Transformator Terrestris Protectio: Causae Malfunctionis et Praesidia in Substationibus 110kV

In systemate electricitatis Sinico, retia 6 kV, 10 kV et 35 kV generaliter modum operationis cum neutro non terrato adoptant. Latus distributionis voltaminis transformatoris principalis in rete solito configuratione trianguli conectitur, quod nullum punctum neutrum praebet ad resistorem terrationis conectendum.

Cum defectus monofasialis ad terram in systemate cum neutro non terrato accidit, triangulum voltaminis inter lineas manet symmetricum, parvumque impulsum in operationes usorum faciens. Praeterea, cum currentia capacitiva relativae parva sit (minus quam 10 A), quaedam transitoria defecta ad terram ipsa extinguere possunt, quod valde efficax est ad fiduciam supplicationis electricitatis meliorandam et casus interruptionis electricitatis minuendos.

Tamen, cum industria electricitatis continuo expandatur et evolvatur, haec simplex ratio iam non sufficit ad necessitates hodiernas. In modernis urbibus retibus electricitatis, usus circulorum cavi increscens ducit ad multo maiores currentias capacitivas (excedentes 10 A). Talibus conditionibus, arcus ad terram non potest firmiter extinguere, sequentia producens:

• Extinctio et reaccensio intermittens arcus monofasialis ad terram voltage arcus-ad-terrā generat, cuius amplitudo usque ad 4U (ubi U est voltatio phasica maxima) vel etiam ultra pervenire potest, diutius durans. Haec gravis periculum ad insulationem apparatus electricorum offert, rupturas in locis infirmis insulationis potest causare, maiora damna inferendo.

• Arcus diuturnus ionizationem aeris efficit, insulationem aeris circumstantis deterioret, cortocircuitum inter fases probabilius reddens.

• Voltage ferroresonantiae accidere potest, quod facile transmittere potentialis (PTs) et arrestores fulminum nocere potest, gravissimis casibus etiam explosiones arrestorum efficiens. Haec omnia serio periclitantur insulationem apparatus retis et securitatem operationis systematis electrici minitantur.

Ut praedictos casus prohibeamus et sufficientem currentiam zerosequentiam ac voltationem ad firmam operationem protectionis contra defectum ad terram praebemus, punctum neutrum artificiosum creandum est, ut resistor terrationis conecti possit. Ad hanc necessitatem satisfaciendam, transformatores terrationis (vulgo "unitates terrationis" dicti) excogitati sunt. Transformator terrationis punctum neutrum artificiosum cum resistore terrationis creat, qui saepius valorem resistentiae valde parvum habet (saepius minus quam 5 ohm).

Praeterea, ob suae characteristicas electromagneticas, transformator terrationis impedimentum altum ad currentias positivas et negativas praebet, tantum parvam currentiam excitandi per spiras suas transire permittens. In singulis ramis nuclei, duo sectiones spira consilia contrarias habent. Cum currentes aequales zerosequentiae per has spiras in eodem ramo nuclei fluunt, impedimentum parvum praebent, sic parvam cadentem voltationem per spiras sub conditionibus zerosequentiae efficiunt.

Durante defectu ad terram, currentes positivae, negativae et zerosequentiae per spiras fluunt. Spira impedimentum altum ad currentias positivas et negativas ostendit, sed pro currentia zerosequentiae, duae spirae in eadem phasi serie connexae sunt cum polaritate contraria. Eorum vires electromotrices magnitudine aequae sed directione contrariae sunt, sic sese efficaciter tollentes, impedimentum igitur parvum praebentes.

In multis applicationibus, transformatores terrationis tantum ad praebendum punctum neutrum cum parvo resistore terrationis utuntur nec ullam onerantiam portant; ideo multi transformatores terrationis sine spirale secundario designati sunt. Durante operatione normali retis, transformator terrationis fere in statu sine onere operatur. Tamen, durante defectu, tantum brevi tempore currentiam defectus portat.

In systemate cum neutro humilis resistentiae terrato, cum defectus monofasialis ad terram accidit, protectio zerosequentiae valde sensitiva celeriter defectuosam alimentatricem agnoscit et temporarie abscindit. Transformator terrationis tantum brevi intervallo activus est, quod inter occursum defectus ad terram et actionem protectionis zerosequentiae ad eliminandum defectum patet. Hoc tempore, currentia zerosequentiae per resistentorem neutri terrationis et transformatorem terrationis fluit, data per

ubi U est voltatio phasica systematis, R1 est resistor neutri terrationis, et R2 est resistentia addita in circuitu defectus ad terram.

Ex praedicta analyse, characteristicas operationis transformatorum terrationis sunt: operatio diuturna sine onere cum facultate sobrecarregationis brevi tempore.

In summa, transformator terrationis punctum neutrum artificiosum creat ad resistorem terrationis conectendum. Durante defectum ad terram, impedimentum altum ad currentias positivas et negativas praebet sed impedimentum parvum ad currentiam zerosequentiae, firmitatem operationis protectionis contra defectum ad terram efficiens.

Nunc, transformatores terrationis in substationibus installati duas habent finalitates:

• Supplicare potentiam AC humilis voltionis ad usum auxiliare substationis;

• Creare punctum neutrum artificiosum in latere 10 kV, quod—cum catena suppressionis arcus iunctum—currentiam capacitivam defectus ad terram durante defectibus monofasialibus 10 kV compensat, sic arcum in puncto defectus extinguens. Principium est sequens:

Per totam longitudinem linearum transmissionis in reti trifasiali electrico, capacitantes inter fases et inter unamquamque phasim et terram existunt. Cum neutrum retis non solide terratum sit, capacitatio phasim-ad-terrā phasis defectae in defectu monofasiali ad terram fit zero, dum voltationes phasim-ad-terrā reliquarum duarum phasium ad √3 normalem voltationem phasicam crescunt. Quamquam haec augmentata voltatio vim insulationis a securitate descriptam non excedit, capacitatem phasim-ad-terrā earum augmet.

Curentul de defect capacitar la terra în cazul unui defect monofazat este aproximativ de trei ori mai mare decât curentul capacitar normal per fază. Când acest curent este mare, provoacă ușor arcuri intermitente, ducând la supratensiuni în circuitul rezonant LC format de inductanța și capacitățile rețelei, cu amplitudini care ajung la 2,5-3 ori tensiunea de fază. Cu cât este mai mare tensiunea rețelei, cu atât este mai mare riscul din cauza acestor supratensiuni. Prin urmare, doar sistemele sub 60 kV pot funcționa cu neutru nelămurit, deoarece curentul lor de defect capacitar monofazat la terra este relativ mic. Pentru niveluri mai mari de tensiune, trebuie utilizat un transformator de lămurire a neutru pentru a conecta punctul neutru prin impedanță la pământ.

Când partea de 10 kV a unui transformator principal de stație electrică este conectată în triunghi sau în stea fără punct neutru, și curentul de defect capacitar monofazat la terra este mare, este necesar un transformator de lămurire a neutru pentru a crea un punct neutru artificial, permitând conexiunea la o bobină de stingerire a arcelor. Acest lucru formează un sistem de lămurire a neutru artificial – funcția principală a transformatorului de lămurire a neutru. În timpul operațiunii normale, transformatorul de lămurire a neutru suportă tensiunea echilibrată a rețelei și transportă doar un curent de excitație mic (stare fără sarcină).

Diferența de potențial dintre neutru și pământ este zero (ignorând tensiunea minoră de deplasare a neutru din cauza bobinei de stingerire a arcelor), și niciun curent nu curge prin bobina de stingerire a arcelor. Presupunând că se produce o scurtcircuitare fază-C-la-terra, tensiunea de secvență zero rezultată din asimetria trifazată curge prin bobina de stingerire a arcelor la pământ. Ca și bobina de stingerire a arcelor însăși, curentul inducțional compensă curentul de defect capacitar la terra, eliminând arcul în punctul de defect.

În ultimii ani, au avut loc multiple funcționări eronate ale protecției transformatorului de lămurire a neutru în stațiile electrice de 110 kV dintr-o anumită regiune, afectând sever stabilitatea rețelei. Pentru a identifica cauzele fundamentale, s-au făcut analize asupra motivelor acestor funcționări eronate, iar măsuri corespunzătoare au fost implementate pentru a preveni recurența și a oferi referințe pentru alte regiuni.

În prezent, alimentările de 10 kV din stațiile electrice de 110 kV utilizează tot mai mult cabluri de ieșire, creșterea semnificativă a curentului de defect capacitar monofazat la terra în sistemul de 10 kV. Pentru a suprime amplitudinea supratensiunilor în timpul defectelor monofazate la terra, stațiile electrice de 110 kV au început să instaleze transformatoare de lămurire a neutru pentru a implementa un schemă de lămurire cu rezistență scăzută, stabilind un drum de curent de secvență zero. Acest lucru permite protecției selectivă de secvență zero să izoleze defectele de terra în funcție de locația defectului, prevenind reapariția arcului și a supratensiunilor, asigurând astfel o aprovizionare sigură cu energie a echipamentelor rețelei.

Începând cu 2008, o anumită rețea regională a modernizat sistemele de 10 kV din stațiile electrice de 110 kV la lămurire cu rezistență scăzută prin instalarea transformatoarelor de lămurire a neutru și a dispozitivelor de protecție asociate. Acest lucru a permis izolarea rapidă a oricărui defect de terra al alimentărilor de 10 kV, minimizând impactul asupra rețelei. Cu toate acestea, recent, cinci stații electrice de 110 kV din regiune au experimentat funcționări eronate repetate ale protecției transformatorului de lămurire a neutru, provocând oprire a stațiilor electrice și afectând sever stabilitatea rețelei. Prin urmare, identificarea cauzelor și implementarea măsurilor corective este esențială pentru menținerea securității rețelei regionale.

1.Analiza cauzelor funcționării eronate a protecției transformatorului de lămurire a neutru

Când o alimentare de 10 kV experimentează un defect de scurtcircuit la terra, protecția de secvență zero pe alimentarea defectată la stația electrică de 110 kV ar trebui să acționeze mai întâi pentru a izola defectul. Dacă nu acționează corect, protecția de secvență zero a transformatorului de lămurire a neutru va acționa ca rezervă, declanșând întrerupătorul de legătură a barei și ambele părți ale transformatorului principal pentru a izola defectul. Astfel, funcționarea corectă a protecției și a întrerupătorilor alimentărilor de 10 kV este crucială pentru securitatea rețelei. Analiza statistică a funcționărilor eronate în cinci stații electrice de 110 kV arată că cauza principală este eșecul alimentărilor de 10 kV de a elimina corect defectele de terra.

Principiul protecției de secvență zero a alimentărilor de 10 kV:

Eșantionare CT de secvență zero → Activare protecției alimentării → Declanșare întrerupător.
Din acest principiu, CT-ul de secvență zero, relul de protecție a alimentării și întrerupătorul sunt componente cheie pentru funcționarea corectă. Următoarea analiză a cauzelor funcționării eronate din aceste aspecte:

1.1 Eroare CT de secvență zero care provoacă funcționarea eronată a protecției transformatorului de lămurire a neutru.
În timpul unui defect de terra al alimentării de 10 kV, CT-ul de secvență zero al alimentării defectate detectează curentul de defect, declanșând protecția sa pentru a izola defectul. Simultan, CT-ul de secvență zero al transformatorului de lămurire a neutru detectează de asemenea curentul de defect și inițiază protecția. Pentru a asigura selectivitatea, protecția de secvență zero a alimentărilor de 10 kV este setată cu valori de curent mai mici și timpuri mai scurte decât protecția transformatorului de lămurire a neutru. Setări de curent: transformator de lămurire a neutru—75 A primar, 1,5 s pentru declanșare întrerupător bară de 10 kV, 1,8 s pentru blocare auto-transfer 10 kV, 2,0 s pentru declanșare laterală de tensiune joasă a transformatorului, 2,5 s pentru declanșare ambelor părți; alimentare de 10 kV—60 A primar, 1,0 s pentru declanșare întrerupător.

Cu toate acestea, erorile CT sunt inevitabile. Dacă CT-ul transformatorului de lămurire a neutru are o eroare de -10% și CT-ul alimentării are o eroare de +10%, curenturile de operare devin 67,5 A și 66 A—aproximativ egale. Răsturnându-se doar pe gradații de timp, un defect de terra al alimentării de 10 kV ar putea ușor provoca declanșarea prematură a protecției de supracurent de secvență zero a transformatorului de lămurire a neutru.

1.2 Lămurire incorectă a blindajului cablului care provoacă funcționarea eronată.
Alimentările de 10 kV din stațiile electrice de 110 kV folosesc cabluri cu blindaj, cu blindaje lămurite la ambele capete—o practică comună pentru reducerea EM. CT-urile de secvență zero sunt de tip toroidal montate în jurul cablurilor la terminalele de ieșire a întrerupătorului. În timpul defectelor de terra, curentele neechilibrate induc semnale în CT pentru a activa protecția. Cu toate acestea, cu lămurirea la ambele capete, curentele induce în blindaj trec și prin CT de secvență zero, creând semnale false. Fără măsuri adecvate, aceasta afectează precizia protecției de secvență zero a alimentărilor, ducând la declanșarea rezervă a transformatorului de lămurire a neutru.

1.3 Eșec al protecției alimentărilor de 10 kV care provoacă funcționarea eronată.

Relurile bazate pe microprocesoare moderne oferă performanțe îmbunătățite, dar calitatea variabilă a producătorilor și evacuarea slabă a căldurii rămân probleme. Statisticile defecțiilor arată că modulele de alimentare, plăcile de eșantionare, plăcile CPU și modulele de ieșire de declanșare în protecția alimentărilor de 10 kV sunt cele mai predispuse la defect. Defectele nedetectate pot duce la refuzul protecției, declanșând funcționarea eronată a transformatorului de lămurire a neutru.

1.4 Fallitio interruptoris alimentari 10 kV causans maloperationem.
Propter senectutem, frequentes operationes, vel defectus qualitatis inhaerentes, fallitiorum apparatorum 10 kV — praecipue in circuitis de controllo — crescent. In regionibus montanis minus developertis, veteres armamentaria GG-1A adhuc in usu manent cum altioribus rationibus defectuum terrae. Etiam si protectio secundum ordinem zerosequentialem recte operatur, fallitium interruptoris (exempli gratia, spira tripolata combusta impedient operari) ducit ad maloperationem transformatoris terrae.

1.5 Defectus terrae alta impedentiae in duobus alimentariis 10 kV (vel severus singularis defectus altae impedentiae) causantes maloperationem.
Cum duo alimentaria deficiunt eadem phase alta impedentia, singulae currentes zerosequentiales possunt sub limine tripolare 60 A (exempli gratia, 40 A et 50 A), sic protectiones alimentariae tantum alarmant. Sed currentes summati (90 A) superant dispositionem transformatoris terrae 75 A, ducens ad prematuram tripolationem. Cum alimentariis 10 kV totius cabli, currentes capacitives normales possunt attingere 12–15 A. Etiam singularis severus defectus altae impedentiae (exempli gratia, 58 A) plus normalis currentis capacitivorum appropinquat 75 A. Oscillationes systematis tunc facile potest inducere maloperationem transformatoris terrae.

2. Mensoria ad Preventendum Maloperationem Protectionis Transformatoris Terrae

Ex analyse supra, mensoria sequentia commendantur:

2.1 Ad preventendum maloperationem ex errore CT
Utere CTs zerosequentiales optima; rigide testa characteristica CT ante installationem et reicte quaslibet cum errore >5%; setta valores pickup protectionis secundum currentem primarium; verifica dispositiones per injectionem primariam.

2.2 Ad preventendum incorrectum grounding scuti cabli

• Conductores grounding scuti cabli debeant transire per CT zerosequentiale et insulari ab armamentis cabli. Nullum contactum grounding debe esse ante transiens per CT. Expose extrema metallica pro injectione primaria; insule reliqua fideliter.

• Si punctum grounding scuti est infra CT, conductor non debet transire per CT. Vite ductu conductoris grounding scuti per medium CT.

• Enhance technical training so relay protection and cable teams fully understand CT and shield grounding installation methods.

• Strengthen acceptance procedures with joint inspections by relay, operations, and cable teams.

2.3 Ad preventendum fallitium protectionis alimentariae
Elige dispositiva protectionis probata et fidelia; substitue vetusta vel saepe defecta; enhance maintenance; installe aerificationem et ventilationem ut prevenias operationem alti caloris.

2.4 Ad preventendum fallitium interruptoris alimentariae
Utere apparationibus commutationis fidelibus et maturis; excludito vetustos armamentarios GG-1A in favoribus clausorum, spiralis aut motoribus oneratoribus; maintine circuitus controlis; ute spiras tripolatas optimas.

2.5 Ad preventendum maloperationem ex defectu altae impedentiae
Immediato patrulare et reparare alimentaria post alarmam zerosequentialem; reduce longitudines alimentaria; aequilibra onera phasica ut minues currentes capacitives normales.

3. Conclusio

Cum plures reticula regionalia installent transformatores terrae et protectiones associatas ad meliorandam structuram et stabilitatem, incidentia recurrentes maloperationis ostendunt necessitatem ad addressandum effectus adversos. Hoc opusculum analysit causa primarias maloperationis protectionis transformatoris terrae et proponit remedia, praebens directionem regionibus quae instalaverunt vel intendunt instalare tales systemata.