Maanmuodostin suojauksen virheelliset toiminnat ja vastatoimet 110kV alijärjestelmissä

Kiinan sähköverkossa 6 kV, 10 kV ja 35 kV verkot yleensä toimivat neutraalipisteen kiinnittämättömässä tilassa. Verkon päämuuntajan jakeluvoiman puoli on yleensä kolmikulmainen, mikä ei tarjoa neutraalipistettä maareaktorin kytkemiseksi.

Kun neutraalipisteen kiinnittämättömässä järjestelmässä tapahtuu yksifasinen maahavainto, vaihevälinen jännitekolmio pysyy symmetrisenä, mikä aiheuttaa vähän vaikutusta käyttäjien toimintaan. Lisäksi, kun kapasitiivinen virta on suhteellisen pieni (alle 10 A), jotkut väliaikaiset maahavainnot voivat sulkea itsestään, mikä on erittäin tehokasta sähköntuotannon luotettavuuden parantamisessa ja sähkökatkoksiin johtavien tapahtumien vähentämisessä.

Kuitenkin sähköalan jatkuvalla laajentumisella ja kehityksellä tämä yksinkertainen menetelmä ei enää vastaa nykyisiä vaatimuksia. Nykyaikaisissa kaupunkiverkoissa kaapelivoimavirtojen lisääntyminen on johtanut huomattavasti suurempaan kapasitiiviseen virtaan (yli 10 A). Tällaisissa olosuhteissa maaharja ei voi luotettavasti sulkea, mikä johtaa seuraaviin seurauksiin:

• Yksifaseisen maaharjan väliaikainen sammuminen ja uudelleen syttyminen tuottaa maaharjasuuriyhdisteitä, joiden amplitudi voi saavuttaa jopa 4U (missä U on vaihejänniten huippuarvo) tai vielä suuremmaksi, kestämällä pitkään. Tämä muodostaa vakavan uhkan sähkölaitteiden eristyskyvylle, mikä voi aiheuttaa heikon eristyspaikan läpimurtoja ja suuria tappioita.

• Jatkuva harjaus aiheuttaa ilman ionisoitumisen, mikä heikentää ympäröivän ilman eristyskykyä ja tekee vaiheiden väliset lyhytsulut mahdollisemmaksi.

• Ferroresonanssiyhdisteitä voi esiintyä, mikä helposti vahingoittaa potentiaalimuuntajia (PTs) ja räjähdysvaroja, ja vakavissa tapauksissa jopa aiheuttaa räjähdysvarojen räjähtämisen. Nämä seuraukset uhkaavat vakavasti verkon laitteiden eristyskykyä ja vaarantavat sähköjärjestelmän turvallisen toiminnan.

Näiden onnettomuuksien estämiseksi ja riittävän nollajärjestyksen virran ja jännitteen tarjoamiseksi maahavainnon suojauslaitteiden luotettavalle toiminnalle, on luotava tekoisen neutraalipiste, johon voidaan kytkää maareaktori. Tätä tarvetta varten on kehitetty maamuuntajia (yleisesti "maayksikkö"). Maamuuntaja luo tekoisen neutraalipisteen maareaktorilla, yleensä hyvin alhaisella vastuksella (yleensä alle 5 ohmia).

Lisäksi sen sähkömagneettisten ominaisuuksien vuoksi maamuuntaja esittää korkean impedanssin positiiviselle ja negatiiviselle järjestykselle, sallien vain pieniä itsellensoituksen virtaa kulkea sen piireissä. Jokaiselle ytimelle on pyörivät kaksi piiriä päinvastaisiin suuntiin. Kun yhtäsuuret nollajärjestyksen virtat kulkevat näissä piireissä samassa ytimessä, ne esittävät matalan impedanssin, mikä johtaa pieniin jännitepudotuksiin piireissä nollajärjestyksessä.

Maahavainnon aikana positiivi-, negatiivi- ja nollajärjestyksen virtat kulkevat piireissä. Piiri esittää korkean impedanssin positiivi- ja negatiivijärjestyksen virtaille, mutta nollajärjestyksen virtalle saman vaiheen kaksi piiriä on kytketty sarjassa päinvastaisilla polaroilla. Niiden aiheuttamat sähkömotorit ovat yhtä suuret, mutta päinvastaisia suunnassa, mikä tehokkaasti peruuttaa ne toisensa, esittäen siten matalan impedanssin.

Monissa sovelluksissa maamuuntajia käytetään ainoastaan tarjotakseen neutraalipisteen pienellä maareaktorilla eivätkä tarjoa mitään kuormaa; siksi monet maamuuntajat on suunniteltu ilman toista piiriä. Normaalissa verkon toiminnassa maamuuntaja toimii lähes tyhjällä kuormalla. Kuitenkin havainnon aikana se kuljettaa havaintovirtaa vain lyhytaikaisesti.

Neutraalipisteen matalaresistanssin maanjäristyksessä, kun yksifaseinen maahavainto tapahtuu, erittäin herkkä nollajärjestyksen suojaus tunnistaa nopeasti ja poistaa tilapäisesti havaintokohdan. Maamuuntaja on aktiivinen vain lyhyt aika havainnon ja nollajärjestyksen suojauslaitteen toiminnan välillä havainnon poistamiseksi. Tässä ajassa nollajärjestyksen virta kulkee neutraalin maareaktorin ja maamuuntajan kautta, joka annetaan

missä U on järjestelmän vaihejännite, R1 on neutraalin maareaktori ja R2 on lisävastus havaintokierroksessa.

Edellä mainitun analyysin perusteella maamuuntajien toimintamääritykset ovat: pitkäaikainen tyhjäkuorma-toiminta ja lyhytaikainen ylivuoteisuus.

Yhteenvetona maamuuntaja luo tekoisen neutraalipisteen maareaktorin kytkemiseksi. Havainnon aikana se esittää korkean impedanssin positiivi- ja negatiivijärjestyksen virtaille, mutta matalan impedanssin nollajärjestyksen virtalle, mikä mahdollistaa havaintonsuojauksen luotettavan toiminnan.

Nykyisin alijärjestelyissä asennetut maamuuntajat palvelevat kahdella tarkoituksella:

• Toimittaa alijännitevaihtosähköä alijärjestelyjen apukäyttöön;

• Luo tekoisen neutraalipisteen 10 kV puolella, joka yhdistettynä arkhaiskulmakierreksi kompensoi kapasitiivisen maahavaintovirran 10 kV yksifaseisissa maahavainnoissa, mikä sulkee harjan havaintopisteessä. Periaate on seuraava:

Kolmivaiheisessa sähköverkossa koko siirtolinjan pituudessa on kapasiteetteja vaiheiden välillä ja jokaisen vaiheen ja maan välillä. Kun verkon neutraali ei ole kiinteästi maanjäristetty, havaintovaiheen maan ja vaiheen välillä oleva kapasiteetti tulee nollaksi yksifaseisessa maahavainnossa, kun taas muiden kahden vaiheen maan ja vaiheen väliset jännitteet nousevat √3-kertaiseksi normaaliin vaihejännitteeseen. Vaikka tämä kasvaneet jännitteet eivät ylitä turvallisuuteen suunniteltua eristyskykyä, ne lisäävät niiden maan ja vaiheen välisen kapasiteetin.

Yksivaiheinen sijaintiin liittyvä kapasitiivinen maavirran suuruus on noin kolme kertaa normaali vaihekohtainen kapasitiivinen virran suuruus. Kun tämä virran suuruus on suuri, se aiheuttaa helposti välillistä kaaripitoa, mikä johtaa ylivirtauksiin LC-resonanssi-kytkentässä, joka muodostuu verkon induktiivisuudesta ja kapasitiivisuudesta, ja niiden suuruudet saavuttavat 2,5–3 kertaa vaihespannoksen. Mitä korkeampi verkon jännite, sitä suurempi riski tällaisista ylivirtauksista. Siksi vain järjestelmät alle 60 kV voivat toimia epäyhtenäisellä neutraalilla, koska niiden yksivaiheiset kapasitiiviset maavirrat ovat suhteellisen pieniä. Korkeammille jännitteille on käytettävä maayhdistintä, jotta neutraalipiste voidaan yhdistää impedanssin kautta maahan.

Kun aliverkon päämuuntajan 10 kV -puoli on yhdistetty deltaksi tai wye-tyyppisesti ilman neutraalipistettä, ja yksivaiheinen kapasitiivinen maavirran suuruus on suuri, tarvitaan maayhdistin, jolla luodaan teoreettinen neutraalipiste, mikä mahdollistaa kaarien hävittämiseen tarkoitetun kaarihajoituskytkimen yhdistämisen. Tämä muodostaa teoreettisen neutraalin maayhdistysjärjestelmän—maayhdistimen päärakenteen. Normaalissa toiminnassa maayhdistin kestää tasapainotetun verkon jännitteen ja kuljettaa vain pieniä itsensyöttövirtoja (tyhjätila).

Neutraalipisteen ja maan välinen potentiaerovä on nolla (ohitetaan pieni neutraalipisteen siirtymäjännite kaarihajoituskytkimestä), eikä virtaa kulje kaarihajoituskytkimen kautta. Oletetaan, että tapahtuu C-vaiheen ja maan välille lyhyys, jolloin asymmetrisestä kolmivaiheisesta jännitteestä aiheutuva nollajärjestysjännite kulkee kaarihajoituskytkimen kautta maahan. Samalla tavalla kuin itse kaarihajoituskytkimenkin, induktiivinen virran kompensoi kapasitiivisen maavirran, mikä poistaa kaarin sijaintipaikalta.

Viime vuosina tietyssä alueessa on tapahtunut useita maayhdistimen suojaustekniikan virheitä 110 kV -aliverkossa, mikä on vakavasti vaikuttanut verkon vakautukseen. Syiden selvittämiseksi ja uudelleenilmenemisen estämiseksi on tehty analyysi näiden virheiden syistä, ja toteutettu vastaavia toimenpiteitä, jotka tarjoavat viitteitä muille alueille.

Nykyään 110 kV -aliverkossa 10 kV -ulospainepuolilla käytetään yhä enemmän kaapeliulospaineväyliä, mikä lisää merkittävästi 10 kV -järjestelmän yksivaiheisen kapasitiivisen maavirran suuruutta. Yksivaiheisten maavirtojen aikana aiheutuvien ylivirtauksien vähentämiseksi 110 kV -aliverkosissa on aloitettu maayhdistimien asentaminen, jotta voidaan toteuttaa matalaresistenttinen maayhdistys, mikä luo nollajärjestysvirtan polun. Tämä mahdollistaa valikoivan nollajärjestys-suojan käyttämisen maavirtojen erottamiseen sijaintiperusteisesti, estää kaarien uudelleenkäynnistyksen ja ylivirtauksen, mikä takaa turvallisen sähköntoimituksen verkkolaitteille.

Vuodesta 2008 lähtien tietyssä alueella on modernisoitu 110 kV -aliverkossa 10 kV -järjestelmiä matalaresistenttiin maayhdistykseen asentamalla maayhdistimiä ja liittyviä suojalaitteita. Tämä mahdollistaa nopean erottamisen minkä tahansa 10 kV -ulospaineväylän maavirrasta, vähentäen verkon vaikutusta. Kuitenkin hiljattain viisi 110 kV -aliverkkoa alueella on kokenut useita maayhdistimen suojaustekniikan virheitä, mikä on aiheuttanut aliverkkokatkoksia ja vakavaa häiriötä verkon vakaudelle. Siksi on olennaista tunnistaa syyn ja toteuttaa oikaisutoimenpiteitä, jotta alueen verkon turvallisuus säilytetään.

1. Maayhdistimen suojaustekniikan virheiden syiden analyysi

Kun 10 kV -ulospaineväylässä tapahtuu maan lyhyysvirhe, 110 kV -aliverkon nollajärjestys-suojaus tulisi ensin toimia erottamaan virhe. Jos se ei toimi oikein, maayhdistimen nollajärjestys-suojaus toimii varasuojana, katkaisee bus-tie-valitsimen ja päämuuntimen molemmat puolet erottaakseen virheen. Näin ollen 10 kV -ulospaineväylän suojaus- ja valitsimien oikea toiminta on kriittistä verkon turvallisuudelle. Viiden 110 kV -aliverkon virheiden tilastollinen analyysi osoittaa, että pääasiallinen syy on 10 kV -ulospaineväylän epäonnistuminen maavirtojen oikeassa erottamisessa.

10 kV -ulospaineväylän nollajärjestys-suojan periaate:

Nollajärjestys CT-näytteistäminen → Ulospaineväylän suojan aktivoituminen → Valitsimen katkaisu.
Tästä periaatteesta nollajärjestys CT, ulospaineväylän suojarelay, ja valitsin ovat avaintekijöitä oikean toiminnan kannalta. Seuraavaksi analysoidaan virheiden syitä näiltä osin:

1.1 Nollajärjestys CT:n virhe aiheuttaa maayhdistimen suojaustekniikan virheen.
10 kV -ulospaineväylän maavirron aikana virheellisen ulospaineväylän nollajärjestys CT havaitsee virhevirtan, mikä aktivoi sen suojan erottamaan virheen. Samalla maayhdistimen nollajärjestys CT myös havaitsee virhevirtan ja aloittaa suojan. Varmistaaksemme valikoivuuden, 10 kV -ulospaineväylän nollajärjestys-suoja on asetettu pienemmällä virran ja lyhyemmällä ajan kanssa kuin maayhdistimen suoja. Virran asetukset: maayhdistin—75 A primääri, 1,5 s katkaisee 10 kV bussi, 1,8 s esto 10 kV automaattinen siirto, 2,0 s katkaisee muuntimen alavolttilinjan, 2,5 s katkaisee molemmat puolet; 10 kV -ulospaineväylä—60 A primääri, 1,0 s katkaisee valitsimen.

CT-virheet ovat kuitenkin väistämättömiä. Jos maayhdistimen CT:ssä on -10 % virhe ja ulospaineväylän CT:ssä +10 % virhe, todelliset toimivirrat ovat 67,5 A ja 66 A—melkein yhtä suuret. Aika-astelevuuteen luottamalla 10 kV -ulospaineväylän maavirrosta voi helposti aiheutua maayhdistimen nollajärjestys-suojausvirheen ennenaikainen toiminta.

1.2 Väärä kaapelin suojakuoren maayhdistys aiheuttaa virheen.
110 kV -aliverkon 10 kV -ulospaineväylissä käytetään suojakuorineen kaapeleita, jotka on maayhdistetty molemmissa päissä—yhteinen EMI-puolustusmenetelmä. Nollajärjestys CT:t ovat toroidaalimuotoisia, jotka on asennettu kaapeliteiden ulospaineväylässä. Maavirron aikana epätasapainoiset virrat indusoivat signaaleja CT:hen aktivoidakseen suojan. Mutta kun suojakuoret on maayhdistetty molemmissa päissä, indusoitujen virtojen myös kulkiessa nollajärjestys CT:n kautta, ne luovat epätodellisia signaaleja. Ilman asianmukaista vähentämistä tämä heikentää ulospaineväylän nollajärjestys-suojan tarkkuutta, mikä johtaa maayhdistimen varasuojan toimintaan.

1.3 10 kV -ulospaineväylän suojan epäonnistuminen aiheuttaa virheen.

Nykyiset mikroprosessoriperäiset relaidit tarjoavat parannettua suorituskykyä, mutta valmistajien laadun vaihtelu ja huono lämpövedenpoisto ovat edelleen ongelmia. Virhetilastot osoittavat, että 10 kV -ulospaineväylän suojissa on suurin riski sähkövarasto-osissa, näytelevyissä, CPU-levyissä ja katkaisuoutput-moduuleissa. Havaitsemattomat virheet voivat aiheuttaa suojan kieltäytymisen, mikä aiheuttaa maayhdistimen suojaustekniikan virheen.

1.4 10 kV syöttökatkaisijan epäonnistuminen aiheuttaa väärän toiminnan.
Ihantehtavien, usein toistuvien operaatioiden tai sisäisten laadunongelmien myötä 10 kV katkaisulaitteiden vikatilanteet – erityisesti ohjauspiireissä – lisääntyvät. Vähemmän kehittyneillä alueilla vanhat GG-1A -katkaisulaitteet ovat vielä käytössä ja niiden maanjäristysvirheiden määrä on korkeampi. Vaikka nollajärjestys suoja toimisi oikein, katkaisijan epäonnistuminen (esimerkiksi poltettu trip-kumppu estää toiminnan) johtaa maanjäristyksen väärään toimintaan.

1.5 Kaksi 10 kV syöttölaitetta (tai vakava yksittäinen korkean impedanssin virhe) aiheuttavat väärän toiminnan.
Kun kahdella syöttölaitteella tapahtuu samaa vaihetta koskeva korkean impedanssin maanjäristys, yksittäiset nollajärjestystokulut voivat jäädä alle 60 A:n käynnistyksen kynnyksen (esimerkiksi 40 A ja 50 A), joten syöttösuojaus vain hälyttää. Mutta summa (90 A) ylittää maanjäristyksen 75 A:n asetuksen, mikä johtaa ennenaikaiseen sammumaan. Kaapelin 10 kV syöttölaitteissa normaali kapasitiivinen virta voi saavuttaa 12–15 A. Jopa yksi vakava korkean impedanssin virhe (esimerkiksi 58 A) plus normaali kapasitiivinen virta lähestyy 75 A:a. Järjestelmän heilahtelut voivat sitten helposti aiheuttaa maanjäristyksen väärän toiminnan.

2. Toimenpiteet maanjäristyksen suojauksen väärän toiminnan estämiseksi

Edellä mainitun analyysin perusteella seuraavia toimenpiteitä suositellaan:

2.1 CT-virheen aiheuttaman väärän toiminnan estämiseksi
Käytä laadukkaita nollajärjestystä CT:itä; testaa CT-ominaisuudet huolellisesti ennen asennusta ja hylkää kaikki, joilla on yli 5 % virhe; aseta suojauksen herättymiskynnykset päävirtaan perustuen; vahvista asetukset päävirtatestauksella.

2.2 Väärän kaapelihautaisen maanjäristyksen estämiseksi

• Kaapelihautaisen maanjäristyksen johtimet on ohjattava alas nollajärjestystä CT:stä ja eristettävä kaapelivaljakkoista. Ennen kuin johtimet kulkevat CT:läpi, ei saa olla maanjäristystä. Paljasta metallipäät päävirtatestaukseen; eristä muut osat luotettavasti.

• Jos hautaisen maanjäristyksen piste on CT:n alapuolella, johtimet eivät saa kulkea CT:läpi. Vältä hautaisen maanjäristyksen johtimien kuljettaa CT:n keskelle.

• Paranna teknistä koulutusta, jotta relaissuoja- ja kaapeliryhmät ymmärtävät täysin CT:n ja hautaisen maanjäristyksen asennusmenetelmät.

• Vahvista hyväksymismenettelyjä relaissuoja-, toimintaryhmien ja kaapeliryhmien yhteisillä tarkastuksilla.

2.3 Syöttösuojausvirheen estämiseksi
Valitse todistettu, luotettava suojauslaitteet; korvaa ikääntyneet tai usein epätoimivat yksiköt; paranna huoltoa; asenna ilmastointi ja tuulikuivaus, jotta voidaan estää korkean lämpötilan toiminta.

2.4 Syöttökatkaisijan epäonnistumisen estämiseksi
Käytä luotettavia, kypsyneitä katkaisulaitteita; poista vanhat GG-1A -kaapeli pois ja korvaa tiiviisti, kevyesti tai moottorilla varustetulla tyypillä; ylläpitäkää ohjauspiirejä; käytä laadukkaita trip-kumppuja.

2.5 Korkean impedanssin virheen aiheuttaman väärän toiminnan estämiseksi
Tee välittömästi valvonta ja korjaa syöttölaitteet nollajärjestystä hälytyksessä; lyhennä syöttölaitteiden pituutta; tasapainota vaihekuormat vähentääksesi normaaleja kapasitiivisia sähkövirtoja.

3. Johtopäätökset

Kun alueelliset verkostot asentavat maanjäristyksen suojauksen ja liittyvän suojauslaitteiston rakenteen ja vakauden parantamiseksi, toistuvat väärät toiminnot korostavat tarvetta käsitellä haitallisia vaikutuksia. Tämä artikkeli analys