Schutz des Erdtransformators: Fehlfunktionen und Gegenmaßnahmen in 110kV-Umspannwerken
In Chinas Stromnetzsystem werden die Netze mit 6 kV, 10 kV und 35 kV in der Regel im Betrieb mit unerdschlossenem Neutralpunkt betrieben. Die Verteilungsspannungsseite des Hauptspeise-transformators im Netz ist in der Regel in Dreiecksschaltung verbunden, was keinen Neutralpunkt für die Verbindung eines Erdwiderstands bietet.
Wenn ein Einphasen-Erdefehler in einem System mit unerdschlossenem Neutralpunkt auftritt, bleibt das Spannungsdreieck zwischen den Leitungen symmetrisch, wodurch die Auswirkungen auf den Betrieb der Nutzer minimal sind. Darüber hinaus können bei relativ geringen kapazitiven Strömen (weniger als 10 A) einige transiente Erdfehler von selbst erlöschen, was sehr effektiv zur Verbesserung der Versorgungsreliabilität und zur Reduzierung von Stromausfällen beiträgt.
Mit der stetigen Ausdehnung und Entwicklung der Energieindustrie genügt diese einfache Methode jedoch nicht mehr den aktuellen Anforderungen. In modernen städtischen Stromnetzen führt die zunehmende Nutzung von Kabelleitungen zu signifikant größeren kapazitiven Strömen (die 10 A überschreiten). Unter solchen Bedingungen kann der Erdfeuerbogen nicht zuverlässig erlöschen, was folgende Konsequenzen hat:
Das intermittierende Erlöschen und Wiederentzünden des Einphasen-Erdfeuerbogens erzeugt Erdfeuerbogen-Überspannungen mit Amplituden, die bis zu 4U (wo U die Spitzenphasenspannung ist) oder sogar höher reichen, und über einen längeren Zeitraum andauern. Dies stellt eine ernsthafte Bedrohung für die Isolation elektrischer Geräte dar, kann an schwachen Isolationsstellen zu Durchschlägen führen und zu schwerwiegenden Schäden resultieren.
Dauerhaftes Feuern führt zur Ionisierung der Luft, verschlechtert die Isolation der umliegenden Luft und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen.
Es können Ferroresonanz-Überspannungen auftreten, die potentielle Transformatoren (PTs) und Blitzableiter leicht beschädigen können und in schweren Fällen sogar zur Explosion von Blitzableitern führen. Diese Konsequenzen gefährden ernsthaft die Isolation der Netzeinrichtungen und bedrohen den sicheren Betrieb des Stromnetzes.
Um die oben genannten Unfälle zu vermeiden und ausreichend Nullfolgestrom und -spannung für den zuverlässigen Betrieb des Erdfehlerschutzes bereitzustellen, muss ein künstlicher Neutralpunkt geschaffen werden, damit ein Erdwiderstand angeschlossen werden kann. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden Erdtransformator (häufig als "Erdungseinheiten" bezeichnet) entwickelt. Ein Erdtransformator schafft einen künstlichen Neutralpunkt mit einem Erdwiderstand, der in der Regel einen sehr niedrigen Widerstandswert hat (in der Regel weniger als 5 Ohm).
Aufgrund seiner elektromagnetischen Eigenschaften zeigt der Erdtransformator gegenüber positiven und negativen Folgeströmen einen hohen Impedanzwert, sodass nur ein kleiner Anregungsstrom durch seine Wicklungen fließt. Auf jedem Kernarm sind zwei Wicklungsteile in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Wenn gleiche Nullfolgeströme durch diese Wicklungen auf demselben Kernarm fließen, zeigen sie einen geringen Impedanzwert, was zu einem minimalen Spannungsabfall über den Wicklungen unter Nullfolgebedingungen führt.
Während eines Erdfehlers fließen positive, negative und Nullfolgeströme durch die Wicklungen. Die Wicklung zeigt gegenüber positiven und negativen Folgeströmen einen hohen Impedanzwert, aber für den Nullfolgestrom sind die beiden Wicklungen derselben Phase in Serie mit entgegengesetzter Polarität verbunden. Ihre induzierten elektromotorischen Kräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, so dass sie sich gegenseitig aufheben und somit einen geringen Impedanzwert aufweisen.
In vielen Anwendungen werden Erdtransformator ausschließlich verwendet, um einen Neutralpunkt mit einem kleinen Erdwiderstand bereitzustellen und liefern keine Last; daher werden viele Erdtransformator ohne Sekundärwicklung konstruiert. Während des normalen Netzbetriebs arbeitet der Erdtransformator im Wesentlichen im Leerlauf. Allerdings trägt er während eines Fehlers nur für kurze Zeit den Fehlerstrom.
In einem System mit niederohmig erdtem Neutralpunkt tritt bei einem Einphasen-Erdefehler ein hochsensibler Nullfolgeschutz schnell ein und isoliert vorübergehend den fehlerhaften Leiter. Der Erdtransformator ist nur während des kurzen Intervalls zwischen dem Auftreten des Erdfehlers und dem Einschalten des Nullfolgeschutzes zum Beseitigen des Fehlers aktiv. Während dieser Zeit fließt Nullfolgestrom durch den neutralen Erdwiderstand und den Erdtransformator, wie folgt gegeben:
wobei U die Systemphasenspannung, R1 der neutrale Erdwiderstand und R2 der zusätzliche Widerstand im Erdfehlerring ist.
Basierend auf der obigen Analyse sind die Betriebsmerkmale von Erdtransformator: langfristiger Leerlaufbetrieb mit kurzfristiger Überlastfähigkeit.
Zusammenfassend schafft ein Erdtransformator einen künstlichen Neutralpunkt, um einen Erdwiderstand anzuschließen. Bei einem Erdfehler zeigt er gegenüber positiven und negativen Folgeströmen einen hohen Impedanzwert, aber gegenüber Nullfolgestrom einen geringen Impedanzwert, was den zuverlässigen Betrieb des Erdfehlerschutzes ermöglicht.
Derzeit dienen die in Umspannwerken installierten Erdtransformator zwei Zwecken:
Bereitstellung von Niederspannungs-Wechselstrom für die Hilfsversorgung im Umspannwerk;
Erstellung eines künstlichen Neutralpunkts auf der 10-kV-Seite, der in Kombination mit einer Bögenlöschspule den kapazitiven Erdfehlerstrom bei Einphasen-Erdefehlern von 10 kV kompensiert, wodurch der Feuerbogen am Fehlerort erlischt. Das Prinzip lautet wie folgt:
Entlang der gesamten Länge der Leitung in einem dreiphasigen Stromnetz existieren Kapazitäten zwischen den Phasen und zwischen jeder Phase und Erde. Wenn der Netznachlauf nicht fest erdet ist, wird die Phasen-zu-Erde-Kapazität der defekten Phase bei einem Einphasen-Erdefehler null, während die Phasen-zu-Erde-Spannungen der anderen beiden Phasen auf √3 mal die normale Phasenspannung steigen. Obwohl diese erhöhte Spannung die für die Sicherheit vorgesehene Isolationsstärke nicht überschreitet, erhöht sie ihre Phasen-zu-Erde-Kapazität.
Der kapazitive Erdschlussstrom bei einer Einphasenstörung beträgt etwa das Dreifache des normalen kapazitiven Stroms pro Phase. Wenn dieser Strom groß ist, kann er leicht intermittierende Bogenentladungen verursachen, was zu Überspannungen im LC-Resonanzkreis führt, der durch die Netzinduktivität und -kapazität gebildet wird, mit Spannungen, die 2,5 bis 3 Mal so hoch wie die Phasenspannung sind. Je höher die Netzspannung, desto größer das Risiko durch solche Überspannungen. Daher dürfen nur Systeme unter 60 kV mit unerdeter Neutralleitung betrieben werden, da ihre einphasigen kapazitiven Erdschlussströme relativ klein sind. Bei höheren Spannungsniveaus muss ein Erdtransformator verwendet werden, um den Neutralpunkt über einen Widerstand zu erden.
Wenn die 10 kV-Seite eines Umspannwerkshaupttransformators in Delta oder Stern ohne Neutralpunkt angeschlossen ist und der einphasige kapazitive Erdschlussstrom groß ist, wird ein Erdtransformator benötigt, um einen künstlichen Neutralpunkt zu schaffen, um eine Bogenlöschspule anzuschließen. Dies bildet ein künstliches neutrales Erdungssystem – die Hauptfunktion des Erdtransformators. Während des normalen Betriebs hält der Erdtransformator die ausgeglichene Netzspannung aus und trägt nur einen kleinen Anregungsstrom (Leerlaufbedingung).
Die Potentialdifferenz zwischen Neutralpunkt und Erde beträgt Null (unter Vernachlässigung der geringen Verschiebungsspannung am Neutralpunkt durch die Bogenlöschspule), und kein Strom fließt durch die Bogenlöschspule. Angenommen, es tritt ein Kurzschluss von Phase C zur Erde auf, fließt die durch die Dreiphasenasymmetrie entstehende Nullfolgespannung durch die Bogenlöschspule zur Erde. Wie bei der Bogenlöschspule selbst kompensiert der induzierte induktive Strom den kapazitiven Erdschlussstrom, wodurch der Bogen am Störort eliminiert wird.
In den letzten Jahren kam es in einem bestimmten Bereich in 110 kV-Umspannwerken zu mehreren Fehlschaltungen der Schutzanlagen des Erdtransformators, was die Netzstabilität stark beeinträchtigte. Um die Ursachen zu identifizieren, wurden Analysen der Gründe für diese Fehlschaltungen durchgeführt, und entsprechende Maßnahmen wurden implementiert, um Wiederholungen zu verhindern und als Referenz für andere Bereiche zu dienen.
Derzeit verwenden 10 kV-Ausgänge in 110 kV-Umspannwerken zunehmend Kabel, was den einphasigen kapazitiven Erdschlussstrom im 10 kV-System signifikant erhöht. Um die Überspannungsmagnitude bei einphasigen Erdschlüssen zu unterdrücken, haben 110 kV-Umspannwerke begonnen, Erdtransformatoren zu installieren, um ein niedrigwiderständiges Erdungsschema zu implementieren und einen Nullfolgestrompfad zu etablieren. Dies ermöglicht selektiven Nullfolgeschutz, um Erdschlüsse basierend auf der Störortlage zu isolieren, um Bogenneubildung und Überspannung zu verhindern und somit eine sichere Energieversorgung der Netzeinrichtungen sicherzustellen.
Ab 2008 wurde in einem bestimmten regionalen Netzwerk die 10 kV-Systeme der 110 kV-Umspannwerke zu niedrigwiderständiger Erdung umgerüstet, indem Erdtransformatoren und zugehörige Schutzanlagen installiert wurden. Dies ermöglichte eine schnelle Isolierung von jedem 10 kV-Speiseleiter-Erdschluss, um den Netzbeeinflussung zu minimieren. Allerdings erlebten kürzlich fünf 110 kV-Umspannwerke in dem Bereich wiederholt Fehlschaltungen der Schutzanlagen des Erdtransformators, was zu Umspannwerksausfällen und schweren Beeinträchtigungen der Netzstabilität führte. Daher ist es wesentlich, die Ursachen zu identifizieren und korrektive Maßnahmen zu ergreifen, um die Sicherheit des regionalen Netzes aufrechtzuerhalten.
1. Analyse der Ursachen für Fehlschaltungen der Schutzanlagen des Erdtransformators
Wenn ein 10 kV-Speiseleiter einen Erdkurzschluss hat, sollte zunächst der Nullfolgeschutz des fehlerhaften Speiseleiters im 110 kV-Umspannwerk aktiviert werden, um den Fehler zu isolieren. Falls dies nicht korrekt erfolgt, wirkt der Nullfolgeschutz des Erdtransformators als Rückfallebene, um den Buskoppelkreuzer und beide Seiten des Haupttransformators abzuschalten, um den Fehler zu isolieren. Daher ist die korrekte Funktion des 10 kV-Speiseleiter-Schutzes und -Schalters entscheidend für die Netzsicherheit. Die statistische Analyse der Fehlschaltungen in fünf 110 kV-Umspannwerken zeigt, dass die primäre Ursache das Versagen der 10 kV-Speiseleiter, um Erdschlüsse korrekt zu beseitigen, ist.
Funktionsweise des 10 kV-Speiseleiter-Nullfolgeschutzes:
Nullfolgenstromwandler-Abtastung → Aktivierung des Speiseleiterschutzes → Abschaltung des Schalters.
Von diesem Prinzip her sind der Nullfolgenstromwandler, der Speiseleiterschutz und der Schalter Schlüsselkomponenten für die korrekte Funktion. Im Folgenden werden die Ursachen für Fehlschaltungen aus diesen Aspekten analysiert:
1.1 Fehlschaltung aufgrund von Fehlern des Nullfolgenstromwandlers, die zur Fehlfunktion des Erdtransformatorschutzes führen.
Bei einem 10 kV-Speiseleiter-Erdschluss detektiert der fehlerhafte Nullfolgenstromwandler den Fehlerstrom, wodurch sein Schutz aktiviert wird, um den Fehler zu isolieren. Gleichzeitig detektiert auch der Nullfolgenstromwandler des Erdtransformators den Fehlerstrom und initiiert den Schutz. Um Selektivität zu gewährleisten, ist der 10 kV-Speiseleiter-Nullfolgeschutz mit niedrigerem Strom und kürzeren Zeiteinstellungen als der Erdtransformatorschutz eingestellt. Stromeinstellungen: Erdtransformator – 75 A Primär, 1,5 s zum Abschalten des 10 kV-Buskoppelkreuzers, 1,8 s zum Blockieren des 10 kV-Automatismus, 2,0 s zum Abschalten der Niederspannungsseite des Transformators, 2,5 s zum Abschalten beider Seiten; 10 kV-Speiseleiter – 60 A Primär, 1,0 s zum Abschalten des Schalters.
Jedoch sind Stromwandlerfehler unvermeidlich. Wenn der Erdtransformator-Stromwandler einen -10% Fehler und der Speiseleiter-Stromwandler einen +10% Fehler hat, werden die tatsächlichen Betriebsströme 67,5 A und 66 A – fast gleich. Wenn man sich allein auf die Zeitabstufung verlässt, könnte ein 10 kV-Speiseleiter-Erdschluss leicht dazu führen, dass der Nullfolgeüberstromschutz des Erdtransformators vorzeitig auslöst.
1.2 Fehlschaltung aufgrund falscher Erdung des Kabelschirms.
110 kV-Umspannwerke verwenden 10 kV-Speiseleiter mit geschirmten Kabeln, deren Schirme an beiden Enden geerdet sind – eine übliche Praxis zur EMI-Minderung. Nullfolgenstromwandler sind toroidale Typen, die um Kabel an den Ausgangsterminale der Schaltanlagen installiert sind. Bei Erdschlüssen induzieren ungleichmäßige Ströme Signale im Stromwandler, um den Schutz zu aktivieren. Mit Erdung an beiden Enden passieren die induzierten Ströme im Schirm jedoch auch den Nullfolgenstromwandler, was zu falschen Signalen führt. Ohne angemessene Minderung beeinträchtigt dies die Genauigkeit des Speiseleiter-Nullfolgeschutzes, was zur Fehlfunktion des Erdtransformatorschutzes führt.
1.3 Fehlschaltung aufgrund des Versagens des 10 kV-Speiseleiter-Schutzes.
Moderne Mikroprozessor-Relais bieten verbesserte Leistung, aber unterschiedliche Herstellerqualität und mangelnde Wärmeableitung bleiben Probleme. Fehlerstatistiken zeigen, dass die Versorgungsmodule, Abtastplatten, CPU-Platten und Ausgabemodule des 10 kV-Speiseleiter-Schutzes am meisten anfällig für Fehler sind. Unentdeckte Fehler können zu Schutzverweigerungen führen, was Fehlfunktionen des Erdtransformators auslöst.
1.4 Ausfall des 10 kV-Speiseleiterschalters führt zu Fehlfunktionen.
Durch Alterung häufiger Betriebsvorgänge oder innewohnende Qualitätsprobleme nehmen die Ausfälle von 10 kV-Schaltanlagen – insbesondere in den Steuerkreisen – zu. In weniger entwickelten bergigen Gebieten sind ältere GG-1A-Schaltanlagen noch im Einsatz und weisen höhere Fehlerquoten bei Erdfehlern auf. Selbst wenn der Nullstellenschutz korrekt funktioniert, führt ein Schalterausfall (z. B. durch einen ausgebrannten Tripspule, der den Betrieb verhindert) zur Fehlfunktion des Erdtransformators.
1.5 Hochimpedanz-Erdschlüsse an zwei 10 kV-Speiseleitern (oder schwerwiegende einzelne Hochimpedanzstörung) führen zu Fehlfunktionen.
Wenn zwei Leiter gleichphasige Hochimpedanz-Erdschlüsse erleiden, bleiben die individuellen Nullstellströme möglicherweise unter dem 60 A-Auslösewert (z. B. 40 A und 50 A), so dass die Leitschutzschaltungen nur Alarm geben. Der Summenstrom (90 A) überschreitet jedoch die 75 A-Einstellung des Erdtransformators, was zu einem vorzeitigen Auslösen führt. Bei vollständig kabelgebundenen 10 kV-Leitern können normale kapazitive Ströme 12–15 A erreichen. Sogar ein einziger schwerwiegender Hochimpedanzfehler (z. B. 58 A) plus normaler kapazitiver Strom nähert sich 75 A. Systemoszillationen könnten dann leicht eine Fehlfunktion des Erdtransformators auslösen.
2. Maßnahmen zur Verhinderung von Fehlfunktionen des Erdtransformator-Schutzes
Basierend auf der obigen Analyse werden die folgenden Maßnahmen empfohlen:
2.1 Um Fehlfunktionen durch CT-Fehler zu verhindern
Verwenden Sie hochwertige Nullstellstransformatoren; prüfen Sie die CT-Kennlinien sorgfältig vor der Installation und lehnen Sie alle mit einem Fehler über 5% ab; setzen Sie die Schutzeinstellungen basierend auf dem Primärstrom; überprüfen Sie die Einstellungen durch Primärspeisungstests.
2.2 Um falsche Erdung des Kabelschildes zu verhindern
Kabelschilderdungsleiter müssen nach unten durch den Nullstellstransformator geführt und von den Kabeltray isoliert sein. Es darf keine Erdverbindung vor dem Durchgang durch den Transformatoren erfolgen. Metallenden für Primärspeisungstests freilegen; den Rest zuverlässig isolieren.
Falls der Erdpunkt des Schildes unterhalb des Transformatoren liegt, darf der Leiter nicht durch den Transformatoren geführt werden. Vermeiden Sie, den Schilderderungsleiter durch die Mitte des Transformatoren zu führen.
Verbessern Sie die technische Schulung, damit die Relais- und Kabelteams die Installationsmethoden für CT und Schilderdeung vollständig verstehen.
Stärken Sie die Abnahmeverfahren mit gemeinsamen Inspektionen durch Relais-, Betriebs- und Kabelteams.
2.3 Um Leitungsschutzausfälle zu verhindern
Wählen Sie bewährte, zuverlässige Schutzgeräte; ersetzen Sie alte oder häufig defekte Einheiten; verbessern Sie die Wartung; installieren Sie Klimaanlagen und Lüftung, um das Betreiben bei hohen Temperaturen zu verhindern.
2.4 Um Leitungsschalterausfälle zu verhindern
Verwenden Sie zuverlässige, reifere Schaltanlagen; ersetzten Sie alte GG-1A-Schranken durch dichtende, federgeladene oder motorbetriebene Typen; warten Sie die Steuerkreise; verwenden Sie hochwertige Tripspulen.
2.5 Um Fehlfunktionen durch Hochimpedanzfehler zu verhindern
Patrouillieren und reparieren Sie sofort Leiter bei Nullstellalarm; reduzieren Sie die Leiterlängen; balancieren Sie die Phasenlasten, um die normalen kapazitiven Ströme zu minimieren.
3. Schlussfolgerung
Da immer mehr regionale Netze Erdtransformatoren und zugehörige Schutzsysteme installieren, um Struktur und Stabilität zu verbessern, zeigen wiederkehrende Fehlfunktionen die Notwendigkeit auf, die negativen Auswirkungen zu adressieren. Dieser Artikel analysiert die Hauptursachen für Fehlfunktionen des Erdtransformator-Schutzes und schlägt Gegenmaßnahmen vor, die Anleitungen für Regionen bieten, die solche Systeme installiert haben oder planen, sie zu installieren.
