Pangangalaga sa Grounding Transformer: Mga Dahilan ng Mali at mga Tugon sa 110kV Substations

Sa power system ng China, ang mga grid na 6 kV, 10 kV, at 35 kV ay karaniwang nagpapakilala ng isang operational mode na walang grounded neutral point. Ang distribution voltage side ng pangunahing transformer sa grid ay karaniwang konektado sa delta configuration, na hindi nagbibigay ng neutral point para maconnect ang grounding resistor.

Kapag may nangyaring single-phase ground fault sa isang sistema na walang grounded neutral point, ang line-to-line voltage triangle ay nananatiling simetriko, na nagdudulot ng maliit na epekto sa operasyon ng mga user. Bukod dito, kapag ang capacitive current ay relatibong maliit (baba pa sa 10 A), ilang transient ground faults ay maaaring mag-self-extinguish, na napakabisa sa pagpapataas ng reliabilidad ng power supply at pagbabawas ng insidente ng power outage.

Gayunpaman, kasabay ng patuloy na paglaki at pag-unlad ng industriya ng power, ang simpleng paraan na ito ay hindi na nakakasapat sa kasalukuyang mga demand. Sa modernong urban power grids, ang pagdagdag sa paggamit ng cable circuits ay nagresulta sa mas malaking capacitive currents (higit sa 10 A). Sa ganitong kondisyon, ang ground arc ay hindi na mapapanatiliang maextinguish, na nagdudulot ng mga sumusunod na resulta:

• Ang intermitenteng pag-extinguish at pag-reignite ng single-phase ground arc ay nagpapabuo ng arc-ground overvoltages na may amplitudes na umabot hanggang 4U (kung saan ang U ay ang peak phase voltage) o higit pa, na tumatagal ng mahabang panahon. Ito ay nagdudulot ng malubhang banta sa insulation ng electrical equipment, na maaaring humantong sa breakdown sa mga mahinang puntos ng insulation at pagiging sanhi ng malaking pagkawala.

• Ang patuloy na arcing ay nagdudulot ng ionization ng hangin, na nagdudulot ng pagbagsak ng insulation ng paligid na hangin at nagpapadaling magkaroon ng phase-to-phase short circuits.

• Maaaring magkaroon ng ferroresonance overvoltages, na madaling sumira ang potential transformers (PTs) at surge arresters, at sa matinding kaso, maaari pa ring humantong sa pagsabog ng arrester. Ang mga resulta na ito ay seryosong nanganganib sa insulation ng grid equipment at nanganganib sa ligtas na operasyon ng power system.

Upang maiwasan ang mga itong aksidente at ibigay ang sapat na zero-sequence current at voltage para sa maasahan na operasyon ng ground fault protection, kinakailangan ang paglikha ng isang artificial neutral point upang maconnect ang grounding resistor. Upang tugunan ang pangangailangan na ito, ang mga grounding transformers (karaniwang tinatawag na "grounding units") ay nailimbag. Ang grounding transformer ay likha ng isang artificial neutral point na may grounding resistor, karaniwang may napakababang resistance value (karaniwang bababa pa sa 5 ohms).

Bukod dito, dahil sa kanyang electromagnetic characteristics, ang grounding transformer ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents, na pinapayagan lamang ang maliit na excitation current na lumampas sa kanyang mga winding. Sa bawat core limb, dalawang winding sections ang inuwind sa kabaligtarang direksyon. Kapag equal na zero-sequence currents ang lumampas sa mga winding na ito sa parehong core limb, sila ay nagpapakita ng mababang impedance, na nagreresulta sa maliit na voltage drop sa mga winding sa ilalim ng zero-sequence conditions.

Kapag may nangyaring ground fault, ang positive-, negative-, at zero-sequence currents ay lumilipas sa mga winding. Ang winding ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents, ngunit para sa zero-sequence current, ang dalawang winding sa parehong phase ay konektado sa series na may kabaligtarang polarity. Ang kanilang induced electromotive forces ay equal sa magnitude pero kabaligtaran sa direksyon, na efektibong nagcacancel sa bawat isa, kaya nagpapakita ng mababang impedance.

Sa maraming aplikasyon, ang mga grounding transformers ay ginagamit lamang upang ibigay ang isang neutral point na may maliit na grounding resistor at hindi nagbibigay ng anumang load; kaya, maraming grounding transformers ang disenyo nang walang secondary winding. Sa normal na operasyon ng grid, ang grounding transformer ay operasyon nang halos walang load. Gayunpaman, sa panahon ng fault, ito ay nagdadala ng fault current ng maikling panahon. 

Sa isang neutral-point low-resistance grounded system, kapag may nangyaring single-phase ground fault, ang napakasensitibong zero-sequence protection ay mabilis na natutukoy at pansamantalang ini-isolate ang faulty feeder. Ang grounding transformer ay aktibo lamang sa maikling interval sa pagitan ng pag-occur ng ground fault at ang operasyon ng zero-sequence protection upang linisin ang fault. Sa panahong ito, ang zero-sequence current ay lumilipas sa neutral grounding resistor at ang grounding transformer, na binibigay ng

kung saan ang U ay ang system phase voltage, R1 ang neutral grounding resistor, at R2 ang additional resistance sa ground fault loop.

Batay sa nabanggit na analisis, ang mga operational characteristics ng grounding transformers ay: long-term no-load operation na may short-term overload capability.

Sa kabuuan, ang grounding transformer ay likha ng isang artificial neutral point upang maconnect ang grounding resistor. Sa panahon ng ground fault, ito ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents ngunit mababang impedance sa zero-sequence current, na nagpapahintulot sa maasahang operasyon ng ground fault protection.

Kasalukuyan, ang mga grounding transformers na i-install sa mga substation ay may dalawang layunin:

• Pagbibigay ng mababang-voltage AC power para sa auxiliary use ng substation;

• Paglikha ng isang artificial neutral point sa 10 kV side, na kapag pinagsama sa isang arc suppression coil, nag-compensate sa capacitive ground fault current sa panahon ng 10 kV single-phase ground faults, na nagreresulta sa pag-extinguish ng arc sa fault point. Ang prinsipyong ito ay kasunod:

Sa buong haba ng transmission lines sa isang three-phase power grid, may capacitances ang umiiral sa pagitan ng phases at sa pagitan ng bawat phase at ground. Kapag ang grid neutral ay hindi solidly grounded, ang phase-to-ground capacitance ng faulted phase ay naging zero sa panahon ng single-phase ground fault, habang ang phase-to-ground voltages ng iba pang dalawang phases ay tumaas hanggang √3 beses ang normal na phase voltage. Bagama't ang taas na ito ng voltage ay hindi lumalampas sa insulation strength na disenyo para sa seguridad, ito ay nagdudulot ng pagtaas ng kanilang phase-to-ground capacitance. 

Ang kapasitibong ground fault current sa isang single-phase fault ay humigit-kumulang tig-tatlong beses ang normal na per-phase capacitive current. Kapag malaki ang kasalukuyang ito, madaling nagdudulot ito ng intermitenteng arcing, na nagpapahiwatig ng overvoltages sa LC resonant circuit na nabuo mula sa grid inductance at capacitance, na may magnitudes na umabot sa 2.5 hanggang 3 beses ang phase voltage. Ang mas mataas na grid voltage, mas malaking panganib mula sa mga overvoltages. Kaya, lamang ang mga sistema na nasa ilalim ng 60 kV ang maaaring mag-operate na walang grounded neutral, dahil ang kanilang single-phase capacitive ground fault currents ay relatibong maliit. Para sa mas mataas na lebel ng voltage, kinakailangan ang grounding transformer upang i-attach ang neutral point sa pamamagitan ng impedance sa ground.

Kapag ang 10 kV side ng isang substation main transformer ay konektado sa delta o wye na walang neutral point, at ang single-phase capacitive ground fault current ay malaki, kinakailangan ng grounding transformer upang lumikha ng isang artipisyal na neutral point, na nagbibigay-daan para sa koneksyon sa arc suppression coil. Ito ang bumubuo ng isang artipisyal na neutral grounding system—ang pangunahing tungkulin ng grounding transformer. Sa normal na operasyon, ang grounding transformer ay nakakataas ng balanced grid voltage at nagdadala lamang ng kaunting excitation current (no-load condition). 

Ang potential difference mula sa neutral-to-ground ay sero (iniignore ang kaunting neutral displacement voltage mula sa arc suppression coil), at walang kasalukuyang dumadaan sa arc suppression coil. Sa pagkakataong may short circuit sa phase-C-to-ground, ang zero-sequence voltage na resulta ng three-phase asymmetry ay dumadaan sa arc suppression coil papunta sa ground. Tulad ng mismo na arc suppression coil, ang induced inductive current ay nag-compensate sa capacitive ground fault current, na nagwawalan ng arco sa fault point.

Sa mga nakaraang taon, maraming misoperations ng grounding transformer protection ang naganap sa 110 kV substations sa isang tiyak na rehiyon, na seryosong nakakaapekto sa stability ng grid. Upang matukoy ang mga ugat ng problema, ginawa ang mga analisis sa mga rason ng mga misoperations, at ipinapatupad ang mga katugong hakbang upang maprevent ang pagkakaroon uli nito at magbigay ng sanggunian para sa iba pang rehiyon.

Ngayon, ang mga 10 kV feeders sa 110 kV substations ay lalong gumagamit ng cable outgoing lines, na siyang nagdudulot ng significant na pagtaas ng single-phase capacitive ground fault current sa 10 kV system. Upang suppresyon ang overvoltage magnitudes sa panahon ng single-phase ground faults, ang mga 110 kV substations ay nagsisimula na mag-install ng grounding transformers upang ipatupad ang low-resistance grounding scheme, na nagtatatag ng zero-sequence current path. Ito ay nagbibigay-daan para sa selective zero-sequence protection upang mailayo ang ground faults batay sa lokasyon ng fault, na nagpepreventa ng arc reignition at overvoltage, kaya't nagse-secure ng maayos na power supply sa grid equipment.

Simula noong 2008, ang isang tiyak na regional grid ay in-retrofit ang 10 kV systems ng 110 kV substation sa low-resistance grounding sa pamamagitan ng pag-install ng grounding transformers at associated protection devices. Ito ay nagbibigay-daan para sa mabilis na isolation ng anumang 10 kV feeder ground fault, na nagmiminimize ng impact sa grid. Gayunpaman, kamakailan, limang 110 kV substations sa rehiyon ay naranasan ang paulit-ulit na misoperations ng grounding transformer protection, na nagdudulot ng substation outages at seryosong nakakalanta sa grid stability. Kaya, mahalaga ang pagtukoy ng mga sanhi at pag-implement ng mga corrective measures upang mapanatili ang seguridad ng regional grid.

1.Pag-analyze ng mga Sanhi ng Misoperation ng Grounding Transformer Protection

Kapag ang 10 kV feeder ay naranasan ang ground short-circuit fault, ang zero-sequence protection sa faulty feeder sa 110 kV substation dapat unang gumana upang mailayo ang fault. Kung hindi ito natutupad ng tama, ang grounding transformer’s zero-sequence protection ay gagana bilang backup, na nag-trip sa bus tie breaker at parehong bahagi ng main transformer upang mailayo ang fault. Kaya, mahalaga ang tama na operasyon ng 10 kV feeder protection at breakers para sa seguridad ng grid. Ang statistical analysis ng misoperations sa limang 110 kV substations ay nagpapakita na ang pangunahing sanhi ay ang pagkakamali ng 10 kV feeders na tama na mailayo ang ground faults.

Prinsipyong 10 kV Feeder Zero-Sequence Protection:

Zero-sequence CT sampling → Feeder protection activation → Circuit breaker tripping.
Mula sa prinsipyong ito, ang zero-sequence CT, feeder protection relay, at circuit breaker ay key components para sa tama na operasyon. Ang sumusunod ay nag-aanalisa ng mga sanhi ng misoperation mula sa mga aspetong ito:

1.1 Error ng zero-sequence CT na nagdudulot ng misoperation ng grounding transformer protection.
Sa panahon ng 10 kV feeder ground fault, ang faulty feeder’s zero-sequence CT ay nadetect ang fault current, na nag-trigger ng proteksyon upang mailayo ang fault. Samantalang, ang grounding transformer’s zero-sequence CT ay nag-sense din ng fault current at nag-start ng proteksyon. Upang matiyak ang selectivity, ang 10 kV feeder zero-sequence protection ay set na may mas mababa na current at mas maikling oras kumpara sa grounding transformer protection. Current settings: grounding transformer—75 A primary, 1.5 s to trip 10 kV bus tie, 1.8 s to block 10 kV auto-transfer, 2.0 s to trip transformer low-voltage side, 2.5 s to trip both sides; 10 kV feeder—60 A primary, 1.0 s to trip breaker.

Gayunpaman, hindi maiwasan ang CT errors. Kung ang grounding transformer CT ay may -10% error at ang feeder CT ay may +10% error, ang aktwal na operating currents ay naging 67.5 A at 66 A—kaunti lang ang pagkakaiba. Batay lamang sa time grading, ang 10 kV feeder ground fault ay maaaring madaling mag-resulta sa grounding transformer’s zero-sequence overcurrent protection na mag-trip nang maaga.

1.2 Maling cable shield grounding na nagdudulot ng misoperation.
Ang 110 kV substation 10 kV feeders ay gumagamit ng shielded cables na may shields na grounded sa parehong dulo—na karaniwang practice para sa EMI mitigation. Ang zero-sequence CTs ay toroidal types na installed around cables sa switchgear outgoing terminals. Sa panahon ng ground faults, ang unbalanced currents ay nag-induce ng signals sa CT upang i-activate ang proteksyon. Gayunpaman, sa parehong dulo ng shield grounding, ang induced currents sa shield ay nagdaan din sa zero-sequence CT, na naglilikha ng maling signals. Kung walang tamang mitigating, ito ay nagpapahirap sa accuracy ng 10 kV feeder zero-sequence protection, na nagresulta sa grounding transformer backup tripping.

1.3 Pagkakamali ng 10 kV feeder protection na nagdudulot ng misoperation.

Ang modern na microprocessor-based relays ay nagbibigay ng improved performance, ngunit ang iba’t ibang kalidad ng manufacturer at mahina na heat dissipation ay patuloy na isyu. Ang fault statistics ay nagpapakita na ang power supply modules, sampling boards, CPU boards, at trip output modules sa 10 kV feeder protections ay pinakamalaki ang posibilidad na magkaroon ng pagkakamali. Ang hindi napagtatalunang pagkakamali ay maaaring magresulta sa refusal ng proteksyon, na nagtrigger ng grounding transformer misoperation.

1.4 Pagkakamali ng 10 kV feeder breaker na nagdudulot ng maling operasyon.
Dahil sa pagtanda, mabilis na operasyon, o inherent na kalidad ng mga isyu, ang pagkakamali ng 10 kV switchgear—lalo na sa mga control circuit—ay lumalaki. Sa mga hindi pa ganap na maunlad na bundok, ang mas matandang GG-1A switchgear ay nananatiling nagsisilbing may mas mataas na ground fault rates. Kahit na ang zero-sequence protection ay gumagana nang tama, ang pagkakamali ng breaker (halimbawa, nasunog na trip coil na nagpapahinto ng operasyon) ay nagdudulot ng maling operasyon ng grounding transformer.

1.5 Mga mataas na impedance na ground fault sa dalawang 10 kV feeders (o malubhang iisang high-impedance fault) na nagdudulot ng maling operasyon.
Kapag ang dalawang feeders ay nakaranas ng parehong phase na mataas na impedance na ground faults, ang bawat isa sa mga zero-sequence currents ay maaaring manatili sa ilalim ng 60 A trip threshold (halimbawa, 40 A at 50 A), kaya ang mga proteksyon ng feeder ay nag-aalarm lang. Ngunit ang sumadong current (90 A) ay lumampas sa 75 A setting ng grounding transformer, nagdudulot ng maagang tripping. Sa mga all-cable 10 kV feeders, ang normal na capacitive currents ay maaaring umabot sa 12–15 A. Kahit isang malubhang high-impedance fault (halimbawa, 58 A) plus ang normal na capacitive current ay lumapit sa 75 A. Ang mga system oscillations ay maaaring madaling magtrigger ng maling operasyon ng grounding transformer.

2. Mga Paraan upang Maiwasan ang Maling Operasyon ng Proteksyon ng Grounding Transformer

Batay sa itinalakeng analisis, inirerekomenda ang mga sumusunod na paraan:

2.1 Upang maiwasan ang maling operasyon na dulot ng CT error
Gamitin ang high-quality na zero-sequence CTs; masinsinang subukan ang mga katangian ng CT bago i-install at ibalik ang may >5% error; itakda ang mga pickup values ng proteksyon batay sa primary current; siguraduhin ang settings sa pamamagitan ng primary injection testing.

2.2 Upang maiwasan ang maling cable shield grounding

• Ang mga conductor ng cable shield grounding ay dapat dumaan pababa sa zero-sequence CT at insulate mula sa cable trays. Walang grounding contact dapat mangyari bago dumaan sa CT. Ipakita ang metal ends para sa primary injection testing; insulate ang iba pang bahagi nang tiwala.

• Kung ang grounding point ng shield ay nasa ilalim ng CT, ang conductor ay hindi dapat dumaan sa CT. Iwasan ang pagrute ng shield grounding conductor sa gitna ng CT.

• Palakasin ang teknikal na pagsasanay upang ang relay protection at cable teams ay lubusang maintindihan ang mga paraan ng pag-iinstall ng CT at shield grounding.

• Palakasin ang mga proseso ng pagtatanggap sa pamamagitan ng joint inspections ng relay, operations, at cable teams.

2.3 Upang maiwasan ang pagkakamali ng feeder protection
Pumili ng napapatunayan, reliable na mga device ng proteksyon; palitan ang mga aging o madalas na may problema na units; palakasin ang maintenance; i-install ang air conditioning at ventilation upang maiwasan ang high-temperature operation.

2.4 Upang maiwasan ang pagkakamali ng feeder breaker
Gamitin ang reliable, mature na switchgear; alisin ang mga lumang GG-1A cabinets at palitan ng sealed, spring- o motor-charged types; panatilihin ang control circuits; gamitin ang high-quality trip coils.

2.5 Upang maiwasan ang maling operasyon ng mataas na impedance na fault
Agsagip at irepair ang mga feeders agad kapag may zero-sequence alarm; bawasan ang haba ng mga feeder; balansehin ang mga load ng phase upang maiminimize ang normal na capacitive currents.

3. Kasunod

Dahil sa dagdag na regional grids na nag-iinstall ng grounding transformers at kasamang proteksyon upang mapabuti ang istraktura at estabilidad, ang paulit-ulit na maling operasyon ay nagbibigay ng kailangan na asikasuhin ang mga negatibong epekto. Ang dokumentong ito ay nag-analisa ng pangunahing dahilan ng maling operasyon ng proteksyon ng grounding transformer at inirerekomenda ang mga kontra-measure, nagbibigay ng gabay para sa mga rehiyon na mayroon o plano mag-install ng mga sistema na ito.