تبدیلکننده زمینسازی: دلایل و اشتباهات عملکرد و راهکارهای آن در زیرстанسیونهای ۱۱۰ کیلوولت
در سیستم برق چین، شبکههای ۶ کیلوولت، ۱۰ کیلوولت و ۳۵ کیلوولت معمولاً از حالت عملیاتی بدون زمین شدن نقطه میانی استفاده میکنند. طرف ولتاژ توزیع در ترانسفورماتور اصلی شبکه معمولاً به صورت دلتا متصل میشود که هیچ نقطه میانی برای اتصال مقاومت زمینسازی فراهم نمیکند.
هنگامی که خطا تکفازی زمینی در سیستم بدون زمین شدن نقطه میانی رخ میدهد، مثلث ولتاژ بین فازها متقارن باقی میماند که تأثیر کمی بر عملکرد کاربران دارد. علاوه بر این، وقتی جریان ظرفیتی نسبتاً کوچک است (کمتر از ۱۰ آمپر)، برخی از خطاهای زمینی موقتی میتوانند خودبهخود منقرض شوند که این موضوع در بهبود قابلیت اطمینان تأمین برق و کاهش حوادث قطع برق بسیار موثر است.
با این حال، با گسترش و توسعه پیوسته صنعت برق، این روش ساده دیگر نیازهای فعلی را برآورده نمیکند. در شبکههای برق شهری مدرن، استفاده رو به افزایش از مدارهای کابلی منجر به جریانهای ظرفیتی بسیار بزرگتر (بیش از ۱۰ آمپر) شده است. در چنین شرایطی، قوس زمینی نمیتواند به طور قابل اعتماد منقرض شود، که منجر به عواقب زیر میشود:
منقرض شدن و دوباره روشن شدن متناوب قوس تکفازی زمینی باعث ایجاد ولتاژهای بیش از حد قوس-زمین با دامنهای بالغ بر ۴U (که U ولتاژ فازی حداکثری است) یا حتی بیشتر میشود که برای مدت طولانی ادامه دارد. این مسئله تهدید جدی برای عایق بندی تجهیزات الکتریکی است که میتواند به شکستن نقاط ضعیف عایق بندی منجر شده و باعث خسارات بزرگ شود.
قوس پایدار باعث یونیزاسیون هوا میشود و عایق بندی محیطی را تضعیف میکند و احتمال قطع کوتاه بین فازها را افزایش میدهد.
ممکن است ولتاژهای بیش از حد فروسرخی رخ دهند که به آسانی میتوانند ترانسفورماتورهای ولتاژ (PTs) و محافظهای برقآبی را خراب کنند و در شرایط وخیم، حتی منجر به انفجار محافظهای برقآبی شوند. این عواقب عایق بندی تجهیزات شبکه را به شدت تهدید میکنند و عملکرد ایمن سیستم برق را مورد تهدید قرار میدهند.
برای جلوگیری از حوادث فوق و ارائه جریان و ولتاژ صفری کافی برای عملکرد قابل اعتماد محافظ خطا زمینی، لازم است یک نقطه میانی مصنوعی ایجاد شود تا بتوان مقاومت زمینسازی را به آن متصل کرد. برای برآورده کردن این نیاز، ترانسفورماتورهای زمینسازی (معمولاً به عنوان "واحد زمینسازی" شناخته میشوند) توسعه یافتهاند. ترانسفورماتور زمینسازی یک نقطه میانی مصنوعی با مقاومت زمینسازی ایجاد میکند که معمولاً مقاومت بسیار کمی (معمولاً کمتر از ۵ اهم) دارد.
علاوه بر این، به دلیل ویژگیهای الکترومغناطیسی، ترانسفورماتور زمینسازی مقاومت بالایی را به جریانهای توالی مثبت و منفی ارائه میدهد و فقط جریان تحریک کوچکی از طریق سیمپیچهای آن میگذرد. روی هر شاخه هسته، دو بخش سیمپیچ به جهتهای مخالف پیچیده شدهاند. هنگامی که جریانهای صفری مساوی از طریق این سیمپیچها روی همان شاخه هسته میگذرند، مقاومت کمی ارائه میدهند، که منجر به کاهش ولتاژ کمی در سیمپیچها در شرایط صفری میشود.
در زمان خطا زمینی، جریانهای توالی مثبت، منفی و صفری از طریق سیمپیچها میگذرند. سیمپیچ مقاومت بالایی را به جریانهای توالی مثبت و منفی ارائه میدهد، اما برای جریان صفری، دو سیمپیچ موجود در همان فاز به صورت سری و با قطبیت مخالف متصل میشوند. القای الکتروموتوری آنها از نظر مقدار مساوی اما از نظر جهت مخالف هستند که به طور مؤثر یکدیگر را خنثی میکنند و بنابراین مقاومت کمی ارائه میدهند.
در بسیاری از کاربردها، ترانسفورماتورهای زمینسازی فقط برای ارائه یک نقطه میانی با مقاومت زمینسازی کوچک و بدون تأمین بار استفاده میشوند؛ بنابراین بسیاری از ترانسفورماتورهای زمینسازی بدون سیمپیچ ثانویه طراحی شدهاند. در حین عملکرد معمول شبکه، ترانسفورماتور زمینسازی به طور اساسی در حالت بدون بار عمل میکند. با این حال، در زمان خطا، فقط برای مدت کوتاهی جریان خطا را منتقل میکند.
در سیستم زمینسازی مقاومت کم، هنگامی که خطا تکفازی زمینی رخ میدهد، محافظ صفری بسیار حساس به سرعت خطا را تشخیص میدهد و به طور موقت فیدر خراب را جدا میکند. ترانسفورماتور زمینسازی فقط در بازه کوتاه بین رخ دادن خطا و عملکرد محافظ صفری برای رفع خطا فعال است. در این زمان، جریان صفری از طریق مقاومت زمینسازی میانی و ترانسفورماتور زمینسازی میگذرد، که توسط فرمول زیر محاسبه میشود
که در آن U ولتاژ فازی سیستم است، R1 مقاومت زمینسازی میانی و R2 مقاومت اضافی در حلقه خطا زمینی است.
بر اساس تحلیل فوق، ویژگیهای عملکردی ترانسفورماتورهای زمینسازی عبارتند از: عملکرد بلندمدت بدون بار و قابلیت بارگذاری کوتاهمدت.
به طور خلاصه، ترانسفورماتور زمینسازی یک نقطه میانی مصنوعی ایجاد میکند تا بتوان مقاومت زمینسازی را به آن متصل کرد. در زمان خطا زمینی، مقاومت بالایی را به جریانهای توالی مثبت و منفی ارائه میدهد اما مقاومت کمی را به جریان صفری ارائه میکند که عملکرد قابل اعتماد محافظ خطا زمینی را امکانپذیر میسازد.
در حال حاضر، ترانسفورماتورهای زمینسازی نصب شده در زیرстанیونها دو هدف را دنبال میکنند:
تأمین برق متناوب ولتاژ پایین برای استفادههای کمکی زیرستانیون;
ایجاد یک نقطه میانی مصنوعی در طرف ۱۰ کیلوولت، که با ترکیب با یک سیمپیچ خنثیکننده قوس، جریان خطا زمینی ظرفیتی در خطا تکفازی ۱۰ کیلوولت را جبران میکند و بنابراین قوس در نقطه خطا را خاموش میکند. اصل این کار به شرح زیر است:
در طول کل خطوط انتقال در شبکه برق سهفازی، ظرفیتهایی بین فازها و بین هر فاز و زمین وجود دارد. هنگامی که نقطه میانی شبکه به طور محکم زمیننشین نیست، ظرفیت فاز-زمین فاز خراب در زمان خطا تکفازی زمینی صفر میشود، در حالی که ولتاژ فاز-زمین دو فاز دیگر به √۳ برابر ولتاژ فازی معمولی افزایش مییابد. اگرچه این افزایش ولتاژ از قدرت عایق بندی طراحی شده برای ایمنی فراتر نمیرود، اما ظرفیت فاز-زمین آنها را افزایش میدهد.
جریان خطا در زمینگیری ظرفیتی در حالت خطا تکفازی تقریباً سه برابر جریان ظرفیتی معمول هر فاز است. هنگامی که این جریان بزرگ است، به راحتی باعث شارش متناوب میشود و منجر به افزایش ولتاژ در مدار نوسانی LC تشکیل شده از القای شبکه و ظرفیت میشود که مقدار آن میتواند ۲/۵ تا ۳ برابر ولتاژ فازی باشد. هرچه ولتاژ شبکه بالاتر باشد، خطر از این نوع افزایش ولتاژ بیشتر خواهد بود. بنابراین، فقط سیستمهای زیر ۶۰ kV میتوانند با نقطه محاوره بدون زمینگیری عمل کنند، چون جریانهای ظرفیتی خطا تکفازی آنها نسبتاً کوچک است. برای سطوح ولتاژ بالاتر، باید از ترانسفورماتور زمینگیری استفاده شود تا نقطه محاوره از طریق مقاومت به زمین متصل شود.
هنگامی که طرف ۱۰ kV ترانسفورماتور اصلی زیرстан به صورت دلتا یا ستاره بدون نقطه محاوره متصل شود و جریان ظرفیتی خطا تکفازی بزرگ باشد، نیاز به ترانسفورماتور زمینگیری برای ایجاد نقطه محاوره مصنوعی وجود دارد تا به میله خنثیساز متصل شود. این یک سیستم زمینگیری مصنوعی میسازد—که اصلیترین عملکرد ترانسفورماتور زمینگیری است. در شرایط عادی، ترانسفورماتور زمینگیری ولتاژ متقارن شبکه را تحمل میکند و فقط جریان تحریک کوچک (بدون بار) را منتقل میکند.
اختلاف پتانسیل نقطه محاوره-زمین صفر است (به جز اختلاف کوچک پتانسیل نقطه محاوره از میله خنثیساز) و هیچ جریانی از طریق میله خنثیساز نمیگذرد. فرض کنید که یک خطا تکفازی در فاز C به زمین رخ دهد، ولتاژ توالی صفر ناشی از عدم تقارن سهفاز از طریق میله خنثیساز به زمین میرود. مانند خود میله خنثیساز، جریان القایی القایی که ایجاد میشود جریان خطا ظرفیتی را جبران میکند و قوس الکتریکی در محل خطا را خاموش میکند.
در سالهای اخیر، در چندین زیرستان ۱۱۰ kV در منطقهای خاص، خطاهای عملکرد محافظ ترانسفورماتور زمینگیری رخ داده است که تأثیرات جدی بر پایداری شبکه داشته است. برای شناسایی دلایل اساسی، تحلیلهایی درباره دلایل این خطاهای عملکرد انجام شده و اقدامات متناسب برای جلوگیری از تکرار آنها و ارائه مرجع برای سایر مناطق اجرا شده است.
در حال حاضر، خطوط خروجی کابلی در سیستمهای ۱۰ kV زیرستانهای ۱۱۰ kV به طور چشمگیری افزایش یافته است، که منجر به افزایش جریان خطا ظرفیتی تکفازی در سیستم ۱۰ kV شده است. برای کنترل میزان افزایش ولتاژ در مواقع خطا تکفازی، زیرستانهای ۱۱۰ kV شروع به نصب ترانسفورماتورهای زمینگیری برای اجرای طرح زمینگیری با مقاومت پایین کردهاند که مسیر جریان توالی صفر را ایجاد میکند. این امکان را میدهد که محافظ توالی صفر انتخابی بر اساس محل خطا، خطا را جدا کند و از دوباره روشن شدن قوس الکتریکی و افزایش ولتاژ جلوگیری کند، بدین ترتیب تأمین برق ایمن به تجهیزات شبکه را تضمین میکند.
از سال ۲۰۰۸، شبکه منطقهای خاصی شروع به بهروزرسانی سیستمهای ۱۰ kV زیرستانهای ۱۱۰ kV خود به زمینگیری با مقاومت پایین با نصب ترانسفورماتورهای زمینگیری و دستگاههای محافظ مرتبط کرده است. این امر امکان جداسازی سریع هر خطا تکفازی در خطوط ۱۰ kV را فراهم میکند و تأثیر آن بر شبکه را به حداقل میرساند. با این حال، اخیراً، پنج زیرستان ۱۱۰ kV در منطقه تجربه خطاها چندین باره محافظ ترانسفورماتور زمینگیری را داشتهاند که باعث قطع برق زیرستانها و اختلال جدی در پایداری شبکه شده است. بنابراین، شناسایی دلایل و اجرای اقدامات اصلاحی برای حفظ امنیت شبکه منطقهای ضروری است.
۱.تحلیل دلایل خطا در محافظ ترانسفورماتور زمینگیری
وقتی که خط ۱۰ kV دچار خطا تکفازی به زمین شود، محافظ توالی صفر خط خطا در زیرستان ۱۱۰ kV باید ابتدا عمل کند تا خطا را جداسازی کند. اگر این عملکرد صحیح انجام نشود، محافظ توالی صفر ترانسفورماتور زمینگیری به عنوان پشتیبان عمل خواهد کرد و مدار قطعکننده میله اتصال و دو طرف ترانسفورماتور اصلی را قطع کرده تا خطا را جداسازی کند. بنابراین، عملکرد صحیح محافظ و قطعکننده خط ۱۰ kV برای امنیت شبکه بسیار مهم است. تحلیل آماری خطاهای پنج زیرستان ۱۱۰ kV نشان میدهد که عامل اصلی عدم توانایی خطوط ۱۰ kV در جداسازی صحیح خطا تکفازی است.
اصل عملکرد محافظ توالی صفر خط ۱۰ kV:
نمونهبرداری CT توالی صفر → فعالسازی محافظ خط → قطع مدار قطعکننده.
با توجه به این اصل، CT توالی صفر، رله محافظ خط و مدار قطعکننده اجزای کلیدی برای عملکرد صحیح هستند. در ادامه، دلایل خطا از این جهات تحلیل میشود:
۱.۱ خطای CT توالی صفر موجب خطا در محافظ ترانسفورماتور زمینگیری میشود.
در حالت خطا تکفازی خط ۱۰ kV، CT توالی صفر خط خطا جریان خطا را تشخیص میدهد و محافظ آن برای جداسازی خطا عمل میکند. همزمان، CT توالی صفر ترانسفورماتور زمینگیری نیز جریان خطا را تشخیص میدهد و محافظ آن را فعال میکند. برای تضمین انتخابی بودن، محافظ توالی صفر خط ۱۰ kV با تنظیمات جریان و زمان کمتری نسبت به محافظ ترانسفورماتور زمینگیری تنظیم میشود. تنظیمات جریان: ترانسفورماتور زمینگیری—۷۵ A اصلی، ۱.۵ ثانیه برای قطع میله اتصال ۱۰ kV، ۱.۸ ثانیه برای مسدود کردن انتقال خودکار ۱۰ kV، ۲.۰ ثانیه برای قطع طرف پایینولتاژ ترانسفورماتور، ۲.۵ ثانیه برای قطع هر دو طرف؛ خط ۱۰ kV—۶۰ A اصلی، ۱.۰ ثانیه برای قطع قطعکننده.
با این حال، خطاهای CT اجتنابناپذیر هستند. اگر CT ترانسفورماتور زمینگیری خطای -۱۰٪ و CT خط خطای +۱۰٪ داشته باشد، جریانهای عملی به ترتیب ۶۷.۵ A و ۶۶ A خواهند بود—نزدیک به هم. با توجه به تنها استفاده از تقسیمبندی زمانی، خطا تکفازی خط ۱۰ kV میتواند به راحتی باعث عمل زودرس محافظ توالی صفر جریان اضافی ترانسفورماتور زمینگیری شود.
۱.۲ زمینگیری غیرصحیح میله محافظ کابل موجب خطا میشود.
خطوط ۱۰ kV زیرستانهای ۱۱۰ kV از کابلهای محافظدار استفاده میکنند که محافظها در هر دو سر زمینگیری شدهاند—که یک روش معمول کاهش EMI است. CTهای توالی صفر نوع حلقهای هستند که حول کابلها در انتهای خروجی تجهیزات قطعکننده نصب میشوند. در حالت خطا، جریانهای نامتقارن سیگنالهایی را در CT القا میکنند تا محافظ عمل کند. با این حال، با زمینگیری دو سر، جریانهای القایی در محافظ نیز از طریق CT توالی صفر میگذرند و سیگنالهای نادرست ایجاد میکنند. بدون رفع صحیح، این موضوع دقت محافظ توالی صفر خط را کاهش میدهد و باعث عمل پشتیبانی محافظ ترانسفورماتور زمینگیری میشود.
۱.۳ خطا در محافظ خط ۱۰ kV موجب خطا میشود.
رلههای مبتنی بر میکروپروسسور عملکرد بهتری دارند، اما کیفیت متغیر سازندگان و تخلیه حرارتی ضعیف همچنان مشکلاتی هستند. آمار خطاها نشان میدهد که ماژولهای تأمین تغذیه، بردهای نمونهبرداری، بردهای CPU و ماژولهای خروجی قطع در محافظهای خط ۱۰ kV بیشترین خطر خرابی را دارند. خرابیهای غیرقابل تشخیص میتوانند باعث عدم عملکرد محافظ شوند و باعث عمل نامناسب محافظ ترانسفورماتور زمینگیری شوند.
۱.۴ شکست قطع کننده فیدر ۱۰ کیلوولت باعث عملکرد نادرست میشود.
با تقادم، عملیات مکرر یا مشکلات ذاتی کیفیت، شکست دادههای ۱۰ کیلوولت - به ویژه در مدارهای کنترل - افزایش مییابد. در مناطق کوهستانی کم توسعه، دستگاههای GG-1A قدیمی هنوز در خدمت هستند که نرخ خطا در زمین بالاتر است. حتی اگر حفاظ صفری قطع کننده صحیح عمل کند (مانند سوختن پریز قطع کننده که مانع عملکرد آن میشود)، ترانسفورماتور زمینساز به طور نادرست عمل میکند.
۱.۵ خطاهای زمینی با مقاومت بالا در دو فیدر ۱۰ کیلوولت (یا خطای زمینی شدید تک) باعث عملکرد نادرست میشود.
هنگامی که دو فیدر خطاهای زمینی با مقاومت بالا در فاز یکسان تجربه میکنند، جریانهای صفری جداگانه ممکن است زیر حد قطع ۶۰ آمپر (مثلاً ۴۰ آمپر و ۵۰ آمپر) بمانند، بنابراین حفاظ فیدر فقط هشدار میدهند. اما جمع جریان (۹۰ آمپر) از تنظیم ۷۵ آمپر ترانسفورماتور زمینساز بیشتر میشود و باعث قطع زودرس میگردد. با فیدرهای ۱۰ کیلوولت کامل کابلی، جریانهای ظرفیتی معمولی میتوانند به ۱۲-۱۵ آمپر برسند. حتی یک خطای زمینی شدید با مقاومت بالا (مثلاً ۵۸ آمپر) به اضافه جریان ظرفیتی معمولی به ۷۵ آمپر نزدیک میشود. نوسانات سیستم میتواند به راحتی باعث عملکرد نادرست ترانسفورماتور زمینساز شود.
۲. اقدامات برای جلوگیری از عملکرد نادرست حفاظ ترانسفورماتور زمینساز
براساس تحلیل فوق، اقدامات زیر توصیه میشوند:
۲.۱ برای جلوگیری از عملکرد نادرست ناشی از خطای CT
استفاده از CTهای صفری با کیفیت بالا؛ تست دقیق خصوصیات CT قبل از نصب و رد هر کدام با خطای بیش از ۵٪؛ تنظیم مقادیر قطع حفاظ بر اساس جریان اصلی؛ تأیید تنظیمات با تست تزریق اصلی.
۲.۲ برای جلوگیری از زمینسازی نادرست پوشش کابل
رسانههای زمینسازی پوشش کابل باید از طریق CT صفری به پایین عبور کرده و از دشتهای کابل جدا شوند. هیچ تماس زمینی قبل از عبور از CT نباید رخ دهد. انتهای فلزی را برای تست تزریق اصلی برمیدارند؛ بقیه را به طور قابل اعتماد عایق میکنند.
اگر نقطه زمینسازی پوشش زیر CT باشد، رسانه نباید از طریق CT عبور کند. از عبور رسانه زمینسازی از وسط CT پرهیز کنید.
افزایش آموزش فنی تا تیمهای حفاظ و کابل به طور کامل متوجه روشهای نصب CT و زمینسازی پوشش شوند.
تقویت رویههای پذیرش با بازرسیهای مشترک تیمهای حفاظ، عملیات و کابل.
۲.۳ برای جلوگیری از شکست حفاظ فیدر
انتخاب دستگاههای حفاظ ثابت و قابل اعتماد؛ تعویض واحدهای قدیمی یا با خرابی مکرر؛ افزایش نگهداری؛ نصب کولر و تهویه برای جلوگیری از عملکرد در دمای بالا.
۲.۴ برای جلوگیری از شکست قطع کننده فیدر
استفاده از دستگاههای قطع کننده ثابت و بالغ؛ حذف دستگاههای GG-1A قدیمی و استفاده از نوع محکم، با بارگیری فنری یا موتوری؛ نگهداری مدارهای کنترل؛ استفاده از پریزهای قطع با کیفیت بالا.
۲.۵ برای جلوگیری از عملکرد نادرست خطاهای با مقاومت بالا
فورا پس از هشدار صفری، پاترول و تعمیر فیدرها؛ کاهش طول فیدرها؛ تعادل بار فازها برای کاهش جریانهای ظرفیتی معمولی.
۳. نتیجهگیری
با نصب بیشتر ترانسفورماتورهای زمینساز و حفاظ مرتبط در شبکههای منطقهای برای بهبود ساختار و ثبات، حوادث مکرر عملکرد نادرست نشان میدهند که نیاز به رسیدگی به اثرات منفی وجود دارد. این مقاله علل اصلی عملکرد نادرست حفاظ ترانسفورماتور زمینساز را تحلیل میکند و راهکارهایی را پیشنهاد میدهد تا راهنمایی برای مناطقی که سیستمهای مذکور را نصب کردهاند یا قصد نصب آنها را دارند، ارائه دهد.
