ground. Tungod kay sama sa arc suppression coil mismo, ang induced inductive current compensates sa capacitive ground fault current, naghunahuna sa arc sa punto sa sala.

Sa katugasan nga mga tuig, daghan na ang misoperations sa grounding transformer protection nga nahitabo sa 110 kV substations sa usa ka rehiyon, nag-apekto sa grabe sa grid stability. Aron ma-identify ang root causes, gi-analisa ang rason alang kangini nga mga misoperations, ug ang corresponding measures gibutang aron malikayan ang recurrence ug hatagan og reference sa uban pang rehiyon.

Karon, ang 10 kV feeders sa 110 kV substations kasagaran naggamit sa cable outgoing lines, nag-increase sa dako ang single-phase capacitive ground fault current sa 10 kV system. Aron suppreson sa overvoltage magnitudes sa panahon sa single-phase ground faults, ang 110 kV substations nagsugyot sa pag-install sa grounding transformers aron implementar sa low-resistance grounding scheme, pag-establish sa zero-sequence current path. Kini mahimong selective zero-sequence protection aron mailisan ang ground faults batasan sa lugar sa sala, naghunahuna sa arc reignition ug overvoltage, resulta sa sigurado nga power supply sa grid equipment.

Sumala sa 2008, ang usa ka regional grid nagsugyot sa pag-retrofit sa 110 kV substation 10 kV systems sa low-resistance grounding pinaagi sa pag-install sa grounding transformers ug associated protection devices. Kini nahimo ang rapid isolation sa bisan unsa nga 10 kV feeder ground fault, minimization sa impact sa grid. Apan, sa katugasan, lima ka 110 kV substations sa rehiyon naghunahuna sa repeated misoperations sa grounding transformer protection, nag-cause sa substation outages ug nag-disrupt sa grabe sa grid stability. Kaya, importanti ang pag-identify sa causes ug pag-implement sa corrective measures aron maintain ang regional grid security.

1.Analysis of Causes for Grounding Transformer Protection Misoperation

Kon ang 10 kV feeder nakakita sa ground short-circuit fault, ang zero-sequence protection sa faulty feeder sa 110 kV substation dapat mobiya unang maka-isolate sa fault. Kon dili niya mobiya sa husto, ang grounding transformer’s zero-sequence protection mobiya ingon backup, tripping sa bus tie breaker ug both sides sa main transformer aron maka-isolate sa fault. Kaya, importante ang husto nga operasyon sa 10 kV feeder protection ug breakers aron siguro ang grid safety. Statistical analysis sa misoperations sa lima ka 110 kV substations nagpakita nga ang primary cause mao ang failure sa 10 kV feeders sa husto nga clear sa ground faults.

Principle of 10 kV Feeder Zero-Sequence Protection:

Zero-sequence CT sampling → Feeder protection activation → Circuit breaker tripping.
Sumala kini nga principle, ang zero-sequence CT, feeder protection relay, ug circuit breaker mao ang key components para sa husto nga operasyon. Sumala kini nga analisis sa misoperation causes gikan sa aspeto:

1.1 Zero-sequence CT error causing grounding transformer protection misoperation.
Kon ang 10 kV feeder ground fault, ang faulty feeder’s zero-sequence CT nakita ang fault current, triggering ang iyang protection aron maka-isolate sa fault. Samtang, ang grounding transformer’s zero-sequence CT usab nakita ang fault current ug nagsugyot sa protection. Aron makapagtubag sa selectivity, ang 10 kV feeder zero-sequence protection set sa mas gamay nga current ug mas maong oras setting kay sa grounding transformer protection. Current settings: grounding transformer—75 A primary, 1.5 s to trip 10 kV bus tie, 1.8 s to block 10 kV auto-transfer, 2.0 s to trip transformer low-voltage side, 2.5 s to trip both sides; 10 kV feeder—60 A primary, 1.0 s to trip breaker.

Apan, inevitable ang CT errors. Kon ang grounding transformer CT adunay -10% error ug ang feeder CT adunay +10% error, ang actual operating currents mao ang 67.5 A ug 66 A—kaayo gamay. Depende lamang sa time grading, ang 10 kV feeder ground fault mahimong makapukaw sa grounding transformer’s zero-sequence overcurrent protection nga mobiya sa sayop.

1.2 Incorrect cable shield grounding causing misoperation.
Ang 110 kV substation 10 kV feeders naggamit sa shielded cables nga ang shields grounded sa duha ka end—usa ka common EMI mitigation practice. Ang zero-sequence CTs mao ang toroidal types nga gisulod sa cables sa switchgear outgoing terminals. Sa panahon sa ground faults, ang unbalanced currents nag-induce sa signals sa CT aron mapugos ang protection. Apan, kon ang both-end shield grounding, ang induced currents sa shield usab molabo sa zero-sequence CT, creating false signals. Kon walay proper mitigation, kini mag-impose sa accuracy sa feeder zero-sequence protection, leading sa grounding transformer backup tripping.

1.3 10 kV feeder protection failure causing misoperation.

Ang modern microprocessor-based relays naghatag og improved performance, apan ang varying manufacturer quality ug poor heat dissipation usab ang issues. Ang fault statistics nagpakita nga ang power supply modules, sampling boards, CPU boards, ug trip output modules sa 10 kV feeder protections adunay mas prone sa failure. Ang undetected faults mahimong makapukaw sa protection refusal, triggering sa grounding transformer misoperation.

1.4 Pagkapukan sa breaker sa 10 kV feeder nga mosangpot sa sayop nga operasyon.
Dahil sa pagkatigulang, kanunay nga operasyon, o mga isyu sa kalidad, ang mga pagkapukan sa switchgear sa 10 kV—labi na sa mga control circuit—nagdugang. Sa mga kabukiran nga rehiyon nga dili pa kaayo mauswag, ang daan nga GG-1A switchgear padayon nga gigamit ug adunay mas taas nga rate sa ground fault. Bisan kon husto ang operasyon sa zero-sequence protection, ang pagkapukan sa breaker (pananglitan, nasunog nga trip coil nga nakapugong sa operasyon) mosangpot sa sayop nga operasyon sa grounding transformer.

1.5 Mga high-impedance ground fault sa duha ka 10 kV feeder (o seryoso nga single high-impedance fault) nga mosangpot sa sayop nga operasyon.
Kon ang duha ka feeder adunay parehas nga phase nga high-impedance ground fault, ang indibidwal nga zero-sequence currents mahimong padayon nga ubos sa threshold nga 60 A alang sa tripping (pananglitan, 40 A ug 50 A), busa ang proteksyon sa feeder mag-alarm lamang. Apan ang kabug-osan nga kuryente (90 A) molabaw sa setting sa grounding transformer nga 75 A, nga mosangpot sa sayop nga pag-trip. Uban sa tanan nga cable nga 10 kV feeder, ang normal nga capacitive currents makaabot og 12–15 A. Bisag usa ka seryoso nga high-impedance fault (pananglitan, 58 A) dugangan sa normal nga capacitive current magkaduol na sa 75 A. Ang mga oscillation sa sistema unya dali rang mosangpot sa sayop nga operasyon sa grounding transformer.

2. Mga lakang aron mapugngan ang sayop nga operasyon sa proteksyon sa grounding transformer

Base sa nahaunang analisis, ang mosunod nga mga lakang girekomenda:

2.1 Aron mapugngan ang sayop nga operasyon tungod sa CT error
Gamita ang high-quality nga zero-sequence CTs; siguradua nga masusi og maayo ang mga karakteristika sa CT sa wala pa i-install ug isalikway kadtong adunay sobra sa 5% nga error; ibase ang mga setting sa proteksyon sa primary current; i-verify ang mga setting pinaagi sa primary injection testing.

2.2 Aron mapugngan ang sayop nga pag-ground sa cable shield

• Ang mga conductor sa pag-ground sa cable shield kinahanglan moagi gikan sa ubos ngadto sa zero-sequence CT ug kinahanglan bulagon gikan sa cable trays. Dili gayud angayan nga makontak ang ground sa wala pa moagi sa CT. I-expose ang metal nga tumoy alang sa primary injection testing; ang uban pang bahin kinahanglan mapanalipdan og husto.

• Kon ang punto sa pag-ground sa shield anaa sa ilawom sa CT, ang conductor dili kinahanglan moagi sa sulod sa CT. Likayan ang pagtuyok sa conductor sa pag-ground sa shield sa taliwala sa CT.

• Palamboon ang teknikal nga training aron ang relay protection ug cable teams hingpit nga masabtan ang mga pamaagi sa pag-instalar sa CT ug sa pag-ground sa shield.

• Palig-unon ang proseso sa pag-ila pinaagi sa pinakigbahin nga inspeksyon sa relay, operations, ug cable teams.

2.3 Aron mapugngan ang pagkapukan sa proteksyon sa feeder
Pilia ang mga proteksyon nga aparato nga proven ug kasaligan; palitan ang aging o kanunay nga mapukan nga mga yunit; palamboon ang maintenance; i-install ang air conditioning ug ventilation aron mapugngan ang operasyon sa taas nga temperatura.

2.4 Aron mapugngan ang pagkapukan sa feeder breaker
Gamita ang kasaligan ug hamtong nga switchgear; hunongon ang paggamit sa daan nga GG-1A cabinet ug ipuli kini og sealed nga spring- or motor-charged nga tipo; bantayan ang control circuits; gamita ang high-quality nga trip coils.

2.5 Aron mapugngan ang sayop nga operasyon tungod sa high-impedance fault
Dayon nga patrolon ug i-repair ang mga feeder human sa zero-sequence alarm; pahabson ang habol sa feeder; i-balanser ang phase loads aron maminimize ang normal nga capacitive currents.

3. Konklusyon

Samtang nagdugang ang mga regional grid nga nag-instalar og grounding transformer ug ang kauban niini nga proteksyon aron mapauswag ang istruktura ug kahusay, ang kanunay nga nangaging mga insidente sa sayop nga operasyon nagpakita sa kinahanglanon nga atubangon ang negatibo nga epekto. Kini nga papel nag-analisa sa mga nag-unang hinungdan sa sayop nga operasyon sa proteksyon sa grounding transformer ug nagtanyag og mga lakang, nga naghatag og giya alang sa mga rehiyon nga nakainstalar o nagplano sa pag-instalar sa maong mga sistema.