Jordtransformatorbeskyttelse: Forkert funktion og modforanstaltninger i 110kV understationer

I Kinas elektriske system anvender 6 kV, 10 kV og 35 kV net generelt en driftsform med ubeskeden neutrale punkt. Distributionsvoltage-siden af hovedtransformatorerne i nettet er normalt forbundet i trekantskonfiguration, hvilket ikke giver et neutralt punkt til at forbinde en jordningsmodstand.

Når der opstår en enefasede jordfejl i et system med ubeskeden neutrale punkt, forbliver spændingsdrikkets trekantsform symmetrisk, hvilket har minimal indflydelse på brugernes drift. Desuden kan nogle kortvarige jordfejl slukke sig selv, når kapacitivstrømmen er relativt lille (under 10 A), hvilket er meget effektivt for at forbedre strømforsyningens pålidelighed og reducere strømafbrydelser.

Men med den kontinuerlige udvikling og udvidelse af energisektoren er denne simple metode ikke længere tilstrækkelig til de nuværende behov. I moderne byelektriske net er der en stigende anvendelse af kabelledninger, hvilket fører til betydeligt større kapacitivstrømme (over 10 A). Under sådanne forhold kan jordbue ikke pålideligt slukkes, hvilket føder til følgende konsekvenser:

• Intermittent slukning og genoplysning af den enefasede jordbue genererer overspændinger ved jordbue med amplituder, der når op til 4U (hvor U er spidsfasevoltage) eller endda højere, og dette varer i lang tid. Dette udgør alvorlige trusler mod isoleringen af elektrisk udstyr, potentielt medfører nedbrud på svage isoleringspunkter og fører til store tab.

• Varig buelysning forårsager luftionisering, som forringes isoleringen af omgivende luft og gør fasede kortslutninger mere sandsynlige.

• Ferroresonante overspændinger kan opstå, der nemt kan skade spændingsoverførere (PT'er) og overslagsbeskyttelser, og i alvorlige tilfælde kan endda forårsage eksplosioner af overslagsbeskyttelser. Disse konsekvenser udgør alvorlige trusler mod isoleringen af netudstyr og truer den sikre drift af strømsystemet.

For at forhindre ovennævnte ulykker og give tilstrækkelig nul-sekvensstrøm og -spænding for pålidelig drift af jordfejlbeskyttelse, skal der oprettes et kunstligt neutralt punkt, så en jordningsmodstand kan forbindes. For at løse dette behov blev jordnings-transformatorer (ofte refereret til som "jordningsenheder") udviklet. En jordnings-transformator opretter kunstigt et neutralt punkt med en jordningsmodstand, typisk med en meget lav modstandsværdi (normalt under 5 ohm).

Desuden præsenterer jordnings-transformatorerne på grund af deres elektromagnetiske egenskaber høj impedans for positive- og negative-sekvensstrømme, og tillader kun en lille anspændelsesstrøm at strømme igennem dens vindinger. På hver kernearm bliver to vindingsafsnit vindet i modsat retning. Når lige store nul-sekvensstrømme strømmer igennem disse vindinger på samme kernearm, præsenterer de lav impedans, hvilket resulterer i minimal spændingsfald på vindingerne under nul-sekvensforhold.

Under en jordfejl strømmer positive-, negative- og nul-sekvensstrømme igennem vindingerne. Vindingen præsenterer høj impedans for positive- og negative-sekvensstrømme, men for nul-sekvensstrøm er de to vindinger på samme fase forbundet i serie med modsat polaritet. Deres inducerede elektromotoriske kræfter er lige store, men modsatte i retning, hvilket effektivt nulstiller hinanden, og præsenterer derfor lav impedans.

I mange applikationer bruges jordnings-transformatorer udelukkende til at give et neutralt punkt med en lille jordningsmodstand og leverer ingen last; derfor er mange jordnings-transformatorer designet uden sekundær-vinding. Under normal drift af nettet opererer jordnings-transformatoren i princippet uden last. Men under en fejl bærer den kun fejlstrøm i en kort periode.

I et system med lav-resistivt jordnet neutrales punkt, når der opstår en enefasede jordfejl, identificerer og isolerer høj-sensitiv nul-sekvensbeskyttelse hurtigt og midlertidigt den defekte feeder. Jordnings-transformatoren er aktiv kun i den korte periode mellem opståelsen af jordfejlen og funktionen af nul-sekvensbeskyttelsen til at fjerne fejlen. I denne periode strømmer nul-sekvensstrøm igennem den neutrale jordningsmodstand og jordnings-transformator, givet ved

hvor U er systemets fasevoltage, R1 er den neutrale jordningsmodstand, og R2 er den yderligere modstand i jordfejlsløbet.

Baseret på ovenstående analyse er driftsegenskaberne for jordnings-transformatorer: langsigtede drift uden last med kortvarig overlastsfähigkeit.

Sammenfattende opretter en jordnings-transformator kunstigt et neutralt punkt for at forbinde en jordningsmodstand. Under en jordfejl præsenterer den høj impedans for positive- og negative-sekvensstrømme, men lav impedans for nul-sekvensstrøm, hvilket gør det muligt for jordfejlbeskyttelsen at fungere pålideligt.

I øjeblikket har jordnings-transformatorerne installeret i understationer to formål:

• At levere lavspændingsalternativ strøm til understations hjælpeservice;

• At oprette et kunstigt neutralt punkt på 10 kV-siden, som i kombination med en buedyrkingsspire kompenserer for kapacitiv jordfejlstrøm under 10 kV enefasede jordfejl, hvilket slukker bue ved fejlstedet. Princippet er følgende:

Langs hele længden af transmissionsledninger i et tre-fasede strømnet findes kapaciteter mellem faserne og mellem hver fase og jorden. Når nettets neutrale punkt ikke er solidt jordnet, bliver den fase-til-jord kapacitance af den defekte fase nul under en enefasede jordfejl, mens de andre to fasers fase-til-jord spændinger stiger til √3 gange den normale fasevoltage. Selvom denne øgede spænding ikke overstiger den sikkerhedsmæssigt designede isolationsstyrke, øger den deres fase-til-jord kapacitance.

Kapacitiv strøm under en fasefejl er omtrent tre gange den normale kapacitive strøm pr. fase. Når denne strøm er stor, forårsager den let intermitterende bueild, hvilket fører til overspændinger i LC-resonanscirklen dannet af nettets induktance og kapacitance, med størrelser, der når 2,5 til 3 gange fasespændingen. Jo højere nettospændingen, jo større risiko fra sådanne overspændinger. Derfor kan kun systemer under 60 kV fungere med en ujordet neutral, da deres enkelfase kapacitive jordfejlstrømme er relativt små. For højere spændingsniveauer skal en jordningstransformator anvendes for at forbinde neutralpunktet gennem impedans til jorden.

Når 10 kV-siden af en hovedtransformator på et understation er forbundet i delta eller stjerne uden neutrale, og den enkelfase kapacitive jordfejlstrøm er stor, kræves en jordningstransformator for at oprette et kunstigt neutralpunkt, hvilket gør det muligt at forbinde til en buedempningsbobin. Dette danner et kunstigt neutralt jordningssystem - den primære funktion af jordningstransformator. Under normal drift udmærker jordningstransformatoren for balanceret netvoltage og bærer kun en lille anspændingsstrøm (uden last).

Differencen mellem neutrale og jorde er nul (ignorerer mindre neutrale forskydningsspænding fra buedempningsbobinen), og ingen strøm flyder gennem buedempningsbobinen. Hvis der opstår en kortslutning mellem fase C og jorden, vil det resulterende nul-sekvensspænding som følge af trefase asymmetri løbe gennem buedempningsbobinen til jorden. Ligesom buedempningsbobinen selv kompenserer den inducerede induktive strøm for den kapacitive jordfejlstrøm, hvilket fjerner bue ved fejlpunktet.

I de seneste år har der været flere forkert fungerende jordningstransformatorbeskyttelser i 110 kV-understationer i en bestemt region, hvilket alvorligt har påvirket nettets stabilitет. For at identificere de grundlæggende årsager blev der foretaget analyser af årsagerne til disse fejl, og der blev implementeret tilsvarende foranstaltninger for at forhindre gentagelse og give reference til andre regioner.

I øjeblikket bruger 10 kV-ledninger i 110 kV-understationer stadig mere kabler, hvilket betydeligt øger den enkelfase kapacitive jordfejlstrøm i 10 kV-systemet. For at undertrykke overspændingens størrelse under enkelfase jordfejl har 110 kV-understationer begyndt at installere jordningstransformatorer for at implementere et lav-impedans jordningsskema, hvilket etablerer en nul-sekvensstrømvej. Dette gør det muligt for selektiv nul-sekvensbeskyttelse at isolere jordfejl baseret på fejlplacering, undgå buegenoplivning og overspænding, og dermed sikre sikkert strømforsyning til nettets udstyr.

Fra 2008 begyndte et bestemt regionalt net at ombygge sine 10 kV-systemer i 110 kV-understationer til lav-impedans jordning ved installation af jordningstransformatorer og tilhørende beskyttelsesenheder. Dette gjorde det muligt hurtigt at isolere enhver 10 kV-ledning jordfejl, hvilket minimaliserede netvirkningen. Imidlertid har der for nylig været gentagne forkert fungerende jordningstransformatorbeskyttelser i fem 110 kV-understationer i regionen, hvilket har forårsaget understationsafbrydelser og alvorligt forstyrret nettets stabilitet. Derfor er det afgørende at identificere årsagerne og implementere rettelser for at opretholde regional net sikkerhed.

1. Analyse af årsager til misoperation af jordningstransformatorbeskyttelse

Når en 10 kV-ledning oplever en jord kortslutningsfejl, skal nul-sekvensbeskyttelsen på den defekte ledning i 110 kV-understationen først fungere for at isolere fejlen. Hvis den ikke gør dette korrekt, vil jordningstransformatorens nul-sekvensbeskyttelse fungere som reserve, og slukke buskoplingsbryderen og begge sider af hovedtransformator for at isolere fejlen. Derfor er korrekt funktion af 10 kV-ledningsbeskyttelse og brydere afgørende for nettets sikkerhed. Statistik over misoperationer i fem 110 kV-understationer viser, at den primære årsag er 10 kV-ledningers manglende evne til korrekt at rydde jordfejl.

Princip for 10 kV-lednings nul-sekvensbeskyttelse:

Nul-sekvens CT-måling → Ledningsbeskyttelsesaktivering → Bryder slukning.
Fra dette princip er nul-sekvens CT, ledningsbeskyttelsesrelæ og bryder nøglekomponenter for korrekt funktion. Følgende analyser misoperationsårsager fra disse aspekter:

1.1 Fejl i nul-sekvens CT forårsager misoperation af jordningstransformatorbeskyttelse.
Ved en 10 kV-lednings jordfejl, registrerer den defekte lednings nul-sekvens CT fejlstrømmen, hvilket aktiverer dens beskyttelse for at isolere fejlen. Samtidig registrerer jordningstransformatorens nul-sekvens CT også fejlstrømmen og aktiverer beskyttelsen. For at sikre selektivitet er 10 kV-lednings nul-sekvensbeskyttelse indstillet med lavere strøm og kortere tidsindstillinger end jordningstransformatorbeskyttelsen. Strømindstillinger: jordningstransformator – 75 A primær, 1,5 s for at slukke 10 kV buskopling, 1,8 s for at blokere 10 kV automatiske overførsler, 2,0 s for at slukke transformator lavspændingsside, 2,5 s for at slukke begge sider; 10 kV-ledning – 60 A primær, 1,0 s for at slukke bryder.

Dog er CT-fejl uundgåelige. Hvis jordningstransformatorens CT har en -10% fejl, og ledningens CT har en +10% fejl, bliver de faktiske driftsstrømmer 67,5 A og 66 A – næsten ens. Med kun tidsgradering som grundlag, kan en 10 kV-lednings jordfejl nemt forårsage, at jordningstransformatorens nul-sekvens overstrømning beskyttelse slukker for tidligt.

1.2 Forkert skjold jordning forårsager misoperation.
110 kV-understation 10 kV-ledninger bruger skjoldede kabler med skjold jordet på begge ender – en almindelig EMI-nedsættelsespraksis. Nul-sekvens CT'er er toroidale typer installeret omkring kabler ved udgangsterminalerne. Ved jordfejl inducerer ubalancerede strømme signaler i CT'en for at aktivere beskyttelsen. Men med jordning på begge ender, passer inducerede strømme i skjoldet også gennem nul-sekvens CT, hvilket skaber falske signaler. Uden passende nedsættelse, påvirker dette præcisionen af lednings nul-sekvensbeskyttelse, hvilket fører til jordningstransformator backup slukning.

1.3 10 kV-ledningsbeskyttelsesfejl forårsager misoperation.

Moderne mikroprocesor-baserede relæer tilbyder forbedret ydeevne, men forskellige producenters kvalitet og dårlig varmeafledning er stadig problemer. Fejlstatistik viser, at strømforsyningsmoduler, sampling boards, CPU boards, og trip output moduler i 10 kV-ledningsbeskyttelser er mest udsat for fejl. Uopdaget fejl kan forårsage beskyttelsesweiger, hvilket udløser misoperation af jordningstransformator.

1.4 Fejl i 10 kV forsyningsbryder, der forårsager fejlagtig operation.
Mit tiden, hyppige operationer eller indbyggede kvalitetsproblemer øger fejl i 10 kV skabsløsninger – især i styringskredsløb. I mindre udviklede bjergområder er ældre GG-1A skabsløsninger stadig i brug med en højere frekvens af jordfejl. Selv hvis nul-sekvensbeskyttelsen fungerer korrekt, kan bryderfejl (f.eks. brændt trip-spiral, der forhindrer operation) føre til fejlagtig operation af jordtransformator.

1.5 Højt impedanset jordfejl på to 10 kV forsyninger (eller alvorligt enkelt højt impedanset fejl), der forårsager fejlagtig operation.
Når to forsyninger oplever samme fase højt impedanset jordfejl, kan individuelle nul-sekvensstrømme forblive under 60 A-trindestørrelse (f.eks. 40 A og 50 A), så forsyningsbeskyttelserne kun alarmerer. Men den summerede strøm (90 A) overstiger jordtransformatorens 75 A-indstilling, hvilket fører til forhastet udløsning. Med fuldt kabelfed 10 kV forsyninger kan normale kapacitive strømme nå 12–15 A. Endda et enkelt alvorligt højt impedanset fejl (f.eks. 58 A) plus normal kapacitiv strøm nærmer sig 75 A. Systemsvingninger kunne let udløse fejlagtig operation af jordtransformator.

2.Foranstaltninger til forebyggelse af fejlagtig operation af jordtransformatorbeskyttelse

Baseret på ovenstående analyse anbefales følgende foranstaltninger:

2.1 For at forebygge fejlagtig operation på grund af CT-fejl
Brug højkvalitets nul-sekvens CT'er; test CT-karakteristika omhyggeligt før installation og forkast alle med >5% fejl; sæt beskyttelsesindstillinger baseret på primærstrøm; bekræft indstillinger ved primærinjektionstest.

2.2 For at forebygge fejlagtig kabelskild-jordforbindelse

• Kabelskild-jordforbindelseskablere skal passere nedad gennem nul-sekvens CT'en og være isoleret fra kabellister. Der må ikke opstå kontakt med jorden før passage gennem CT'en. Udsæt metalendes for primærinjektionstest; isolér resten pålideligt.

• Hvis skild-jordforbindelsespunktet ligger under CT'en, må kablet ikke passere gennem CT'en. Undgå at rute skild-jordforbindelseskabler gennem midten af CT'en.

• Forbedr teknisk uddannelse, så relæbeskyttelse- og kabelhold fuldt ud forstår CT- og skild-jordforbindelsesinstallationsmetoder.

• Styrk godkendelsesprocedurer med fælles inspektioner af relæ, drift og kabelhold.

2.3 For at forebygge forsyningsbeskyttelsesfejl
Vælg beviste, pålidelige beskyttelsesenheder; erstat ældre eller ofte defekte enheder; forbedr vedligeholdelse; installér aircondition og ventilering for at forhindre drift ved høje temperaturer.

2.4 For at forebygge forsyningsbryderfejl
Brug pålidelige, modne skabsløsninger; udfase gamle GG-1A skabe i favør af tætte, fjeder- eller motoropladede typer; vedligehold styringskredsløb; brug højkvalitets trip-spiraler.

2.5 For at forebygge fejlagtig operation på grund af højt impedanset fejl
Patruljer og reparér forsyninger umiddelbart efter nul-sekvensalarm; reducér forsyningslængder; balance faseload for at minimere normale kapacitive strømme.

3. Konklusion

Efterhånden som flere regionale net installerer jordtransformatorer og tilhørende beskyttelse for at forbedre struktur og stabilitet, viser gentagne fejlagtige operationer behovet for at tackle de negative effekter. Denne artikel analyserer de primære årsager til fejlagtig operation af jordtransformatorbeskyttelse og foreslår modforanstaltninger, hvilket giver vejledning for regioner, der har installeret eller planlægger at installere sådanne systemer.