Zaštita spojnog transformatora: uzroci pogrešnog funkcioniranja i protumjere u 110kV podstanicama

U sustavu električne energije u Kini, mreže na 6 kV, 10 kV i 35 kV općenito koriste operativni način rada s nezasičenim neutralnim točkom. Distribucijska strana glavnog transformatora u mreži obično je spojena u delta konfiguraciju, što ne pruža neutralnu točku za povezivanje otpornika zemljanja.

Kada se pojavi jednofazni zemljani kvar u sustavu s nezasičenom neutralnom točkom, trokut napona između faza ostaje simetričan, što minimalno utječe na rad korisnika. Nadalje, kada je kapacitivni struja relativno mala (manja od 10 A), neki privremeni zemljani kvarovi mogu se samostalno ugasisati, što je vrlo učinkovito za poboljšanje pouzdanosti snabdijevanja strujom i smanjenje incidenta prekidova struje.

Međutim, s kontinuiranim proširenjem i razvojem elektroenergetske industrije, ova jednostavna metoda više ne zadovoljava trenutne potrebe. U modernim urbanim mrežama, sve veće korištenje kabelskih krugova dovelo je do značajno većih kapacitivnih struja (premašuju 10 A). Pod takvim uvjetima, zemljanski luk ne može se pouzdano ugasisati, što dovodi do sljedećih posljedica:

• Intermitentno gasenje i zapaljivanje jednofaznog zemljanskog luka generira prenapone zemljanske bočnice s amplitudama koje dosegu do 4U (gdje je U vrhunski fazni napon) ili čak veće, trajući duže vrijeme. To predstavlja ozbiljnu prijetnju izolaciji električnog opreme, mogući propad na točkama slabe izolacije i dovodeći do velikih gubitaka.

• Trajno gorjenje uzrokuje jonizaciju zraka, degradirajući izolaciju okružujućeg zraka i povećavajući vjerojatnost prekidova između faza.

• Mogu se pojaviti ferorazonoancijski prenaponi, lako oštećujući transformatore napona (PT-e) i zaštite od prenapona, a u teškim slučajevima, čak doći do eksplozija zaštita. Ove posljedice ozbiljno ugrožavaju izolaciju opreme mreže i prijeti sigurnom radu sustava električne energije.

Za sprečavanje gore navedenih nesreća i osiguranje dovoljne nulte sekvence struje i napona za pouzdan rad zaštite od zemljanih kvarova, mora se stvoriti umjetna neutralna točka kako bi se mogao povezati otpornik zemljanja. Za rješavanje ove potrebe razvijeni su transformatori zemljanja (obično se nazivaju "zemljalni uniti"). Transformator zemljanja umjetno stvara neutralnu točku s otpornikom zemljanja, obično s vrlo niskim otporom (obično manji od 5 ohmova).

Dodatno, zbog svojih elektromagnetskih karakteristika, transformator zemljanja pokazuje visok impedans za pozitivne i negativne sekvence struje, dopuštajući da samo mala struja navodnjenja prolazi kroz njegove vijci. Na svakom stubcu jezgra, dvije sekcije vijaka su savijene u suprotne smjerove. Kada jednak nulti sekvenci struja prolaze kroz ove vijci na istom stubcu jezgra, oni pokazuju niski impedans, rezultirajući minimalnim padom napona kroz vijci pod uvjetima nulte sekvence.

Tijekom zemljanskog kvara, pozitivne, negativne i nulte sekvence struje prolaze kroz vijci. Vijci pokazuju visok impedans za pozitivne i negativne sekvence struje, ali za nultu sekvencu struje, dva vijka na istoj fazi su povezani serijalno sa suprotnim polarnošću. Njihove inducirane elektromotorne sile su jednake po veličini, ali suprotne po smjeru, efektivno se poništavaju, tako da se pokazuje niski impedans.

U mnogim primjenama, transformatori zemljanja koriste se isključivo za pružanje neutralne točke s malim otpornikom zemljanja i ne snabdevaju nikakvu opterećenje; stoga, mnogi transformatori zemljanja dizajnirani su bez sekundarnog vijka. Tijekom normalnog rada mreže, transformator zemljanja radi gotovo bez opterećenja. Međutim, tijekom kvara, nosi kvarnu struju samo kratko vrijeme.

U sustavu s niskim otpornikom zemljanja neutralne točke, kada se pojavi jednofazni zemljani kvar, vrlo osetljiva nulta sekvencijska zaštita brzo prepoznaje i privremeno izolira grešku. Transformator zemljanja aktiviran je samo tijekom kratkog vremenskog intervala između pojavljivanja zemljanskog kvara i radnje nulte sekvencijske zaštite za otklanjanje kvara. Tijekom tog vremena, nulta sekvencijska struja teče kroz neutralni otpornik zemljanja i transformator zemljanja, dana formulom

gdje je U fazni napon sustava, R1 je neutralni otpornik zemljanja, a R2 dodatni otpor u petlji zemljanskog kvara.

Na temelju gore navedene analize, operativne karakteristike transformatora zemljanja su: dugoročni rad bez opterećenja s kratkoročnom mogućnošću preopterećenja.

Ukratko, transformator zemljanja umjetno stvara neutralnu točku za povezivanje otpornika zemljanja. Tijekom zemljanskog kvara, pokazuje visok impedans za pozitivne i negativne sekvence struje, ali niski impedans za nultu sekvencijsku struju, omogućujući pouzdan rad zaštite od zemljanih kvarova.

Trenutno, transformatori zemljanja instalirani u pretvorima služe dvije svrhe:

• Snabdevanje niskonaponskim AC strujama za pomoćnu upotrebu u pretvorima;

• Stvaranje umjetne neutralne točke na strani 10 kV, koja, kada se kombinira s zglobnicom za potiskivanje luka, kompenzira kapacitivnu zemljansku struju tijekom jednofaznih zemljanskih kvarova na 10 kV, time gašeći luk na mjestu kvara. Princip je sljedeći:

Duž cijele duljine prijenosnih linija u trofaznom sustavu, postoje kapaciteti između faza i između svake faze i zemlje. Kada je neutralna točka mreže ne solidno zasiječena, kapacitet faze s kvarom prema zemlji postaje nula tijekom jednofaznog zemljanskog kvara, dok fazonaponi prema zemlji druge dvije faze porastu na √3 puta normalni fazni napon. Iako ovaj porast napona ne premašuje izolacijsku čvrstoću dizajniranu za sigurnost, povećava njihov kapacitet prema zemlji.

Kapacitivni struja pri jednofaznom kvaru približno je tri puta veća od normalne kapacitivne struje po fazi. Kada je ova struja velika, lako uzrokuje intermitentno iskrsavanje, što dovodi do prenapona u LC rezonantnom krugu formiranom mrežnim induktivitetom i kapacitetom, s magnitudama koje dosežu 2,5 do 3 puta fazni napon. Što je napon mreže viši, veći je rizik od takvih prenapona. Stoga, samo sustavi ispod 60 kV mogu raditi s nezarađenim neutralom, jer su njihove jednofazne kapacitivne struje pri kvaru relativno male. Za više naponske razine, mora se koristiti trafo za zarađivanje kako bi se neutralna točka spojila putem impedancije na tlo.

Kada je 10 kV strana glavnog transformatora podstanice spojena u delta ili wye bez neutralne točke, a jednofazna kapacitivna struja pri kvaru je velika, potreban je trafo za zarađivanje kako bi se stvorila umjetna neutralna točka, omogućujući vezu na koil za potisak iskrskanja. To formira umjetni sustav zarađivanja neutrala—glavna funkcija transformatora za zarađivanje. Tijekom normalnog rada, trafo za zarađivanje izdržava uravnoteženi mrežni napon i nosi samo malu pobudnu struju (bez opterećenja).

Razlika naponova između neutrala i tla je nula (zanemarujući manju neskladnost neutrala zbog koila za potisak iskrskanja), te kroz koil za potisak iskrskanja ne protječe struja. Pretpostavljajući da se dogodi kratak spoj između faze C i tla, nultočkasti napon nastao neuravnoteženosti tri faze protječe kroz koil za potisak iskrskanja na tlo. Poput samog koila za potisak iskrskanja, inducirana induktivna struja kompenzira kapacitivnu struju pri kvaru, eliminirajući iskru na mjestu kvara.

U posljednjih godina, u nekom području dogodilo se nekoliko pogrešnih operacija zaštite transformatora za zarađivanje u 110 kV podstanicama, što je ozbiljno utjecalo na stabilnost mreže. Radi identifikacije temeljnih uzroka, provedene su analize razloga tih pogrešnih operacija, a implementirane su odgovarajuće mjere kako bi se sprečile ponovne pojave i osigurala referenca za ostala područja.

Trenutno, 10 kV ishodi u 110 kV podstanicama sve više koriste kabelske linije, što značajno povećava jednofaznu kapacitivnu struju pri kvaru u 10 kV sustavu. Da bi se suzbiljili magnitudi prenapona tijekom jednofaznih kvarova na tlu, 110 kV podstancice počele instalirati transformatore za zarađivanje kako bi se implementirala shema niskog otpora zarađivanja, stvarajući putanju nultočkaste struje. To omogućuje selektivnu nultočkastu zaštitu da izoluira kvarove na tlu prema lokaciji kvara, spriječavajući ponovno iskrsavanje i prenapone, osiguravajući siguran opskrbni tok električne energije mrežnom opremi.

Počevši od 2008. godine, neki regionalni mrežni sustav rekonstruirao je 10 kV sustave 110 kV podstanci na niski otpor zarađivanja instaliranjem transformatora za zarađivanje i pridružene zaštitne uređaje. To omogućilo je brzo izoliranje bilo kakvog 10 kV ishoda na tlu, minimalizirajući utjecaj na mrežu. Međutim, nedavno, pet 110 kV podstanci u tom području doživjela je ponavljajuće pogrešne operacije zaštite transformatora za zarađivanje, uzrokujući padove podstanci i ozbiljno ometajući stabilnost mreže. Stoga je važno identificirati uzroke i implementirati korektivne mjere kako bi se održala sigurnost regionalne mreže.

1. Analiza uzroka pogrešnih operacija zaštite transformatora za zarađivanje

Kada 10 kV ishod doživi kvar kratkog spoja na tlu, nultočkasta zaštita na kvarnom ishodu u 110 kV podstanci treba najprije djelovati kako bi izolirala kvar. Ako to ne učini ispravno, nultočkasta zaštita transformatora za zarađivanje djelovat će kao rezervna, aktivirajući prekidnik međubusnice i obje strane glavnog transformatora kako bi izolirala kvar. Stoga je ispravna operacija zaštite 10 kV ishoda i prekidnika ključna za sigurnost mreže. Statistička analiza pogrešnih operacija u pet 110 kV podstanci pokazuje da je glavni uzrok neuspjeh 10 kV ishoda u ispravnom uklanjanju kvarova na tlu.

Princip nultočkaste zaštite 10 kV ishoda:

Uzorkovanje nultočkastog CT-a → Aktivacija zaštite ishoda → Prekid prekidnika.
Iz ovog principa, nultočkasti CT, relé zaštite ishoda i prekidnik su ključni komponenti za ispravnu operaciju. U sljedećem dijelu analiziraju se uzroci pogrešnih operacija s tih aspekata:

1.1 Pogreška nultočkastog CT-a koja uzrokuje pogrešnu operaciju zaštite transformatora za zarađivanje.
Tijekom kvara 10 kV ishoda na tlu, nultočkasti CT kvarnog ishoda otkriva struju kvara, aktivirajući svoju zaštitu kako bi izolirao kvar. Istodobno, nultočkasti CT transformatora za zarađivanje također otkriva struju kvara i pokreće zaštitu. Da bi se osigurala selektivnost, nultočkasta zaštita 10 kV ishoda postavljen je s nižim strujnim i kraćim vremenskim postavkama od zaštite transformatora za zarađivanje. Postavke struje: transformator za zarađivanje—75 A primarno, 1,5 s za prekid 10 kV međubusnice, 1,8 s za blokadu automatskog prebacivanja 10 kV, 2,0 s za prekid niskonaponske strane transformatora, 2,5 s za prekid obje strane; 10 kV ishod—60 A primarno, 1,0 s za prekid prekidnika.

Međutim, greške CT-a su neizbježne. Ako CT transformatora za zarađivanje ima -10% grešku, a CT ishoda +10% grešku, stvarne radne struje postaju 67,5 A i 66 A—gotovo jednake. Ovisno samo o vremenskom stupnjevanju, 10 kV ishod kvara na tlu lako može uzrokovati prematuran prekid nultočkaste prekomjerne struje transformatora za zarađivanje.

1.2 Pogrešno zarađivanje štita kabela uzrokuje pogrešnu operaciju.
10 kV ishodi 110 kV podstanci koriste kabelske štite zarađene na oba kraja—uobičajena praksa za suzbijanje EMI. Nultočkasti CT-ovi su toroidalni tipovi instalirani oko kabela na izlaznim terminalima aparature. Tijekom kvarova na tlu, neravnotežne struje induciraju signale u CT-u kako bi se aktivirala zaštita. Međutim, s zarađivanjem štita na oba kraja, inducirane struje u štitu također prođu kroz nultočkasti CT, stvarajući lažne signale. Bez pravilnog smanjenja, ovo ometa preciznost nultočkaste zaštite ishoda, što dovodi do rezervnog prekida transformatora za zarađivanje.

1.3 Neuspjeh zaštite 10 kV ishoda uzrokuje pogrešnu operaciju.

Suvremenim mikroprocesorskim reléima omogućena je poboljšana performansa, ali varijabilna kvaliteta proizvođača i loša disipacija topline ostaju problemi. Statistika kvarova pokazuje da su moduli snabdijevanja, uzorkovalne ploče, CPU ploče i moduli izlaza za prekid 10 kV ishoda zaštite najosjetljiviji na kvar. Neotkriveni kvarovi mogu uzrokovati odbijanje zaštite, što dovodi do pogrešne operacije transformatora za zarađivanje.

1.4 Neispravnost prekidača na niskoj strani pretvaralja od 10 kV uzrokuje pogrešno radnju.
Uz starenje, česte operacije ili inherentne kvalitativne probleme, povećava se broj neispravnosti opreme za 10 kV, posebno u kontrolnim krugovima. U manje razvijenim planinskim područjima, stariji sklopovi GG-1A još uvijek služe s većom stopom zemljanih kvara. Čak i ako zero-sekvencna zaštita ispravno funkcionira, neispravnost prekidača (npr. spaljeni bobinasti ventilator koji sprečava rad) može dovesti do pogrešne radnje transformatora za zemljanje.

1.5 Visok impedansni zemljani kvar na dva priključka od 10 kV (ili težak jedinični visok impedansni kvar) uzrokuje pogrešnu radnju.
Kada dva priključka iskusivaju visok impedansni zemljani kvar iste faze, pojedinačni zero-sekvencijski strujni tokovi mogu ostati ispod praga od 60 A (npr. 40 A i 50 A), tako da zaštite priključaka samo alarmiraju. Međutim, zbroj struja (90 A) prelazi postavku transformatora za zemljanje od 75 A, što dovodi do premature aktivacije. Sa potpuno kablima priključcima od 10 kV, normalni kapacitivni strujni tokovi mogu doseći 12-15 A. Čak i jedan težak visok impedansni kvar (npr. 58 A) plus normalni kapacitivni strujni tok blizu je 75 A. Tada bi oscilacije sustava lako mogli pokrenuti pogrešnu radnju transformatora za zemljanje.

2. Mjere za sprječavanje pogrešne radnje zaštite transformatora za zemljanje

Na temelju gore navedene analize, preporučuju se sljedeće mjere:

2.1 Za sprječavanje pogrešne radnje uzrokovane greškom CT-a
Koristiti visokokvalitetne zero-sekvencijske CT-e; strogo testirati karakteristike CT-a prije instalacije i odbaciti one s greškom >5%; postaviti vrijednosti preuzimanja zaštite na osnovu primarnog strujnog toka; provjeriti postavke injekcijom primarnog strujnog toka.

2.2 Za sprječavanje pogrešne zemljanja štita kabela

• Vodovi za zemljanje štita kabela moraju proći dolje kroz zero-sekvencijski CT i biti izolirani od nosača kabela. Ne smije doći do kontaktiranja sa zemljom prije prolaska kroz CT. Otkriti metalne krajeve za injekciju primarnog strujnog toka; pouzdano izolirati ostatak.

• Ako je točka zemljanja štita ispod CT-a, vod ne smije proći kroz CT. Izbjegavati voditi vod za zemljanje štita kroz sredinu CT-a.

• Unaprijediti tehničko usavršavanje kako bi timovi za reljne zaštite i kable potpuno razumijeli metode instalacije CT-a i zemljanja štita.

• Jačati postupke prihvata zajedničkim pregledima timova za relje, operacije i kable.

2.3 Za sprječavanje neispravnosti zaštite priključka
Izabrati dokazane, pouzdane uređaje za zaštitu; zamijeniti staro ili često otkazivačko opremu; unaprijediti održavanje; instalirati klimatizaciju i ventilaciju kako bi se spriječio rad na visokoj temperaturi.

2.4 Za sprječavanje neispravnosti prekidača priključka
Koristiti pouzdane, dovršene sklopove; eliminirati stare sklope GG-1A u korist zatvorenih, mjenjačkih ili motorom punjenih tipova; održavati kontrolne krugove; koristiti visokokvalitetne bobinaste ventilatore.

2.5 Za sprječavanje pogrešne radnje uzrokovane visokim impedansom
Odmah obaviti patrolu i popraviti priključke nakon alarma zero-sekvencijskog strujnog toka; smanjiti duljinu priključaka; balansirati faze opterećenja kako bi se smanjili normalni kapacitivni strujni tokovi.

3. Zaključak

S uvođenjem transformatora za zemljanje i povezane zaštite u više regionalnih mreža radi poboljšanja strukture i stabilnosti, ponavljajući incidenti pogrešne radnje ističu potrebu za rješavanjem negativnih učinaka. Ovaj rad analizira glavne uzroke pogrešne radnje zaštite transformatora za zemljanje i predlaže protumjere, pružajući smjernice područjima koja su instalirala ili planiraju instalirati takve sustave.