Talajzat-transzformátor védelem: Helytelen működés okai és megelőző intézkedések 110 kV átalakítókban

Kínai villamos rendszerben a 6 kV, 10 kV és 35 kV hálózatok általában nemföldelődő működési módot alkalmaznak. A hálózat fő transzformátorának elosztó feszültség oldala általában delta konfigurációban van csatlakoztatva, ami nincs központi pontjának a földelő ellenállás csatlakoztatásához.

Egyetlen fázisú földre kapcsolódás esetén egy nemföldelődő rendszerben a fázis-közti feszültségek háromszöge szimmetrikus marad, ami minimálisan befolyásolja a felhasználói műveleteket. Továbbá, amikor a kapacitív áram relatíve kicsi (kevesebb, mint 10 A), néhány átmeneti földre kapcsolódás magától megszűnik, ami nagyon hatékonyan javítja az ellátási megbízhatóságot és csökkenti a villamos átmenetek számát.

Azonban a villamos ipar folyamatos bővítése és fejlődése miatt ez a egyszerű módszer már nem felel meg a jelenlegi igényeknek. A modern városi villamos hálózatokban a vezetékes áramkörök növekvő használata jelentősen nagyobb kapacitív áramot (több, mint 10 A) eredményez. Ilyen körülmények között a földi ív nem tűrhető megbízhatóan, ami a következő következményekhez vezet:

• Az egyetlen fázisú földi ív időnkénti megszűnésével és újraindulásával létrejönnek ív-földi túlfeszültségek, amelyek amplitúdója akár 4U (ahol U a fázis feszültség csúcsértéke) vagy még magasabb értékre emelkedhet, hosszú ideig tartva. Ez súlyos fenyegetést jelent a villamos berendezések izolációjára, potenciálisan okozva összeomlást a gyenge izolációs pontokon, ami jelentős veszteségeket okozhat.

• A folyamatos ívhatás lebontja a környező levegő izolációját, ami növeli a fázis közötti rövidzárlatok valószínűségét.

• Ferromrezgő túlfeszültségek is előfordulhatnak, könnyen károsítva a potenciáltranszformátorokat (PT-k) és a villanyirtókat, súlyos esetben még a villanyirtó robbanását is okozva. Ezek a következmények komolyan veszélyeztetik a hálózati berendezések izolációját és fenyegetik a villamos rendszer biztonságos működését.

Az ilyen balesetek elkerülése érdekében, valamint elegendő null-sorozatú áram és feszültség biztosítása a földi hiba védelmének megbízható működéséhez, szükség van egy mesterséges központi pont létrehozására, hogy egy földelő ellenállást csatlakoztassunk. Ezen igény kielégítésére fejlesztették ki a földelő transzformátorokat (általában "földelő egységeknek" nevezik). A földelő transzformátor mesterségesen hoz létre egy központi pontot egy földelő ellenállással, általában nagyon alacsony ellenállással (általában kevesebb, mint 5 ohm).

Továbbá, elektromágneses jellemzői miatt a földelő transzformátor magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramokra, csak kis indítási áramot enged végig a tekercseken. Minden alapkarcolón két tekercs szakasz van fordított irányban térdelt. Amikor egyenlő null-sorozatú áramok áramlanak ezeken a tekercseken ugyanazon alapkarcolón, alacsony ellenállást mutatnak, ami minimalizálja a tekercs által esetlegesen okozott feszültségcsökkenést a null-sorozatú feltételek mellett.

Földi hiba esetén pozitív-, negatív- és null-sorozatú áramok haladnak át a tekercsekön. A tekercs magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramokra, de a null-sorozatú áramra vonatkozóan ugyanazon fázison lévő két tekercs szembenes irányban van kapcsolva. Az általuk indukált elektromotív erők méretükben egyenlők, de irányukban ellentétesek, tehát hatásuk megszüntethető, így alacsony ellenállást mutat.

Számos alkalmazásban a földelő transzformátorok kizárólag annak céljára használják, hogy egy kis földelő ellenállással rendelkező központi pontot hozzanak létre, és nem szolgálnak terhelést; ezért sok földelő transzformátor nélkülözheti a második tekercset. A normál hálózati működés során a földelő transzformátor lényegében üres állapotban működik. Viszont a hiba esetén rövid ideig viszi a hibajelenség áramát.

Egy alacsony-ellenállású földelő rendszerben, amikor egyetlen fázisú földi hiba történik, a nagyon érzékeny null-sorozatú védelem gyorsan felismert és átmenetileg elkülöníti a hibás tápegységet. A földelő transzformátor csak a hiba bekövetkezésétől a null-sorozatú védelem működtetéséig, a hiba megszüntetéséig aktív. Ez alatt a rövid időszak alatt a null-sorozatú áram áthalad a központi földelő ellenálláson és a földelő transzformátoron, amelyet a következő képlet ad:

ahol U a rendszer fázis feszültsége, R1 a központi földelő ellenállás, és R2 a hibajelenség körben lévő további ellenállás.

A fenti elemzés alapján a földelő transzformátorok működési jellemzői: hosszú távú üres állapotú működés és rövid távú túlterhelési képesség.

Összefoglalva, a földelő transzformátor mesterségesen hoz létre egy központi pontot, hogy csatlakoztassunk egy földelő ellenállást. Földi hiba esetén magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramokra, de alacsony ellenállást a null-sorozatú áramra, lehetővé téve a földi hiba védelmének megbízható működését.

Jelenleg a telephelyeken telepített földelő transzformátorok két célt szolgálnak:

• Alacsony feszültségű AC áramellátást a telephely segédhasználatához;

• Mesterséges központi pont létrehozását a 10 kV oldalon, ami, ha egy ív-kioltó csoporttal kombinálják, kiegyenlíti a 10 kV egyetlen fázisú földi hiba esetén fellépő kapacitív hibajelenség áramát, így kitöltve az ívet a hiba helyén. A princípium a következő:

A háromfázisú villamos hálózat teljes hosszán léteznek kapacitások a fázisok között és minden fázis és a föld között. Ha a hálózat központi pontja nem szilárdan földelve van, akkor egyetlen fázisú földi hiba esetén a hibás fázis föld-kapacitása nulla lesz, miközben a másik két fázis föld-kapacitása √3-szerese a normál fázis feszültségnek. Bár ez a növekedett feszültség nem túllépi a biztonságosan tervezett izolációs erejét, növeli a föld-kapacitást.

Egy fázisú hiba esetén a kapacitív földre vezető hibajárat nagyjából háromszorosa a normális egyfázisú kapacitív áramnak. Ha ez az áram nagy, könnyen időnkénti ívöléshez vezet, ami a hálózat induktivitása és kapacitása által alkotott LC rezgőkörben túlrendszereket okoz, amelyek mértéke elérheti a fázisfeszültség 2,5-3-szeresét. Minél magasabb a hálózati feszültség, annál nagyobb a kockázata ezeknek a túlrendszereknek. Ezért csak 60 kV alatti rendszerek működhetnek nélküli központi csomóponttal, mivel egyfázisú kapacitív földre vezető hibajárataik viszonylag kis méretűek. Magasabb feszültségű szintek esetén használni kell egy földelő transzformátort, hogy a központi csomópontot impedancián keresztül kösse földre.

Amikor egy alakváltó 10 kV oldala delta vagy csillag formában van összekötve, anélkül, hogy lenne központi csomópont, és az egyfázisú kapacitív földre vezető hibajárat nagy, akkor szükség van egy földelő transzformátorra, hogy létrehozzon egy mesterséges központi csomópontot, amely lehetővé teszi a nyomásmentesítő címkével való összekapcsolást. Ez egy mesterséges központi földelő rendszert hoz létre - a földelő transzformátor fő funkciója. Normális működés közben a földelő transzformátor kitart a kiegyensúlyozott hálózati feszültség ellen, és csak kis indítási áramot (üres futás) visz.

A központi csomópont és a föld közötti potenciális különbség nulla (figyelembe véve a nyomásmentesítő címke által okozott enyhe központi eltolódást), és nincs áram a nyomásmentesítő címken keresztül. Tegyük fel, hogy C-fázisból a földre történik rövidzárlat, a háromfázisú aszimmetria eredményeképpen keletkező nullsorozatú feszültség áramlik a nyomásmentesítő címken keresztül a földre. A nyomásmentesítő címkehez hasonlóan, a megindított induktív áram kompenzálja a kapacitív földre vezető hibajáratot, és megszünteti az ívölést a hibahelyen.

Az elmúlt években több helytelen működés is bekövetkezett a 110 kV alakváltók földelő transzformátor védelmének bizonyos régióban, ami súlyosan befolyásolta a hálózat stabilitását. A helytelen működés okaival kapcsolatos elemzéseket végztek, és megfelelő intézkedéseket hajtottak végre, hogy elkerüljék a visszaesést, és referenciát adjanak más régióknak.

Jelenleg a 110 kV alakváltók 10 kV vezetékei egyre gyakrabban használnak kábeles vezetőket, ami jelentősen megnövelte az egyfázisú kapacitív földre vezető hibajáratot a 10 kV rendszerben. Az egyfázisú földre vezető hibák során fellépő túlrendszerek csökkentése érdekében a 110 kV alakváltók elkezdtek földelő transzformátort telepíteni, hogy alacsony ellenállású földelő séma mellett működhessenek, és létrehozzák a nullsorozatú áram útvonalát. Ez lehetővé teszi a választó nullsorozatú védelemmel történő hibahely kijelölését, ami megakadályozza az ívölés újraeltárolódását és a túlrendszert, így biztosítva a hálózati berendezések biztonságos ellátását.

2008-ban egy adott régiós hálózat elkezdte a 110 kV alakváltó 10 kV rendszereinek alacsony ellenállású földelésre való átalakítását, földelő transzformátorok és kapcsolódó védelmi berendezések telepítésével. Ez lehetővé tette bármely 10 kV vezeték földre vezető hibájának gyors elhelyezését, minimalizálva a hálózat hatását. Azonban nemrégiben a régió öt 110 kV alakváltójában ismétlődően bekövetkezett a földelő transzformátor védelmének helytelen működése, ami alakváltók kiesését és a hálózat stabilitásának súlyos zavarait okozta. Ezért alapvető, hogy az okaival kapcsolatos elemzéseket végrehajtsák, és korrekciós intézkedéseket hajtsanak végre, hogy fenntartsák a régiós hálózat biztonságát.

1. A földelő transzformátor védelmének helytelen működésének okaianalízise

Amikor egy 10 kV vezetékben történik földre vezető rövidzárlat, az 110 kV alakváltón a hibás vezeték nullsorozatú védelme először működnie kell a hiba elhelyezésére. Ha ez helytelenül történik, a földelő transzformátor nullsorozatú védelme lesz a holtállómént, és kilövi a buszkapcsolót és az alakváltó mindkét oldalát a hiba elhelyezésére. Így a 10 kV vezeték védelmének és kapcsolóinak helyes működése létfontosságú a hálózat biztonságához. Az öt 110 kV alakváltó helytelen működésének statisztikai elemzése szerint az elsődleges oka, hogy a 10 kV vezetékek nem tudták helyesen elhelyezni a földre vezető hibákat.

A 10 kV vezeték nullsorozatú védelmének elve:

Nullsorozatú CT-mintavétel → Vezeték védelmének aktiválása → Kapcsoló kilövés.
Ebből az elvből a nullsorozatú CT, a vezeték védelmi reléje és a kapcsoló a helyes működés kulcsfontosságú elemei. A következő elemzi a helytelen működés okaival kapcsolatos aspektusokat:

1.1 Nullsorozatú CT-hiba, ami a földelő transzformátor védelmének helytelen működését okozza.
Amikor egy 10 kV vezetékben történik földre vezető hiba, a hibás vezeték nullsorozatú CT-je érzékelje a hibajáratot, és aktiválja a védelmet a hiba elhelyezésére. Ugyanakkor a földelő transzformátor nullsorozatú CT-je is érzékelje a hibajáratot, és aktiválja a védelmet. A selektivitás biztosításához a 10 kV vezeték nullsorozatú védelme alacsonyabb áramerősséggel és rövidebb időbeállítással van beállítva, mint a földelő transzformátor védelme. Áramerősség-beállítás: földelő transzformátor - 75 A primáris, 1,5 s a 10 kV buszkapcsoló kilövéséhez, 1,8 s a 10 kV automatikus átkapcsoló blokkolásához, 2,0 s az alakváltó alacsony feszültségű oldalának kilövéséhez, 2,5 s mindkét oldal kilövéséhez; 10 kV vezeték - 60 A primáris, 1,0 s a kapcsoló kilövéséhez.

Azonban a CT-hibák elkerülhetetlenek. Ha a földelő transzformátor CT-je -10%-os hibával, a vezeték CT-je pedig +10%-os hibával rendelkezik, az aktuális működési áramok 67,5 A-ra és 66 A-ra változnak - majdnem egyenlőek. Csak az időbeállítások segítségével, egy 10 kV vezeték földre vezető hibája könnyen előidézheti a földelő transzformátor nullsorozatú túláramvédelmének előkészített működését.

1.2 Helytelen kábelburkolat földelése, ami helytelen működést okoz.
A 110 kV alakváltó 10 kV vezetékei burkolatú kábeleket használnak, amelyek burkolatai mindkét végén vannak földre kötve - ez egy gyakori EMZ-korróziónak való megelőzési gyakorlat. A nullsorozatú CT-ek toroid típusúak, amelyek a kábelek körül vannak telepítve a kapcsolók kilépési végén. Földre vezető hibák során az egyensúlytalan áramok jeleket indítanak a CT-ekben a védelem aktiválásához. Azonban a mindkét végű burkolat földelése miatt a burkolatban indukált áramok is áthaladnak a nullsorozatú CT-en, hamis jeleket hozva létre. Megfelelő megelőzés nélkül ez veszélyezteti a vezeték nullsorozatú védelmének pontosságát, ami a földelő transzformátor holtállómént aktiválásához vezethet.

1.3 10 kV vezeték védelmének hiba, ami helytelen működést okoz.

A modern mikroprocesszor-alapú relék javított teljesítményt kínálnak, de a gyártók különböző minősége és rossz hővezetés továbbra is problémát jelent. A hibastatisztikák szerint a 10 kV vezeték védelmének tápellátási moduljai, mintavételi táblái, CPU táblái és kilövési moduljai a leginkább hibásodnak. Nézetlen hibák a védelem hibás működését okozhatják, ami a földelő transzformátor helytelen működését eredményezi.

1.4 10 kV tápegység hibája, ami helytelen működéshez vezet.
Az idő múlásával, a gyakori használatok vagy a termékeny minőségi problémák miatt a 10 kV tápegységek hibái - különösen a vezérlő áramkörökben - növekednek. A kevésbé fejlett hegyi területeken az idősebb GG-1A típusú tápegységek továbbra is szolgálatban vannak, magasabb talajkapcsolódási rátákkal. Még ha a zérus sorozatú védelem helyesen működik is, a tápegység hibája (pl. égött utazó teher, ami megakadállyozza a működést) a talajkapcsolódási transzformátor helytelen működését eredményezi.

1.5 Két 10 kV tápegység nagy ellenállású talajkapcsolódása (vagy súlyos egyedi nagy ellenállású hiba) miatti helytelen működés.
Amikor két tápegység ugyanazon fázisban tapasztal nagy ellenállású talajkapcsolódást, a különbséges zérus sorozatú áramok lehetnek alacsonyabbak, mint a 60 A utazó küszöb (például 40 A és 50 A), így a tápegységvédelem csak riasztást ad. Azonban az összeadott áram (90 A) meghaladja a talajkapcsolódási transzformátor 75 A beállítását, ami korai utazást okoz. Teljesen kábelszerkezeti 10 kV tápegységeknél a normál kapacitív áramok elérhetik a 12–15 A-t. Akár egyetlen súlyos nagy ellenállású hiba (például 58 A) plusz a normál kapacitív áram közelíti a 75 A-t. A rendszer rezgései könnyen kiváltathatják a talajkapcsolódási transzformátor helytelen működését.

2. intézkedések a talajkapcsolódási transzformátor védelmi hibáinak elkerülésére

A fenti elemzés alapján a következő intézkedéseket javasoljuk:

2.1 A CT hiba miatti helytelen működés elkerülése érdekében
Használjon minőségi zérus sorozatú CT-ket; szigorúan tesztelje a CT jellemzőit telepítés előtt, és utasítsa el azokat, amelyeknél a hiba >5%; állítsa be a védelem aktiválási értékeit a primáris áram alapján; ellenőrizze a beállításokat primáris behelyezési tesztekkel.

2.2 A hibás kábel burkolat földelése miatti helytelen működés elkerülése érdekében

• A kábel burkolat földelési vezetékeinek lefelé kell haladniuk a zérus sorozatú CT-n keresztül, és elkülönülten kell lenniük a kábel tárolótól. Nem szabad, hogy a CT-n keresztül menő részen történjen földelési kapcsolat. Fedje fel a fém végét a primáris behelyezési teszteléshez; megbízhatóan izolálja a többi részt.

• Ha a burkolat földelési pontja a CT alatt van, a vezeték nem haladhat át a CT-n. Kerülje, hogy a burkolat földelési vezeték közepén haladjon át a CT-n.

• Fokozza a technikai képzést, hogy a relévédelmi és a kábelcsoport teljesen megértse a CT és a burkolat földelési telepítési módszereit.

• Erősítse a fogadási eljárásokat a relé, műveleti és kábelcsoport közös ellenőrzései révén.

2.3 A tápegység védelmi hibák elkerülése érdekében
Válasszon bizonyított, megbízható védelmi eszközöket; cserélje le az idősebb vagy gyakran hibás egységeket; fokozza a karbantartást; telepítse a légkondicionálást és szellőztetést, hogy elkerülje a magas hőmérsékletű működést.

2.4 A tápegység utazó hibáinak elkerülése érdekében
Használjon megbízható, kifejlett tápegységet; helyezze ki az idősebb GG-1A tárolókat zárt, rugó- vagy motorral töltött típusokkal; fenntartsa a vezérlő áramköröket; használjon minőségi utazó tekert.

2.5 A nagy ellenállású hiba miatti helytelen működés elkerülése érdekében
Azonnal járja be és javítsa a tápegységeket zérus sorozatú riasztás esetén; csökkentse a tápegység hosszát; egyensúlyozza a fázis terheléseket, hogy minimalizálja a normál kapacitív áramokat.

3. Következtetés

Ahogy egyre több regionális hálózat telepít talajkapcsolódási transzformátorokat és hozzájuk tartozó védelmi berendezéseket a struktúra és stabilitás javítása érdekében, a visszatérő helytelen működési események kiemelik a negatív hatások kezelésének szükségességét. Ez a tanulmány elemezi a talajkapcsolódási transzformátor védelmi hibák fő okait, és javaslatokat tesz ellensúlyozó intézkedésekre, útmutatást nyújtva azoknak a régióknak, amelyek már telepítettek vagy tervezik a rendszer telepítését.