ترانسفورماتور زمینکش: دلایل و اقدامات در برابر عملکرد نادرست در زیرстанسیونهای ۱۱۰ کیلوولت
در سیستم برق چین، شبکههای ۶ کیلوولت، ۱۰ کیلوولت و ۳۵ کیلوولت معمولاً از روش عملکرد بدون زمینگیری نقطه میانی استفاده میکنند. طرف ولتاژ توزیع در ترانسفورماتور اصلی شبکه معمولاً به صورت دلتا متصل میشود که هیچ نقطه میانی برای متصل کردن مقاومت زمینگیری فراهم نمیکند.
هنگامی که خطا یکفازی زمینی در یک سیستم بدون زمینگیری نقطه میانی رخ میدهد، مثلث ولتاژ بین خطوط متقارن باقی میماند و تأثیر کمی بر عملکرد کاربران دارد. علاوه بر این، هنگامی که جریان ظرفیتی نسبتاً کوچک است (کمتر از ۱۰ آمپر)، برخی از خطاها موقتاً خودبهخود منقرض میشوند که بسیار مؤثر در بهبود قابلیت اطمینان تأمین برق و کاهش حوادث قطع برق است.
با این حال، با پیشرفت و توسعه مداوم صنعت برق، این روش ساده دیگر نیازهای فعلی را برآورده نمیکند. در شبکههای برق شهری مدرن، استفاده فزاینده 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 پیامدهای زیر میشود:
خاموش و روشن شدن متناوب قوس یکفازی زمینی منجر به بیشولتاژهای قوس-زمین با دامنهای بالغ بر ۴U (که U ولتاژ پیک فازی است) یا حتی بیشتر میشود که برای مدتزمان طولانی به طول میانجامد. این وضعیت تهدید جدی برای عایق برقی تجهیزات الکتریکی ایجاد میکند و ممکن است منجر به شکست در نقاط ضعیف عایق شود و خسارات بزرگی ایجاد کند.
قوس پایدار منجر به یونیزاسیون هوا شده و عایق محیط اطراف را تضعیف میکند و احتمال خرابی بین فازی را افزایش میدهد.
بیشولتاژهای فرورنزونس ممکن است رخ دهند که به راحتی میتوانند ترانسفورماتورهای پتانسیل (PTs) و محافظهای ضدگرمازا را خراب کنند و در شرایط شدید، حتی ممکن است منجر به انفجار محافظهای ضدگرمازا شود. این پیامدها به طور جدی عایق تجهیزات شبکه را تهدید میکنند و عملکرد ایمن سیستم برق را مورد تهدید قرار میدهند.
برای جلوگیری از حوادث فوق و ارائه جریان و ولتاژ صفر-ترتیب کافی برای عملکرد قابل اعتماد محافظ زمینی، لازم است یک نقطه میانی مصنوعی ایجاد شود تا مقاومت زمینگیری متصل شود. برای برآورده کردن این نیاز، ترانسفورماتورهای زمینگیری (معمولاً به عنوان "واحد زمینگیری" شناخته میشوند) توسعه یافتهاند. ترانسفورماتور زمینگیری یک نقطه میانی مصنوعی با مقاومت زمینگیری ایجاد میکند که معمولاً مقاومت بسیار کمی دارد (معمولاً کمتر از ۵ اهم).
علاوه بر این، به دلیل ویژگیهای الکترومغناطیسی خود، ترانسفورماتور زمینگیری مقاومت بالایی به جریانهای ترتیب مثبت و منفی ارائه میدهد و فقط یک جریان تحریک کوچک را اجازه میدهد از طریق پیچههای خود عبور کند. در هر شاخه هسته، دو بخش پیچه به جهتهای مخالف پیچیده میشوند. هنگامی که جریانهای صفر-ترتیب مساوی از طریق این پیچهها در یک شاخه هسته عبور میکنند، آنها مقاومت کمی ارائه میدهند که منجر به کاهش کم ولتاژ در پیچهها در شرایط صفر-ترتیب میشود.
در زمان خطا، جریانهای ترتیب مثبت، منفی و صفر از طریق پیچهها عبور میکنند. پیچه مقاومت بالایی به جریانهای ترتیب مثبت و منفی ارائه میدهد، اما برای جریان صفر-ترتیب، دو پیچه در یک فاز به صورت سری با قطبیت مخالف متصل میشوند. القای الکتروموتوری آنها از نظر مقدار برابر اما از نظر جهت مخالف هستند که به طور موثر یکدیگر را حذف میکنند و بدین ترتیب مقاومت کمی ارائه میدهند.
در بسیاری از کاربردها، ترانسفورماتورهای زمینگیری فقط برای ارائه یک نقطه میانی با مقاومت زمینگیری کوچک استفاده میشوند و هیچ باری تأمین نمیکنند؛ بنابراین، بسیاری از ترانسفورماتورهای زمینگیری بدون پیچه ثانویه طراحی شدهاند. در طول عملکرد معمول شبکه، ترانسفورماتور زمینگیری به طور اساسی در حالت بدون بار کار میکند. با این حال، در زمان خطا، فقط برای مدت کوتاهی جریان خطا را منتقل میکند.
در یک سیستم با زمینگیری مقاومت کم نقطه میانی، هنگامی که خطا یکفازی زمینی رخ میدهد، محافظ صفر-ترتیب بسیار حساس به سرعت خطا را شناسایی و به طور موقت فیدر خراب را جدا میکند. ترانسفورماتور زمینگیری فقط در بازه کوتاه بین وقوع خطا و عملکرد محافظ صفر-ترتیب برای پاک کردن خطا فعال میشود. در این مدت، جریان صفر-ترتیب از طریق مقاومت زمینگیری میانی و ترانسفورماتور زمینگیری عبور میکند، که به صورت زیر تعیین میشود:
که در آن U ولتاژ فاز سیستم، R1 مقاومت زمینگیری میانی و R2 مقاومت اضافی در حلقه خطا است.
بر اساس تجزیه و تحلیل فوق، مشخصات عملکرد ترانسفورماتورهای زمینگیری عبارتند از: عملکرد بدون بار در مدت طولانی و توانایی بار بیش از حد در مدت کوتاه.
به طور خلاصه، ترانسفورماتور زمینگیری یک نقطه میانی مصنوعی ایجاد میکند تا مقاومت زمینگیری متصل شود. در زمان خطا، آن مقاومت بالایی به جریانهای ترتیب مثبت و منفی ارائه میدهد اما مقاومت کمی به جریان صفر-ترتیب ارائه میدهد که به عملکرد قابل اعتماد محافظ زمینی کمک میکند.
در حال حاضر، ترانسفورماتورهای زمینگیری نصب شده در زیرстанسیونها دو هدف را دنبال میکنند:
تأمین برق AC ولتاژ پایین برای استفاده کمکی زیرستانسیون؛
ایجاد یک نقطه میانی مصنوعی در طرف ۱۰ کیلوولت که با ترکیب با یک سیم پیچ خنثیساز، جریان خطا ظرفیتی زمینی در خطا یکفازی ۱۰ کیلوولت را جبران میکند و بدین ترتیب قوس در محل خطا را خاموش میکند. اصل کار به شرح زیر است:
در طول کل خطوط انتقال در یک شبکه برق سهفاز، ظرفیتهایی بین فازها و بین هر فاز و زمین وجود دارد. هنگامی که نقطه میانی شبکه به طور محکم زمینگیری نشده است، ظرفیت فاز-زمین فاز خراب شده در زمان خطا یکفازی زمینی به صفر میرسد، در حالی که ولتاژ فاز-زمین فازهای دیگر به √۳ برابر ولتاژ فازی معمولی افزایش مییابد. اگرچه این افزایش ولتاژ از قدرت عایق طراحی شده برای ایمنی فراتر نمیرود، ولی ظرفیت فاز-زمین آنها را افزایش میدهد.
جریان خطا در زمینگیری ظرفیتی طی خطای یکفازه تقریباً سه برابر جریان ظرفیتی عادی هر فاز است. وقتی این جریان بزرگ است، به راحتی قوسهای ناپایدار ایجاد میکند که منجر به ولتاژهای بالا در مدار و揩体：波斯-阿拉伯字母
جریان خطا در زمینگیری ظرفیتی طی خطای یکفازه تقریباً سه برابر جریان ظرفیتی عادی هر فاز است. وقتی این جریان بزرگ است، به راحتی قوسهای ناپایدار ایجاد میکند که منجر به ولتاژهای بالا در مدار توافقی LC تشکیل شده توسط القای شبکه و ظرفیت میشود، با مقادیری که به ۲.۵ تا ۳ برابر ولتاژ فاز میرسد. هرچه ولتاژ شبکه بیشتر باشد، خطر از این ولتاژهای بالا بیشتر است. بنابراین، تنها سیستمهای زیر ۶۰ کیلوولت میتوانند با یک نقطه میانی غیرزمینگیری شده عمل کنند، زیرا جریانهای خطا در زمینگیری ظرفیتی یکفازه آنها نسبتاً کوچک است. برای سطوح ولتاژ بالاتر، باید از یک ترانسفورماتور زمینگیری استفاده شود تا نقطه میانی از طریق مقاومت به زمین متصل شود. وقتی سمت ۱۰ کیلوولت ترانسفورماتور اصلی زیرстан به صورت دلتا یا ستاره بدون نقطه میانی متصل شود و جریان خطا در زمینگیری ظرفیتی یکفازه بزرگ باشد، نیاز به یک ترانسفورماتور زمینگیری برای ایجاد یک نقطه میانی مصنوعی وجود دارد تا امکان اتصال به یک سیم پیچ خاموشقوس فراهم شود. این یک سیستم زمینگیری مصنوعی میسازد - که تابع اصلی ترانسفورماتور زمینگیری است. در حالت عادی عملیات، ترانسفورماتور زمینگیری ولتاژ تعادلی شبکه را تحمل میکند و فقط یک جریان تحریک کوچک (در حالت بدون بار) را منتقل میکند. اختلاف پتانسیل بین نقطه میانی و زمین صفر است (به جز ولتاژ کوچک جابجایی نقطه میانی از سیم پیچ خاموشقوس)، و هیچ جریانی از طریق سیم پیچ خاموشقوس نمیگذرد. فرض کنید یک خطا در زمینگیری فاز C به زمین رخ دهد، ولتاژ صفری که از نامتقارن بودن سه فاز ناشی میشود از طریق سیم پیچ خاموشقوس به زمین میگذرد. مانند خود سیم پیچ خاموشقوس، جریان القایی القایی که ایجاد میشود جریان خطا در زمینگیری ظرفیتی را جبران میکند و قوس خطا در محل خطا را خاموش میکند. در سالهای اخیر، عملکرد نادرست محافظ ترانسفورماتور زمینگیری در زیرستانهای ۱۱۰ کیلوولت در یک منطقه خاص چندین بار رخ داده است که به شدت ثبات شبکه را تحت تأثیر قرار داده است. برای شناسایی دلایل اساسی، تحلیلهایی درباره دلایل این عملکرد نادرست انجام شده و اقدامات متناسب برای جلوگیری از تکرار آن و ارائه مرجع برای سایر مناطق انجام شده است. در حال حاضر، خطوط خروجی کابلی در خطوط ۱۰ کیلوولت زیرستانهای ۱۱۰ کیلوولت به طور قابل توجهی افزایش یافته است که جریان خطا در زمینگیری ظرفیتی یکفازه در سیستم ۱۰ کیلوولت را افزایش میدهد. برای کاهش میزان ولتاژهای بالا در طی خطاهای زمینگیری یکفازه، زیرستانهای ۱۱۰ کیلوولت شروع به نصب ترانسفورماتورهای زمینگیری کردهاند تا یک طرح زمینگیری با مقاومت کم را اجرا کنند و مسیر جریان صفری ایجاد کنند. این امکان انتخابی محافظ صفری برای جدا کردن خطاهای زمینگیری بر اساس مکان خطا را فراهم میکند، از تجدید قوس و ولتاژ بالا جلوگیری میکند و بدین ترتیب تأمین برق ایمن به تجهیزات شبکه را تضمین میکند. از سال ۲۰۰۸، یک شبکه منطقهای خاص سیستمهای ۱۰ کیلوولت زیرستانهای ۱۱۰ کیلوولت خود را به زمینگیری با مقاومت کم با نصب ترانسفورماتورهای زمینگیری و دستگاههای محافظ مرتبط بازسازی کرد. این امکان جدا کردن سریع هر خطاهای زمینگیری خط ۱۰ کیلوولت را فراهم کرد و تأثیر شبکه را به حداقل رساند. با این حال، اخیراً، پنج زیرستان ۱۱۰ کیلوولت در منطقه عملکرد نادرست محافظ ترانسفورماتور زمینگیری را تجربه کردهاند که منجر به قطع برق زیرستانها و اختلال شدید در ثبات شبکه شده است. بنابراین، شناسایی دلایل و اجرای اقدامات اصلاحی برای حفظ امنیت شبکه منطقهای ضروری است. ۱.تحلیل دلایل عملکرد نادرست محافظ ترانسفورماتور زمینگیری هنگامی که خط ۱۰ کیلوولت با یک خطا در زمینگیری کوتاه میشود، محافظ صفری خط خطا در زیرستان ۱۱۰ کیلوولت باید ابتدا عمل کند تا خطا را جدا کند. اگر این اتفاق نیفتاد، محافظ صفری ترانسفورماتور زمینگیری به عنوان ذخیره عمل میکند و میتواند قطع کننده اتصال بار را قطع کند و دو طرف ترانسفورماتور اصلی را برای جدا کردن خطا قطع کند. بنابراین، عملکرد صحیح محافظ و قطع کننده خط ۱۰ کیلوولت برای ایمنی شبکه حیاتی است. تحلیل آماری عملکرد نادرست در پنج زیرستان ۱۱۰ کیلوولت نشان میدهد که دلیل اصلی عدم توانایی خطوط ۱۰ کیلوولت در خاتمه دادن به خطاهای زمینگیری است. اصل محافظ صفری خط ۱۰ کیلوولت: نمونهبرداری CT صفری → فعال شدن محافظ خط → قطع کننده قطع میکند. ۱.۱ خطای CT صفری موجب عملکرد نادرست محافظ ترانسفورماتور زمینگیری میشود. با این حال، خطاهای CT اجتنابناپذیر هستند. اگر CT ترانسفورماتور زمینگیری خطای -۱۰٪ و CT خط خطای +۱۰٪ داشته باشد، جریانهای عملیاتی واقعی به ۶۷.۵ آمپر و ۶۶ آمپر میرسند—تقریباً مساوی. تنها با استفاده از تفاوت زمانی، خطا در زمینگیری خط ۱۰ کیلوولت میتواند به راحتی باعث عملکرد زودرس محافظ صفری جریان بیش از حد ترانسفورماتور زمینگیری شود. ۱.۲ زمینگیری نادرست سیمپوش کابل موجب عملکرد نادرست میشود. ۱.۳ خطا در محافظ خط ۱۰ کیلوولت موجب عملکرد نادرست میشود. رلههای مبتنی بر میکروپروسسورهای مدرن عملکرد بهتری ارائه میدهند، اما تفاوتهای کیفیت سازندهها و خنکسازی ضعیف همچنان مشکلاتی هستند. آمار خطاها نشان میدهد که ماژولهای تغذیه، بردهای نمونهبرداری، بردهای CPU و ماژولهای خروجی قطع در محافظهای خط ۱۰ کیلوولت بیشترین خطا را دارند. خطاها که تشخیص داده نمیشوند میتوانند باعث عدم عملکرد محافظ شوند و باعث عملکرد نادرست ترانسفورماتور زمینگیری شوند. ۱.۴ شکست قطع کننده فیدر ۱۰ کیلوولت موجب عملکرد نادرست. ۱.۵ خطاهای زمینی با مقاومت بالا در دو فیدر ۱۰ کیلوولت (یا خطای زمینی با مقاومت بالا شدید تکی) موجب عملکرد نادرست. ۲. اقدامات برای جلوگیری از عملکرد نادرست حفاظ ترانسفورماتور زمینی براساس تحلیل فوق، اقدامات زیر توصیه میشوند: ۲.۱ برای جلوگیری از عملکرد نادرست ناشی از خطای CT ۲.۲ برای جلوگیری از زمینسازی غلط سیمپیچ کابل سیمهای زمینسازی سیمپیچ کابل باید از طریق CT صفری به پایین عبور کرده و از مسیرهای کابلی جدا شوند. هیچ تماس زمینی قبل از عبور از CT نباید رخ دهد. انتهای فلزی برای تست تزریق اصلی مبسوط شود؛ بقیه به طور قابل اعتماد عایق شود. اگر نقطه زمینسازی سیمپیچ زیر CT باشد، سیم نباید از طریق CT عبور کند. از عبور سیم زمینسازی از وسط CT پرهیز کنید. افزایش آموزش فنی تا تیمهای حفاظ و کابل به طور کامل متوجه روشهای نصب CT و زمینسازی سیمپیچ شوند. تقویت رویههای پذیرش با بازرسیهای مشترک تیمهای حفاظ، عملیات و کابل. ۲.۳ برای جلوگیری از شکست حفاظ فیدر ۲.۴ برای جلوگیری از شکست قطع کننده فیدر ۲.۵ برای جلوگیری از عملکرد نادرست خطای با مقاومت بالا ۳. نتیجهگیری با نصب بیشتر ترانسفورماتورهای زمینی و حفاظ مرتبط در شبکههای منطقهای برای بهبود ساختار و ثبات، حوادث مکرر عملکرد نادرست نیاز به رسیدگی به اثرات نامطلوب را نشان میدهد. این مقاله علل اصلی عملکرد نادرست حفاظ ترانسفورماتور زمینی را تحلیل میکند و راهکارهای مقابلهای ارائه میدهد، که راهنمایی برای مناطقی که ترانسفورماتورهای زمینی را نصب کردهاند یا قصد نصب آنها را دارند، فراهم میکند.
از این اصل، CT صفری، رله محافظ خط و قطع کننده اجزای کلیدی برای عملکرد صحیح هستند. در ادامه، دلایل عملکرد نادرست از این جنبهها تحلیل میشوند:
در طی خطا در زمینگیری خط ۱۰ کیلوولت، CT صفری خط خطا جریان خطا را تشخیص میدهد و محافظ آن برای جدا کردن خطا عمل میکند. همزمان، CT صفری ترانسفورماتور زمینگیری نیز جریان خطا را تشخیص میدهد و محافظ آن را فعال میکند. برای تضمین انتخابی بودن، محافظ صفری خط ۱۰ کیلوولت با تنظیمات جریان کمتر و زمان کوتاهتر نسبت به محافظ ترانسفورماتور زمینگیری تنظیم میشود. تنظیمات جریان: ترانسفورماتور زمینگیری—۷۵ آمپر اصلی، ۱.۵ ثانیه برای قطع اتصال بار ۱۰ کیلوولت، ۱.۸ ثانیه برای بلاک کردن انتقال خودکار ۱۰ کیلوولت، ۲.۰ ثانیه برای قطع سمت پایینولتا ترانسفورماتور، ۲.۵ ثانیه برای قطع دو طرف؛ خط ۱۰ کیلوولت—۶۰ آمپر اصلی، ۱.۰ ثانیه برای قطع قطع کننده.
خطوط ۱۰ کیلوولت زیرستانهای ۱۱۰ کیلوولت از کابلهای سیمپوش استفاده میکنند که سیمپوشها در هر دو انتهای کابل زمینگیری شدهاند—یک روش معمول برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی. CTهای صفری از نوع حلقهای هستند که دور کابلها در انتهای خروجی تجهیزات قطع کننده نصب میشوند. در طی خطاهای زمینگیری، جریانهای نامتوازن سیگنالهایی در CT القا میکنند تا محافظ فعال شود. با این حال، با زمینگیری سیمپوش در هر دو انتها، جریانهای القایی در سیمپوش نیز از طریگ CT صفری میگذرند و سیگنالهای غلط ایجاد میکنند. بدون اقدامات مناسب، این موضوع دقت محافظ صفری خط را کاهش میدهد و باعث عملکرد ذخیره ترانسفورماتور زمینگیری میشود.
با پیری، عملیات مکرر یا مشکلات ذاتی کیفیت، شکستهای تجهیزات سوئیچینگ ۱۰ کیلوولت - به ویژه در مدارهای کنترل - افزایش مییابد. در مناطق کوهستانی کم توسعه، تجهیزات سوئیچینگ قدیمی GG-1A هنوز در خدمت هستند با نرخ بالاتری از خطاهای زمینی. حتی اگر حفاظ صفری عملکرد صحیح داشته باشد، شکست قطع کننده (مانند سوختن سیم پیچ برش که مانع عملکرد میشود) موجب عملکرد نادرست ترانسفورماتور زمینی میشود.
وقتی دو فیدر خطاهای زمینی با مقاومت بالا در فاز مشابه را تجربه میکنند، جریانهای صفری جداگانه ممکن است زیر آستانه برش ۶۰ آمپر (مثلاً ۴۰ آمپر و ۵۰ آمپر) بمانند، بنابراین حفاظهای فیدر فقط هشدار میدهند. اما جمع جریان (۹۰ آمپر) بیش از تنظیم ۷۵ آمپر ترانسفورماتور زمینی میشود، موجب برش زودرس میشود. با فیدرهای ۱۰ کیلوولت کاملاً 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 میتوانند به راحتی موجب عملکرد نادرست ترانسفورماتور زمینی شوند.
استفاده از CTهای صفری با کیفیت بالا؛ تست دقیق مشخصات CT قبل از نصب و رد هر کدام با خطای بیش از ۵٪؛ تنظیم مقادیر برش حفاظ بر اساس جریان اصلی؛ تأیید تنظیمات با تست تزریق اصلی.
انتخاب دستگاههای حفاظ ثابت و قابل اعتماد؛ جایگزینی واحدهای قدیمی یا مکرراً معیوب؛ تقویت نگهداری؛ نصب کولر و تهویه برای جلوگیری از عملکرد در دمای بالا.
استفاده از تجهیزات سوئیچینگ قابل اعتماد و رسیده؛ حذف کابینهای قدیمی GG-1A و جایگزینی آنها با نوع بستهبندی شده، با بارگیری فنری یا موتوری؛ نگهداری مدارهای کنترل؛ استفاده از سیمپیچهای برش با کیفیت بالا.
در صورت هشدار صفری، فوراً دیدبانی و تعمیر فیدرها؛ کاهش طول فیدرها؛ تعادل بارهای فاز برای کاهش جریانهای ظرفیتی معمولی.
