Protezione del Trasformatore di Massa: Causi di Malfunzionamento e Contromisure nelle Sottostazioni a 110kV

Nel sistema elettrico cinese, le reti a 6 kV, 10 kV e 35 kV adottano generalmente un modo di funzionamento con il punto neutro non collegato a terra. Il lato di distribuzione del trasformatore principale nella rete è solitamente connesso in configurazione triangolare, che non fornisce un punto neutro per la connessione di una resistenza di terra.

Quando si verifica un guasto a terra monofase in un sistema con il punto neutro non collegato a terra, il triangolo di tensione tra fasi rimane simmetrico, causando un impatto minimo sulle operazioni degli utenti. Inoltre, quando la corrente capacitiva è relativamente piccola (inferiore a 10 A), alcuni guasti a terra transitori possono estinguersi spontaneamente, il che è altamente efficace per migliorare l'affidabilità dell'energia elettrica e ridurre gli incidenti di interruzione del servizio.

Tuttavia, con l'espansione e lo sviluppo continuo dell'industria elettrica, questo metodo semplice non soddisfa più le esigenze attuali. Nelle moderne reti elettriche urbane, l'aumento dell'uso dei circuiti in cavo ha portato a correnti capacitiche significativamente maggiori (superiori a 10 A). In tali condizioni, l'arco a terra non può essere estinto in modo affidabile, causando le seguenti conseguenze:

• L'estinzione intermittente e la riaccesa dell'arco a terra monofase generano sovratensioni da arco a terra con ampiezze che raggiungono fino a 4U (dove U è la tensione di picco della fase) o anche superiori, durando per periodi prolungati. Questo rappresenta una grave minaccia all'isolamento delle apparecchiature elettriche, potenzialmente causando rotture nei punti di isolamento deboli e portando a perdite significative.

• L'arco sostenuto causa l'ionizzazione dell'aria, degradando l'isolamento dell'aria circostante e rendendo più probabili i cortocircuiti tra fasi.

• Possono verificarsi sovratensioni da ferroresonanza, danneggiando facilmente i trasformatori di misura (PTs) e i parafulmini, e in casi gravi, causando addirittura esplosioni dei parafulmini. Queste conseguenze mettono seriamente a rischio l'isolamento delle apparecchiature della rete e minacciano il funzionamento sicuro del sistema elettrico.

Per prevenire gli incidenti sopra menzionati e fornire corrente e tensione zero-sequence sufficienti per il funzionamento affidabile della protezione contro i guasti a terra, è necessario creare un punto neutro artificiale per permettere la connessione di una resistenza di terra. Per rispondere a questo bisogno, sono stati sviluppati i trasformatori di terra (comunemente noti come "unità di terra"). Un trasformatore di terra crea artificialmente un punto neutro con una resistenza di terra, solitamente con un valore di resistenza molto basso (generalmente inferiore a 5 ohm).

Inoltre, a causa delle sue caratteristiche elettromagnetiche, il trasformatore di terra presenta un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, consentendo solo una piccola corrente di eccitazione di fluire attraverso i suoi avvolgimenti. Su ogni braccio del nucleo, due sezioni di avvolgimento sono avvolte in direzioni opposte. Quando correnti zero-sequence uguali fluiscono attraverso questi avvolgimenti sullo stesso braccio del nucleo, presentano un'impedenza bassa, risultando in un calo di tensione minimo attraverso gli avvolgimenti in condizioni di zero-sequence.

Durante un guasto a terra, le correnti di sequenza positiva, negativa e zero fluiscono attraverso gli avvolgimenti. Gli avvolgimenti presentano un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, ma per la corrente di sequenza zero, i due avvolgimenti sulla stessa fase sono connessi in serie con polarità opposta. Le loro forze elettromotrici indotte sono uguali in magnitudine ma opposte in direzione, annullandosi reciprocamente, presentando quindi un'impedenza bassa.

In molte applicazioni, i trasformatori di terra vengono utilizzati solo per fornire un punto neutro con una piccola resistenza di terra e non forniscono alcuna carica; pertanto, molti trasformatori di terra sono progettati senza un avvolgimento secondario. Durante il normale funzionamento della rete, il trasformatore di terra opera sostanzialmente in condizioni di assenza di carico. Tuttavia, durante un guasto, porta corrente di guasto solo per un breve periodo.

In un sistema con il punto neutro a resistenza bassa, quando si verifica un guasto a terra monofase, la protezione zero-sequence altamente sensibile identifica rapidamente e isola temporaneamente il ramo difettoso. Il trasformatore di terra è attivo solo durante il breve intervallo tra la comparsa del guasto a terra e l'operazione della protezione zero-sequence per eliminare il guasto. Durante questo periodo, la corrente zero-sequence fluisce attraverso la resistenza di terra al punto neutro e il trasformatore di terra, data da

dove U è la tensione di fase del sistema, R1 è la resistenza di terra al punto neutro e R2 è la resistenza aggiuntiva nel circuito del guasto a terra.

Basandosi sull'analisi sopra, le caratteristiche operative dei trasformatori di terra sono: funzionamento a lungo termine senza carico con capacità di sovraccarico a breve termine.

In sintesi, un trasformatore di terra crea artificialmente un punto neutro per connettere una resistenza di terra. Durante un guasto a terra, presenta un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, ma un'impedenza bassa alla corrente di sequenza zero, consentendo il funzionamento affidabile della protezione contro i guasti a terra.

Attualmente, i trasformatori di terra installati nelle sottostazioni servono a due scopi:

• Fornire energia AC a bassa tensione per uso ausiliario nella sottostazione;

• Creare un punto neutro artificiale sul lato 10 kV, che, combinato con una bobina di compensazione, compensa la corrente di guasto a terra capacitiva durante i guasti a terra monofase a 10 kV, estinguendo così l'arco nel punto del guasto. Il principio è il seguente:

Lungo tutta la lunghezza delle linee di trasmissione in una rete trifase, esistono capacità tra le fasi e tra ciascuna fase e terra. Quando il punto neutro della rete non è solidamente collegato a terra, la capacità fase-terra della fase difettosa diventa zero durante un guasto a terra monofase, mentre le tensioni fase-terra delle altre due fasi aumentano a √3 volte la tensione di fase normale. Anche se questa tensione aumentata non supera la resistenza isolante progettata per la sicurezza, aumenta la loro capacità fase-terra.

La corrente di cortocircuito a terra capacitiva durante un guasto monofase è approssimativamente tre volte la corrente capacitiva normale per fase. Quando questa corrente è elevata, provoca facilmente arcing intermittente, portando a sovratensioni nel circuito risonante LC formato dall'induttanza e dalla capacità della rete, con ampiezze che raggiungono 2,5 a 3 volte la tensione di fase. Più alta è la tensione della rete, maggiore è il rischio da tali sovratensioni. Pertanto, solo i sistemi inferiori a 60 kV possono operare con una neutrale non collegata a terra, poiché le loro correnti di cortocircuito a terra capacitivo monofase sono relativamente piccole. Per livelli di tensione più elevati, deve essere utilizzato un trasformatore di messa a terra per connettere il punto neutro attraverso impedenza a terra.

Quando il lato a 10 kV del trasformatore principale di una sottostazione è connesso in triangolo o stella senza punto neutro, e la corrente di cortocircuito a terra capacitivo monofase è elevata, è necessario un trasformatore di messa a terra per creare un punto neutro artificiale, consentendo la connessione a una bobina di soppressione dell'arco. Questo forma un sistema di messa a terra artificiale - la funzione principale del trasformatore di messa a terra. Durante l'operazione normale, il trasformatore di messa a terra sopporta una tensione bilanciata della rete e trasporta solo una piccola corrente di eccitazione (condizione a vuoto).

La differenza di potenziale tra neutro e terra è zero (trascurando la leggera tensione di spostamento del neutro dalla bobina di soppressione dell'arco), e nessuna corrente fluisce attraverso la bobina di soppressione dell'arco. Supponendo che si verifichi un cortocircuito tra la fase C e la terra, la tensione sequenziale zero risultante dall'asimmetria trifase fluisce attraverso la bobina di soppressione dell'arco a terra. Come la stessa bobina di soppressione dell'arco, la corrente indotta induttiva compensa la corrente di cortocircuito a terra capacitiva, eliminando l'arco al punto del guasto.

Negli ultimi anni, sono avvenuti diversi malfunzionamenti della protezione dei trasformatori di messa a terra in sottostazioni a 110 kV in una certa regione, influendo gravemente sulla stabilità della rete. Per identificare le cause radicate, sono state condotte analisi sulle ragioni di questi malfunzionamenti e sono state implementate misure corrispondenti per prevenirne la ricorrenza e fornire riferimenti ad altre regioni.

Attualmente, i feeder a 10 kV nelle sottostazioni a 110 kV fanno sempre più uso di cavi in uscita, aumentando significativamente la corrente di cortocircuito a terra capacitivo monofase nel sistema a 10 kV. Per sopprimere le ampiezze di sovratensione durante i guasti a terra monofase, le sottostazioni a 110 kV hanno iniziato a installare trasformatori di messa a terra per implementare uno schema di messa a terra a bassa resistenza, stabilendo un percorso di corrente sequenziale zero. Ciò consente alla protezione sequenziale zero selettiva di isolare i guasti a terra in base alla posizione del guasto, prevenendo la riaccesione dell'arco e le sovratensioni, garantendo così l'approvvigionamento sicuro di energia all'equipaggiamento della rete.

A partire dal 2008, una certa rete regionale ha aggiornato i suoi sistemi a 10 kV in sottostazioni a 110 kV a messa a terra a bassa resistenza installando trasformatori di messa a terra e dispositivi di protezione associati. Questo ha permesso l'isolamento rapido di qualsiasi guasto a terra su un feeder a 10 kV, minimizzando l'impatto sulla rete. Tuttavia, recentemente, cinque sottostazioni a 110 kV nella regione hanno subito ripetuti malfunzionamenti della protezione dei trasformatori di messa a terra, causando interruzioni delle sottostazioni e perturbando gravemente la stabilità della rete. Pertanto, identificare le cause e implementare misure correttive è essenziale per mantenere la sicurezza della rete regionale.

1.Analisi delle cause dei malfunzionamenti della protezione dei trasformatori di messa a terra

Quando un feeder a 10 kV presenta un guasto a cortocircuito a terra, la protezione sequenziale zero sul feeder difettoso nella sottostazione a 110 kV dovrebbe agire per prima per isolare il guasto. Se non lo fa correttamente, la protezione sequenziale zero del trasformatore di messa a terra agirà come backup, azionando il disgiuntore di collegamento della barra e i lati del trasformatore principale per isolare il guasto. Pertanto, l'operazione corretta della protezione e dei disgiuntori dei feeder a 10 kV è critica per la sicurezza della rete. L'analisi statistica dei malfunzionamenti in cinque sottostazioni a 110 kV mostra che la causa principale è l'incapacità dei feeder a 10 kV di isolare correttamente i guasti a terra.

Principio della protezione sequenziale zero dei feeder a 10 kV:

Campionamento CT sequenziale zero → Attivazione della protezione del feeder → Azionamento del disgiuntore.
Da questo principio, il CT sequenziale zero, il relè di protezione del feeder e il disgiuntore sono componenti chiave per l'operazione corretta. Si analizzano qui di seguito le cause di malfunzionamento da questi aspetti:

1.1 Errore del CT sequenziale zero che causa il malfunzionamento della protezione del trasformatore di messa a terra.
Durante un guasto a terra su un feeder a 10 kV, il CT sequenziale zero del feeder difettoso rileva la corrente di guasto, attivando la sua protezione per isolare il guasto. Simultaneamente, il CT sequenziale zero del trasformatore di messa a terra rileva anche la corrente di guasto e attiva la protezione. Per assicurare la selettività, la protezione sequenziale zero del feeder a 10 kV è impostata con correnti e tempi di azione inferiori rispetto alla protezione del trasformatore di messa a terra. Impostazioni di corrente: trasformatore di messa a terra - 75 A primario, 1,5 s per azionare il disgiuntore di collegamento della barra a 10 kV, 1,8 s per bloccare il trasferimento automatico a 10 kV, 2,0 s per azionare il lato a bassa tensione del trasformatore, 2,5 s per azionare entrambi i lati; feeder a 10 kV - 60 A primario, 1,0 s per azionare il disgiuntore.

Tuttavia, gli errori del CT sono inevitabili. Se il CT del trasformatore di messa a terra ha un errore del -10% e il CT del feeder ha un errore del +10%, le correnti operative effettive diventano 67,5 A e 66 A - quasi uguali. Affidandosi esclusivamente alla graduazione temporale, un guasto a terra su un feeder a 10 kV potrebbe facilmente causare l'azionamento prematuro della protezione contro la corrente di sovraccorrente sequenziale zero del trasformatore di messa a terra.

1.2 Malfunzionamento causato da un errato collegamento a terra dello scudo del cavo.
I feeder a 10 kV delle sottostazioni a 110 kV utilizzano cavi schermati con schermi collegati a terra alle due estremità - una pratica comune per mitigare le interferenze elettromagnetiche. I CT sequenziali zero sono di tipo toroidale installati intorno ai cavi nei terminali di uscita degli armadi. Durante i guasti a terra, le correnti sbilanciate inducono segnali nel CT per attivare la protezione. Tuttavia, con il collegamento a terra a entrambe le estremità, le correnti indotte nello scudo passano anche attraverso il CT sequenziale zero, creando falsi segnali. Senza una mitigazione adeguata, ciò compromette l'accuratezza della protezione sequenziale zero del feeder, portando all'azionamento di backup del trasformatore di messa a terra.

1.3 Malfunzionamento della protezione del feeder a 10 kV che causa malfunzionamenti.

I relè a microprocessore moderni offrono prestazioni migliorate, ma rimangono problemi di qualità variabile tra i produttori e scarsa dissipazione del calore. Le statistiche dei guasti mostrano che i moduli di alimentazione, le schede di campionamento, le schede CPU e i moduli di uscita di azionamento nelle protezioni dei feeder a 10 kV sono i più soggetti a guasti. I guasti non rilevati possono causare il rifiuto della protezione, innescando malfunzionamenti del trasformatore di messa a terra.

1.4 Malfunzionamento dell'interruttore di alimentazione a 10 kV che causa un errore di funzionamento.
A causa dell'invecchiamento, delle operazioni frequenti o dei problemi intrinseci di qualità, i guasti degli armadi elettrici a 10 kV, specialmente nei circuiti di controllo, stanno aumentando. Nelle aree montane meno sviluppate, gli armadi elettrici GG-1A più vecchi rimangono in servizio con tassi di guasto a terra più elevati. Anche se la protezione a sequenza zero funziona correttamente, il malfunzionamento dell'interruttore (ad esempio, una bobina di scatto bruciata che impedisce l'operazione) porta a un errore di funzionamento del trasformatore di terra.

1.5 Guasti a terra ad alta impedenza su due linee di alimentazione a 10 kV (o un grave guasto a terra ad alta impedenza singolo) che causano un errore di funzionamento.
Quando due linee di alimentazione subiscono guasti a terra ad alta impedenza sulla stessa fase, le correnti di sequenza zero individuali possono rimanere al di sotto della soglia di trip a 60 A (ad esempio, 40 A e 50 A), quindi le protezioni delle linee di alimentazione emettono solo allarmi. Tuttavia, la corrente sommata (90 A) supera l'impostazione del trasformatore di terra di 75 A, causando un trip prematuro. Con linee di alimentazione a 10 kV completamente in cavo, le correnti capacitive normali possono raggiungere 12–15 A. Anche un singolo grave guasto a terra ad alta impedenza (ad esempio, 58 A) più la corrente capacitiva normale si avvicina a 75 A. In questo caso, le oscillazioni del sistema potrebbero facilmente attivare un errore di funzionamento del trasformatore di terra.

2.Misure per prevenire l'errore di funzionamento della protezione del trasformatore di terra

In base all'analisi sopra, si consigliano le seguenti misure:

2.1 Per prevenire l'errore di funzionamento indotto da CT
Utilizzare CT di sequenza zero di alta qualità; sottoporre rigorosamente i CT a test caratteristici prima dell'installazione e rifiutare quelli con un errore superiore al 5%; impostare i valori di pickup della protezione in base alla corrente primaria; verificare le impostazioni mediante test di iniezione primaria.

2.2 Per prevenire un errato collegamento a terra dello scudo del cavo

• I conduttori di collegamento a terra dello scudo del cavo devono passare verso il basso attraverso il CT di sequenza zero ed essere isolati dai canali di cavo. Non deve esserci contatto a terra prima di passare attraverso il CT. Esporre le estremità metalliche per i test di iniezione primaria; isolare il resto in modo affidabile.

• Se il punto di collegamento a terra dello scudo è al di sotto del CT, il conduttore non deve passare attraverso il CT. Evitare di far passare il conduttore di collegamento a terra dello scudo attraverso il centro del CT.

• Migliorare la formazione tecnica in modo che i team di protezione relè e cavi comprendano pienamente i metodi di installazione dei CT e del collegamento a terra dello scudo.

• Rafforzare le procedure di accettazione con ispezioni congiunte dei team di protezione relè, operazioni e cavi.

2.3 Per prevenire il malfunzionamento della protezione della linea di alimentazione
Scegliere dispositivi di protezione dimostrati e affidabili; sostituire unità obsolete o frequentemente difettose; migliorare la manutenzione; installare condizionatori d'aria e ventilazione per prevenire l'operazione a temperature elevate.

2.4 Per prevenire il malfunzionamento dell'interruttore della linea di alimentazione
Utilizzare armadi elettrici affidabili e consolidati; eliminare i vecchi pannelli GG-1A in favore di tipi sigillati, a carica a molla o a motore; mantenere i circuiti di controllo; utilizzare bobine di scatto di alta qualità.

2.5 Per prevenire l'errore di funzionamento dovuto a guasti ad alta impedenza
Eseguire immediatamente ispezioni e riparazioni sulle linee di alimentazione in caso di allarme di sequenza zero; ridurre la lunghezza delle linee di alimentazione; bilanciare i carichi di fase per minimizzare le correnti capacitive normali.

3. Conclusione

Con l'aumento dell'installazione di trasformatori di terra e delle relative protezioni per migliorare la struttura e la stabilità nelle reti regionali, gli incidenti ricorrenti di errore di funzionamento evidenziano la necessità di affrontare gli effetti negativi. Questo documento analizza le cause principali dell'errore di funzionamento della protezione del trasformatore di terra e propone contromisure, fornendo indicazioni per le regioni che hanno installato o pianificano di installare tali sistemi.