Zemnění transformátoru: Příčiny nesprávného fungování a protiopatření v 110kV podstanicích
V čínském elektrickém systému obvykle síť 6 kV, 10 kV a 35 kV používá režim nepřímo zemloženého provozu. Distribuční strana hlavní transformace v síti je obvykle připojena v trojúhelníkové konfiguraci, což nedovoluje připojení zemložného odporu.
Když dojde k jednofázové zemložné poruše v nepřímo zemloženém systému, trojúhelník napětí mezi fázemi zůstává symetrický, což má minimální dopad na provoz uživatelů. Kromě toho, když je kapacitivní proud relativně malý (méně než 10 A), některé přechodné zemložné poruchy se mohou samočinně vyhasit, což je velmi efektivní pro zlepšení spolehlivosti dodávky elektřiny a snížení počtu výpadků.
Nicméně, s neustálým rozšiřováním a rozvojem elektroenergetického průmyslu, tato jednoduchá metoda již není schopna splnit aktuální požadavky. V moderních městských elektrických sítích se stále více používají kabelové vedení, což vedlo k výraznému zvětšení kapacitivních proudů (přesahujících 10 A). Za takových podmínek se zemložný oblouk nedá spolehlivě vyhasit, což má následující důsledky:
Pravidelné vyhasnutí a znovuzapálení jednofázového zemložného oblouku generuje nadnapětí zemložného oblouku s amplitudou dosahující až 4U (kde U je vrcholové fázové napětí) nebo dokonce vyšší, trvající dlouhou dobu. To představuje vážné hrozby pro izolaci elektrického zařízení, může způsobit průlom v slabých místech izolace a vést k významným ztrátám.
Trvalý oblouk způsobuje ionizaci vzduchu, což degraduje izolaci okolního vzduchu a zvyšuje pravděpodobnost krátkých spojení mezi fázemi.
Mohou nastat ferrorezonanční nadnapětí, která snadno poškozují potenciální transformátory (PT) a ochranné odporové baterie, a v extrémních případech mohou způsobit exploze ochranných odporových baterií. Tyto důsledky vážně ohrožují izolaci zařízení sítě a ohrožují bezpečný provoz elektrického systému.
Aby bylo možné zabránit těmto nehodám a poskytnout dostatečný nulový sekvencový proud a napětí pro spolehlivý provoz ochrany proti zemložným poruchám, musí být vytvořen umělý neutrální bod, aby bylo možné připojit zemložný odpor. Pro pokrytí této potřeby byly vyvinuty zemložné transformátory (obvykle označované jako "zemložné jednotky"). Zemložný transformátor uměle vytváří neutrální bod s zemložným odporem, obvykle s velmi nízkou hodnotou odporu (obvykle méně než 5 ohm).
Díky svým elektromagnetickým vlastnostem zemložný transformátor nabízí vysoký impedancní odpor k pozitivním a negativním sekvencovým proudům, umožňující proudění pouze malého excitovaného proudu skrz jeho cívky. Na každém jádrové rameni jsou namotány dvě části cívky v opačných směrech. Když stejné nulové sekvencové proudy proudí skrz tyto cívky na stejném jádrovém rameni, nabízejí nízký impedancní odpor, což vede k minimálnímu spádovému napětí na cívkách za podmínek nulové sekvence.
Během zemložné poruchy skrz cívky proudí pozitivní, negativní a nulové sekvencové proudy. Cívka nabízí vysoký impedancní odpor k pozitivním a negativním sekvencovým proudům, ale pro nulový sekvencový proud jsou dvě cívky na stejné fázi sériově spojeny s opačným pólům. Jejich indukované elektromotorické síly jsou stejné v hodnotě, ale opačné ve směru, což efektivně kompenzuje, nabízejí nízký impedancní odpor.
Ve mnoha aplikacích se zemložné transformátory používají pouze k poskytnutí neutrálního bodu s malým zemložným odporem a nezajišťují žádný zátěž; proto jsou mnoho zemložných transformátorů navrženy bez sekundární cívky. Během normálního provozu sítě operuje zemložný transformátor téměř bez zátěže. Nicméně, během poruchy nese pouze krátkodobý poruchový proud.
V systému s nízkým odporem neutrálního bodu, kdy dojde k jednofázové zemložné poruše, velmi citlivá nulová sekvencová ochrana rychle identifikuje a dočasně izoluje vadnou vedení. Zemložný transformátor je aktivní pouze během krátkého intervalu mezi vznikem zemložné poruchy a činností nulové sekvencové ochrany pro vyřešení poruchy. Během tohoto období nulový sekvencový proud proudí skrz neutrální zemložný odpor a zemložný transformátor, což je dáno
kde U je fázové napětí systému, R1 je neutrální zemložný odpor a R2 je dodatečný odpor v zemložném poruchovém okruhu.
Na základě výše uvedené analýzy jsou provozní charakteristiky zemložných transformátorů: dlouhodobý provoz bez zátěže s krátkodobou přetížeností.
Zkrátka, zemložný transformátor uměle vytváří neutrální bod pro připojení zemložného odporu. Během zemložné poruchy nabízí vysoký impedancní odpor k pozitivním a negativním sekvencovým proudům, ale nízký impedancní odpor k nulovému sekvencovému proudu, což umožňuje spolehlivý provoz ochrany proti zemložným poruchám.
Aktuálně slouží zemložné transformátory nainstalované v transformačních stanici dvěma účelům:
Poskytování nízkého napětí střídavého proudu pro pomocné potřeby transformační stanice;
Vytváření umělého neutrálního bodu na straně 10 kV, který, kombinován s odporovým kruhem, kompenzuje kapacitivní zemložný proud během jednofázových zemložných poruch 10 kV, což umožňuje vyhasení oblouku v místě poruchy. Princip je následující:
Po celé délce vedení v trojfázové elektrické síti existují kapacity mezi fázemi a mezi každou fází a zemí. Když je neutrální bod sítě nepřímo zemložen, kapacita fáze k zemi pro vadnou fázi během jednofázové zemložné poruchy se stane nulová, zatímco fázové napětí k zemi pro ostatní dvě fáze se zvýší na √3 násobek normálního fázového napětí. I když toto zvýšené napětí nepřekračuje izolační sílu navrženou pro bezpečnost, zvyšuje jejich fázovou kapacitu k zemi.
Kapacitivní proud zemního výpadku při jednofázovém výpadku je přibližně třikrát větší než normální kapacitivní proud na fázi. Když tento proud dosahuje velkých hodnot, snadno způsobuje intermitentní obloukové výboje, což vede k přetlakům v LC rezonančním obvodu tvořeném induktancí sítě a kapacitou, s amplitudami dosahujícími 2,5 až 3 násobku fázového napětí. Čím vyšší je síťové napětí, tím větší je riziko těchto přetlaků. Proto mohou systémy do 60 kV pracovat s nezemněným neutrálním vedením, protože jejich jednofázové kapacitivní proudy zemního výpadku jsou relativně malé. Pro vyšší napěťové úrovně musí být použit transformátor pro zemnění, který spojuje neutrální bod přes impedanci se zemí.
Když je 10 kV strana hlavního transformátoru podstatiového zapojena jako delta nebo hvězda bez neutrálního bodu a jednofázový kapacitivní proud zemního výpadku je velký, je potřeba použít transformátor pro zemnění, aby byl vytvořen umělý neutrální bod, umožňující spojení s odpojovacím cívkem. Toto tvoří umělý systém zemnění neutrálního vedení – hlavní funkce transformátoru pro zemnění. Během normálního provozu transformátor pro zemnění snáší vyrovnané síťové napětí a nese pouze malý vzrušovací proud (bez zátěže).
Rozdíl potenciálů mezi neutrálním vedením a zemí je nulový (bez ohledu na malé posunutí neutrálního napětí způsobené odpojovacím cívkem) a žádný proud neprotéká odpojovacím cívkem. Předpokládejme, že dojde k krátkému spojení fáze C se zemí, nulové sekvenční napětí vzniklé asymetrií třífázového systému protéká odpojovacím cívkem k zemi. Podobně jako samotný odpojovací cívka, indukovaný induktivní proud kompenzuje kapacitivní proud zemního výpadku, eliminuje obloukový výboj v místě výpadku.
V posledních letech došlo k několika nesprávným operacím ochrany transformátoru pro zemnění v 110 kV podstaciích v určitém regionu, což závažně ovlivnilo stabilitu sítě. Aby byly identifikovány hlavní příčiny, byla provedena analýza důvodů těchto nesprávných operací a byly implementovány odpovídající opatření, aby se zabránilo opakování a poskytla se reference pro jiné regiony.
V současné době 10 kV vývody v 110 kV podstaciích čím dál více využívají vývody kabelových vedení, což značně zvyšuje jednofázový kapacitivní proud zemního výpadku v 10 kV systému. Aby byly potlačeny amplitudy přetlaků při jednofázových zemních výpadech, 110 kV podstace začínají instalovat transformátory pro zemnění, aby byl implementován systém nízkého odporu, vytvářející cestu nulového sekvenčního proudu. To umožňuje selektivní nulové sekvenční ochraně izolovat zemní výpady podle polohy výpadku, zabrání znovuzapnutí oblouku a přetlakům, což zajišťuje bezpečné dodávání energie síťovému zařízení.
Od roku 2008 určitý regionální sítě upravily své 10 kV systémy 110 kV podstacií na nízkoodporové zemnění instalací transformátorů pro zemnění a souvisejících ochranných zařízení. To umožňovalo rychlé izolování jakéhokoli 10 kV vývodu s zemním výpadkem, minimalizující dopad na síť. V nedávné době však pět 110 kV podstacií v regionu zažilo opakující se nesprávné operace ochrany transformátoru pro zemnění, což vedlo k vypnutí podstacií a závažně rušilo stabilitu sítě. Proto je klíčové identifikovat příčiny a implementovat korekční opatření, aby byla udržena bezpečnost regionální sítě.
1. Analýza příčin nesprávné operace ochrany transformátoru pro zemnění
Když dojde k zemnímu krátkému spojení na 10 kV vývodu, nulová sekvenční ochrana na vadném vývodu v 110 kV podstaci by měla nejdříve fungovat a izolovat výpadek. Pokud to správně nefunguje, nulová sekvenční ochrana transformátoru pro zemnění působí jako záloha, spouští spojovací vypínač sběrnice a obě strany hlavního transformátoru, aby izolovala výpadek. Správné fungování ochrany 10 kV vývodů a vypínačů je tedy klíčové pro bezpečnost sítě. Statistická analýza nesprávných operací v pěti 110 kV podstaciích ukazuje, že hlavní příčinou je selhání 10 kV vývodů v správném vyřešení zemních výpadků.
Princip nulové sekvenční ochrany 10 kV vývodů:
Uzlové CT vzorkování → aktivace ochrany vývodu → spouštění vypínače.
Z tohoto principu jsou klíčovými komponenty pro správné fungování uzlové CT, relé ochrany vývodu a vypínač. Následující analyzuje příčiny nesprávného chování z těchto hledisek:
1.1 Chyba uzlového CT způsobující nesprávnou operaci ochrany transformátoru pro zemnění.
Při zemním výpadku na 10 kV vývodu detekuje uzlové CT na vadném vývodu proud výpadku, což aktivuje ochranu k izolaci výpadku. Současně uzlové CT transformátoru pro zemnění také detekuje proud výpadku a iniciuje ochranu. Aby byla zajištěna selectivity, je nulová sekvenční ochrana 10 kV vývodů nastavena s nižším proudem a kratším časem než ochrana transformátoru pro zemnění. Nastavení proudu: transformátor pro zemnění – 75 A primární, 1,5 s k spuštění 10 kV spojovacího vypínače, 1,8 s k blokování 10 kV automatického přepínání, 2,0 s k spuštění nízkovoltové strany transformátoru, 2,5 s k spuštění obou stran; 10 kV vývod – 60 A primární, 1,0 s k spuštění vypínače.
Nicméně, chyby CT jsou nevyhnutelné. Pokud má CT transformátoru pro zemnění -10% chybu a CT vývodu +10% chybu, skutečné pracovní proudy se stávají 67,5 A a 66 A – téměř stejné. Spoléhajíc pouze na časové stupňování, mohl by jednofázový zemní výpadek na 10 kV vývodu snadno způsobit, že nulová sekvenční ochrana přetoku transformátoru pro zemnění spustí předčasně.
1.2 Nesprávné zemnění štítu kabelu způsobující nesprávnou operaci.
10 kV vývody 110 kV podstacií používají kabely s štíty, které jsou zemněny na obou koncích – běžná praxe pro snížení EMI. Uzlové CT jsou toroidální typy nainstalované kolem kabelů na vývodových terminálech vypínačů. Při zemních výpadech nerovnovážné proudy indukují signály v CT, které aktivují ochranu. Avšak s oboustranným zemněním štítu, indukované proudy v štitu také procházejí uzlovým CT, vytvářejí falešné signály. Bez správného odstranění toto narušuje přesnost nulové sekvenční ochrany vývodu, což vede k záložnímu spuštění ochrany transformátoru pro zemnění.
1.3 Selhání ochrany 10 kV vývodu způsobující nesprávnou operaci.
Moderní relé s mikroprocesorem nabízejí zlepšené výkony, ale variabilita kvality různých výrobců a špatné odvádění tepla zůstávají problémy. Statistiky výpadků ukazují, že moduly zdroje napájení, vzorkovací desky, CPU desky a moduly výstupu vypnutí v ochranách 10 kV vývodů jsou nejvíce náchylné k selhání. Neodhalené výpadky mohou způsobit, že ochrana odmítne fungovat, což vede k nesprávné operaci transformátoru pro zemnění.
1.4 Selhání vývodu 10 kV způsobující nesprávné provedení.
Se stárnutím, častým provozem nebo vnitřními kvalitativními problémy se zvyšují selhání spínacích zařízení 10 kV – zejména v řídicích obvodech. V méně rozvinutých hornatých oblastech jsou stále v provozu starší skříně GG-1A s vyšší mírou zemných přetížení. I když operační ochrana nulového řetězce funguje správně, selhání spínače (např. shořené cívky spínání, která nedovolí jeho funkci) vedou k nesprávnému provedení transformátoru zemnice.
1.5 Vysokoodporové zemné přetížení na dvou vývodech 10 kV (nebo závažné jedno vysokoodporové přetížení) způsobující nesprávné provedení.
Pokud dva vývody zažijí stejnofázové vysokoodporové zemné přetížení, individuální proudy nulového řetězce mohou zůstat pod hranicí 60 A pro spuštění (např. 40 A a 50 A), takže ochrany vývodů pouze upozorní. Ale součet proudu (90 A) překračuje nastavení transformátoru zemnice 75 A, což způsobí předčasné spuštění. U vývodů 10 kV sestavených z kabelů mohou běžné kapacitní proudy dosahovat 12–15 A. I jedno závažné vysokoodporové přetížení (např. 58 A) plus běžný kapacitní proud se blíží 75 A. Oscilace systému by pak snadno mohly způsobit nesprávné provedení transformátoru zemnice.
2.Opotřebovací opatření pro prevenci nesprávného provedení ochrany transformátoru zemnice
Na základě výše uvedené analýzy se doporučují následující opatření:
2.1 Pro prevenci nesprávného provedení způsobeného chybou CT
Použijte kvalitní nulové CT; pečlivě otestujte charakteristiky CT před instalací a odmítnejte jakékoli s chybou >5%; nastavte hodnoty spuštění ochrany na základě primárního proudu; ověřte nastavení pomocí testování injekcí do primárního obvodu.
2.2 Pro prevenci nesprávného zemnictví štítu kabelu
Vodiče zemnictví štítu kabelu musí projít dolů skrz nulové CT a být izolovány od kabelových schránek. Než projdou skrz CT, nesmějí mít žádný kontakt se zemnicí. Odkryjte kovové konce pro testování injekcí do primárního obvodu; zbytek spolehlivě izolujte.
Pokud je bod zemnictví štítu pod CT, vodič nesmí projít skrz CT. Vyhněte se vedení vodiče zemnictví štítu skrz střed CT.
Zlepšete technické školení, aby týmy ochrany relé a kabelů plně pochopily metody instalace CT a zemnictví štítu.
Posílte přijímací postupy s kombinovanými inspekčními kontrolami týmy relé, provozu a kabelů.
2.3 Pro prevenci selhání ochrany vývodů
Vyberte osvědčené, spolehlivé ochranné zařízení; nahraďte stárnoucí nebo často vadnoucí jednotky; posílte údržbu; nainstalujte klimatizaci a větrání, abyste zabránili provozu při vysokých teplotách.
2.4 Pro prevenci selhání spínače vývodů
Použijte spolehlivá, zralá spínací zařízení; vyřaďte staré skříně GG-1A ve prospěch uzavřených, pružinových nebo motorových typů; udržujte řídicí obvody; používejte kvalitní cívky spínání.
2.5 Pro prevenci nesprávného provedení způsobeného vysokoodporovým přetížením
Hned po upozornění nulového řetězce okamžitě prohlédněte a opravte vývody; zkrátěte délku vývodů; vyvažte fázové zatížení, abyste minimalizovali běžné kapacitní proudy.
3. Závěr
S rostoucím počtem regionálních sítí, které instalují transformátory zemnice a přidruženou ochranu pro zlepšení struktury a stability, opakované incidenty nesprávného provedení zdůrazňují potřebu řešit nepříznivé účinky. Tento článek analyzuje hlavní příčiny nesprávného provedení ochrany transformátoru zemnice a navrhuje protiopatření, poskytuje pokyny pro oblasti, které již nainstalovaly nebo plánují nainstalovat takové systémy.
