Aizemuma transformatora aizsardzība: Nekorektas darbības cēloņi un pasākumi 110 kV pārveidotājos

Ķīnas elektrosistēmā 6 kV, 10 kV un 35 kV tīkli parasti izmanto neitrālā punkta nesaistītu darbības veidu. Tīkla galvenā transformatora pārdevēju puse parasti ir savienota trīsstūra konfigurācijā, kas nesniedz neitrālo punktu, lai to saistītu ar zemes resistoru.

Ja neitrālā punkta nesaistītajā sistēmā notiek vienfazu zemes šķērsojums, starppiesu garumvienību trijstūris paliek simetrisks, radot minimālu ietekmi uz lietotāju darbību. Turklāt, ja kapacitātes strāva ir salīdzinoši maza (mazāka par 10 A), daži pagaidu zemes šķērsojumi var iznīcināties paši, kas ir ļoti efektīvi, lai uzlabotu elektroenerģijas piegādes drošumu un samazinātu elektroenerģijas pārtraukumu gadījumus.

Tomēr, ar elektroenerģijas rūpniecības pastāvīgu paplašināšanos un attīstību, šis vienkāršais paņēmiens vairs neatbilst pašreizējiem prasībām. Modernos pilsētas elektrotīklos, ar kabeļu ceļojumu lielāku izmantošanu, kapacitātes strāvas ir kļuvušas būtiski lielākas (pārsniedzot 10 A). Šādās apstākļos zemes loks nevar uzticami iznīcināties, radot šādas sekas:

• Vienfazu zemes loka periodiska iznīcināšanās un atjaunošana rada loka zemes pārspīlējumu ar amplitūdu, sasniedzot līdz pat 4U (kur U ir fāzes virsotnes spriegums) vai pat augstāku, ilgstošu laiku. Tas rada nopietnu draudu elektriskām ierīcēm izolācijai, potenciāli izraisot bojājumus vājās izolācijas vietās un radot lielus zaudējumus.

• Turpinājošs loks izraisa gaisa jonizāciju, pasliktinot apkārtējā gaisa izolāciju un padarot fāžu starpnieka šķērsojumus vēl labāk iespējamiem.

• Var rasties ferrorezonanses pārspīlējumi, viegli bojājot potenciālvadītājus (PT) un pārspīlējumu apkarpošanas ierīces, un smagākos gadījumos pat izraisot apkarpošanas ierīču eksplodēšanu. Šīs sekas nopietni apdraud tīkla ierīču izolāciju un apdraud elektroenerģijas sistēmas drošo darbību.

Lai novērstu minētos negadījumus un nodrošinātu pietiekamu nullekārto strāvu un spriegumu, lai garantētu uzticamu zemes šķērsojuma aizsardzības darbību, jāveido mākoņveida neitrālais punkts, lai to varētu saistīt ar zemes rezistoru. Lai risinātu šo vajadzību, tika izstrādāti zemes transformatori (parasti saukti par "zemēšanas vienībām"). Zemes transformators mākoņveidā izveido neitrālo punktu ar zemes rezistoru, parasti ar ļoti zemu rezistences vērtību (parasti mazāku par 5 omiem).

Turklāt, tās elektromagnētiskajām īpašībām dota, zemes transformatoram ir augsta impēdance pret pozitīvo un negatīvo sekvencei, ļaujot plūst tikai maziem dzesēšanas strāvām caur tās vākus. Katrā kodolu daļā divas vāku daļas tiek vāktas pretējās virzienos. Kad caur šīm vākām uz viena un tā paša kodola daļa plūst vienādi nullekārto strāvas, tās rāda zemu impēdanci, radot mazu sprieguma pazeminājumu caur vākām nullekārto apstākļos.

Zemes šķērsojuma laikā caur vākām plūst pozitīvā, negatīvā un nullekārto strāvas. Vāks parāda augstu impēdanci pret pozitīvo un negatīvo sekvenci, bet nullekārto strāvai divas vākas vienā fāzē ir savienotas virzienā pretēji. Tās inducētās elektrodinamiskās spējas ir vienādas lielumā, bet pretējas virzienā, efektīvi kompensējot viena otru, tādējādi rādot zemu impēdanci.

Daudzos lietojumos zemes transformatori tiek izmantoti tikai, lai nodrošinātu neitrālo punktu ar mazu zemes rezistoru, un ne sniedz nekādu slodzi; tāpēc daudzi zemes transformatori ir izstrādāti bez sekundārā vāka. Normālas tīkla darbības laikā zemes transformators praktiski darbojas bezslodzes stāvoklī. Tomēr, zemes šķērsojuma laikā tas īsu laiku nes loku strāvu.

Neitrālā punkta zema rezistences saistītajā sistēmā, kad notiek vienfazu zemes šķērsojums, augsti jūtīga nullekārto aizsardzība ātri identificē un laikus atsekojoši izolē traucējošo līniju. Zemes transformators aktīvs ir tikai īsā laikā no zemes šķērsojuma izcelšanās līdz nullekārto aizsardzības darbībai, lai izbeigtu šķērsojumu. Šajā laikā caur neitrālo zemes rezistoru un zemes transformatoru plūst nullekārto strāva, ko nosaka

kur U ir sistēmas fāzes spriegums, R1 ir neitrālais zemes rezisors, un R2 ir papildu rezistors zemes šķērsojuma kontūrā.

Balstoties uz minēto analīzi, zemes transformatoru darbības īpašības ir: ilgtermiņa bezslodzes darbība ar īstermiņa pārsliktspēju.

Kopsakarā, zemes transformators mākoņveidā izveido neitrālo punktu, lai to saistītu ar zemes rezistoru. Zemes šķērsojuma laikā tas rāda augstu impēdanci pret pozitīvo un negatīvo sekvenci, bet zemu impēdanci pret nullekārto strāvu, ļaujot uzticami darboties zemes šķērsojuma aizsardzībai.

Pašlaik pārvades stacijās instalētie zemes transformatori veic divas funkcijas:

• Pārvadei piegādā zemsprieguma AC enerģiju pārvades stacijas palīglīdzekļu izmantošanai;

• Izveido mākoņveida neitrālo punktu 10 kV pusei, kas, kombinēts ar loka nomirošanas spūļu, kompensē kapacitātes zemes šķērsojuma strāvu 10 kV vienfazu zemes šķērsojuma laikā, tādējādi nomiežot lokā šķērsojuma punktā. Principa pamatā ir šāds:

Trīsfāzes elektrotīkla pārraides līnijas garumā eksistē kapacitātes starp fāzēm un starp katru fāzi un zemi. Ja tīkla neitrālis punkts nav stipri saistīts ar zemi, vienfazu zemes šķērsojuma laikā šķērsojuma fāzes zemes kapacitāte kļūst par nulles, savukārt citas divas fāzes zemes spriegumi paaugstinās līdz √3 reizes normālajam fāzes spriegumam. Nē, šis paaugstinātais spriegums nepārsniedz drošībai paredzēto izolācijas spēju, bet tas palielina to fāžu zemes kapacitāti.

Vienfases kļūdainās strāvas kapacitatīvais sākuma strāvas stoks vienfases kļūdainumā ir aptuveni trīs reizes lielāks par normālo fāzeskapacitātes strāvu. Kad šī strāva ir liela, tā viegli izraisa periodiskas lodes, kas rada pārsprogumus LC rezonančajā kontūrā, ko veido tīkla induktivitāte un kapacitāte, ar amplitūdēm, kas sasniedz 2,5 līdz 3 reizes fāzes spriegumu. Jo augstāks ir tīkla spriegums, jo lielāka ir briesma no šādiem pārsprogumiem. Tāpēc tikai sistēmas zemāk par 60 kV var darboties ar nesaistītu neitrālu punktu, jo to vienfases kapacitatīvais zemes sākuma strāvas stoks ir salīdzinoši mazs. Augstākiem sprieguma līmeņiem jāizmanto sazlodzešanas transformators, lai savienotu neitrālo punktu caur impedanci ar zemi.

Ja pieejamās transformatora 10 kV puse ir savienota delta vai trijassarežģītā shēmā bez neitrālā punkta, un vienfases kapacitatīvais zemes sākuma strāvas stoks ir liels, nepieciešams sazlodzešanas transformators, lai radītu mākoņveida neitrālo punktu, ļaujot savienojumu ar lodes novēršanas spuldzi. Tas veido mākoņveida neitrālas sazlodzes sistēmu—sazlodzešanas transformatora galvenā funkcija. Normālā darbībā sazlodzešanas transformators iztur līdzsvarotu tīkla spriegumu un nes noslogumu (bez slodzes stāvoklis). 

Neitrāls punkts pret zemi atšķirība ir nulle (ignorējot mazu neitrālā punkta nobīdes spriegumu no lodes novēršanas spuldzes), un caur lodes novēršanas spuldzi neiet strāva. Pieņemsim, ka notiek fāzes C ar zemi sašķēlums, tad rezultējošais nulles secības spriegums no trīs fāžu asimetrijas plūst caur lodes novēršanas spuldzi uz zemi. Līdzīgi kā pati lodes novēršanas spuldze, izraisītā induktīvā strāva kompensē kapacitatīvo zemes sākuma strāvu, iznīcinot lodi kļūdainā punktā.

Pēdējos gados noteiktā reģiona 110 kV apgriezienos vairākas reizes notikušas sazlodzešanas transformatora aizsardzības nepareizas darbības, smagi ietekmējot tīkla stabilit性错误，我将重新翻译并确保完整性和准确性。

Vienfases kļūdainās strāvas kapacitatīvais sākuma strāvas stoks vienfases kļūdainumā ir aptuveni trīs reizes lielāks par normālo fāzeskapacitātes strāvu. Kad šī strāva ir liela, tā viegli izraisa periodiskas lodes, kas rada pārsprogumus LC rezonančajā kontūrā, ko veido tīkla induktivitāte un kapacitāte, ar amplitūdēm, kas sasniedz 2,5 līdz 3 reizes fāzes spriegumu. Jo augstāks ir tīkla spriegums, jo lielāka ir briesma no šādiem pārsprogumiem. Tāpēc tikai sistēmas zemāk par 60 kV var darboties ar nesaistītu neitrālu punktu, jo to vienfases kapacitatīvais zemes sākuma strāvas stoks ir salīdzinoši mazs. Augstākiem sprieguma līmeņiem jāizmanto sazlodzešanas transformators, lai savienotu neitrālo punktu caur impedanci ar zemi.

Ja pieejamās transformatora 10 kV puse ir savienota delta vai trijassarežģītā shēmā bez neitrālā punkta, un vienfases kapacitatīvais zemes sākuma strāvas stoks ir liels, nepieciešams sazlodzešanas transformators, lai radītu mākoņveida neitrālo punktu, ļaujot savienojumu ar lodes novēršanas spuldzi. Tas veido mākoņveida neitrālas sazlodzes sistēmu—sazlodzešanas transformatora galvenā funkcija. Normālā darbībā sazlodzešanas transformators iztur līdzsvarotu tīkla spriegumu un nes noslogumu (bez slodzes stāvoklis). 

Neitrāls punkts pret zemi atšķirība ir nulle (ignorējot mazu neitrālā punkta nobīdes spriegumu no lodes novēršanas spuldzes), un caur lodes novēršanas spuldzi neiet strāva. Pieņemsim, ka notiek fāzes C ar zemi sašķēlums, tad rezultējošais nulles secības spriegums no trīs fāžu asimetrijas plūst caur lodes novēršanas spuldzi uz zemi. Līdzīgi kā pati lodes novēršanas spuldze, izraisītā induktīvā strāva kompensē kapacitatīvo zemes sākuma strāvu, iznīcinot lodi kļūdainā punktā.

Pēdējos gados noteiktā reģiona 110 kV apgriezienos vairākas reizes notikušas sazlodzešanas transformatora aizsardzības nepareizas darbības, smagi ietekmējot tīkla stabilitāti. Lai identificētu pamatīpašības, tika veikti analīzes par šo nepareizo darbību iemesliem, un tika ieviestas atbilstošas pasākumi, lai novērstu to atkārtošanos un nodrošinātu referenci citiem reģioniem.

Pašlaik 110 kV apgriežos 10 kV pieslēgumi visvairāk izmanto kabeļu izietnes, būtiski palielinot 10 kV sistēmas vienfases kapacitatīvo zemes sākuma strāvas stoku. Lai samazinātu pārsprogumu amplitūdas vienfases zemes kļūdainumos, 110 kV apgriežos sāk tiek instalēti sazlodzešanas transformatori, lai ieviestu zemu resistences sazlodzes shēmu, izveidojot nulles secības strāvas ceļu. Tas ļauj selektīvai nulles secības aizsardzībai izolēt zemes kļūdainumus atkarībā no kļūdainuma atrašanās vietas, novēršot lodes atjaunošanos un pārsprogumus, tādējādi nodrošinot drošu elektrotīkla aprīkojuma enerģijas piegāde.

Sākot ar 2008. gadu, noteiktā reģiona tīklā 110 kV apgriežos 10 kV sistēmas tika modernizētas, instalējot sazlodzešanas transformatorus un atbilstošos aizsardzības ierīces, lai ieviestu zemu resistences sazlodzes shēmu. Tas ļāva ātri izolēt jebkuru 10 kV pieslēguma zemes kļūdainumu, minimizējot tīkla ietekmi. Tomēr nesen piecas 110 kV apgriežos reģionā pieredzēja daudzas sazlodzešanas transformatora aizsardzības nepareizas darbības, izraisot apgriežu izslēgšanas un smagi traucējot tīkla stabilitātei. Tāpēc ir svarīgi identificēt iemeslus un ieviest labojumus, lai uzturētu reģiona tīkla drošību.

1. Iemeslu analīze sazlodzešanas transformatora aizsardzības nepareizai darbībai

Ja 10 kV pieslēguma notiek zemes sašķēluma kļūdainums, 110 kV apgrieža nulles secības aizsardzība kļūdainuma pieslēgumā jādarbojas pirmā, lai izolētu kļūdainumu. Ja tas netiek pareizi izdarīts, sazlodzešanas transformatora nulles secības aizsardzība darbosies kā rezervs, izslēdzot bus tiešsaistes izslēgšanas automātu un abas galvenā transformatora puses, lai izolētu kļūdainumu. Tāpēc 10 kV pieslēguma aizsardzības un izslēgšanas automātu pareiza darbība ir kritiska tīkla drošībai. Nepareizu darbību statistiskā analīze piecu 110 kV apgriežos rāda, ka galvenais iemesls ir 10 kV pieslēgumu neveiksme pareizi izolēt zemes kļūdainumus.

10 kV pieslēguma nulles secības aizsardzības princips:

Nulles secības CT mērījums → Pieslēguma aizsardzības aktivizēšana → Izslēgšanas automāta izslēgšana.
No šī principa, nulles secības CT, pieslēguma aizsardzības releis un izslēgšanas automāts ir atzīmēti kā galvenie komponenti pareizai darbībai. Tālāk tika analizēti nepareizu darbību iemesli no šiem aspektiem:

1.1 Nulles secības CT kļūda, izraisot sazlodzešanas transformatora aizsardzības nepareizu darbību.
Ja 10 kV pieslēguma notiek zemes kļūdainums, kļūdainuma pieslēguma nulles secības CT uztver kļūdainuma strāvu, aktīvējot to aizsardzību, lai izolētu kļūdainumu. Tāpat sazlodzešanas transformatora nulles secības CT arī uztver kļūdainuma strāvu un aktīvē aizsardzību. Lai nodrošinātu selektīvumu, 10 kV pieslēguma nulles secības aizsardzība ir iestatīta ar mazākām strāvas vērtībām un īsākiem laikiem nekā sazlodzešanas transformatora aizsardzība. Strāvas iestatījumi: sazlodzešanas transformators—75 A primārā, 1,5 sekundes, lai izslēgtu 10 kV bus tiešsaistes, 1,8 sekundes, lai bloķētu 10 kV automātisko pārslēgšanu, 2,0 sekundes, lai izslēgtu transformatora zema sprieguma pusi, 2,5 sekundes, lai izslēgtu abas puses; 10 kV pieslēgums—60 A primārā, 1,0 sekunde, lai izslēgtu izslēgšanas automātu.

Tomēr CT kļūdas ir nemainīgas. Ja sazlodzešanas transformatora CT ir -10% kļūda, un pieslēguma CT ir +10% kļūda, faktiskās darbības strāvas kļūst 67,5 A un 66 A—aptuveni vienādas. Atkarībā tikai no laika gradāciju, 10 kV pieslēguma zemes kļūdainums viegli var izraisīt sazlodzešanas transformatora nulles secības pārstrāvas aizsardzības prematīgu izslēgšanu.

1.2 Nepareiza kabēļa aizsargšķidreņa sazlodze, izraisot nepareizu darbību.
110 kV apgriežos 10 kV pieslēgumi izmanto aizsargšķidreņus, kas sazlodzēti abi galdiņi—parastā EMI mazināšanas prakse. Nulles secības CT ir toroidālas formas, instalētas ap kabēļus izietnes terminālos. Zemes kļūdainuma laikā nelielās strāvas izraisa signālus CT, lai aktīvētu aizsardzību. Tomēr, ja abi galdiņi tiek sazlodzēti, izraisītās strāvas aizsargšķidreņos arī plūst caur nulles secības CT, izveidojot nepareizus signālus. Bez pareizas mazināšanas, tas bojā aizsardzības precizitāti, izraisot sazlodzešanas transformatora rezervējuma izslēgšanu.

1.3 10 kV pieslēguma aizsardzības neveiksme, izraisot nepareizu darbību.

Modernie mikroprocesora balstītie releis piedāvā uzlabotu veiktspēju, bet ražotāju kvalitātes atšķirības un sliktā sildīšanās joprojām ir problēmas. Kļūdainumu statistika rāda, ka 10 kV pieslēguma aizsardzībās visbiežāk neveiksmes notiek piegādes moduļos, mērīšanas dēļos, CPU dēļos un izslēgšanas izvades moduļos. Nedaudzētas neveiksmes var izraisīt aizsardzības neveiksmi, izraisot sazlodzešanas transformatora nepareizu darbību.

1.4 10 kV pārslēguma līdzekļa trūkums, kas izraisa nepareizu darbību.
Ar ievilšanos, biežiem darbības periodiem vai būtiskām kvalitātes problēmām, 10 kV pārslēguma līdzekļu trūkumi — īpaši kontrolējošajos ceļos — pieaug. Maziem, mazāk attīstītiem reģioniem vecākais GG-1A pārslēguma līdzeklis joprojām tiek izmantots, un tas ir saistīts ar augstāko zemes salikumu trūkumu. Pat ja nulles sekvences aizsardzība strādā pareizi, pārslēguma līdzekļa trūkums (piemēram, sasvaigtais trip spuldze, kas neļauj darboties) var izraisīt zemes transformatora nepareizo darbību.

1.5 Augstā impēdance zemes salikumu divos 10 kV pārsūtījumos (vai smaga viensalīgais augstā impēdance trūkums), kas izraisa nepareizu darbību.
Kad divi pārsūtījumi piedzīvo vienādi fāzes augstā impēdance zemes salikumus, atsevišķi nulles sekvences strāvas var palikt zem 60 A pārsūtījuma sliekšņa (piemēram, 40 A un 50 A), tāpēc pārsūtījuma aizsardzības tikai brīdinās. Tomēr summa (90 A) pārsniedz zemes transformatora 75 A iestatījumu, izraisojot pārāk agru pārsūtījumu. Ar visiem kabeļu 10 kV pārsūtījumiem normālās kapacitīvās strāvas var sasniedzt 12–15 A. Pat viens smags augstā impēdance trūkums (piemēram, 58 A) plus normālā kapacitīvā strāva tuvojas 75 A. Tad sistēmas svārstības viegli var izraisīt zemes transformatora nepareizo darbību.

2.Pasākumi, lai novērstu zemes transformatora aizsardzības nepareizo darbību

Balstoties uz minēto analīzi, ieteicams veikt šādus pasākumus:

2.1 Lai novērstu CT kļūdas izraisītu nepareizo darbību
Izmantojiet labās kvalitātes nulles sekvences CT; stingri testējiet CT raksturlielus pirms instalēšanas un noraidiet jebkurus ar >5% kļūdu; iestatiet aizsardzības uzsākšanas vērtības balstoties uz primāro strāvu; apstipriniet iestatījumus, izmantojot primāro injicēšanas testēšanu.

2.2 Lai novērstu nepareizo kabeļu aizsargainavas zemes salikumu

• Kabeļu aizsargainavas zemes salikuma vednieki jāved lejup caur nulles sekvences CT un jāizolē no kabeļu stendiem. Pirms caur CT ejot, nedrīkst notikt nekāda zemes salikuma kontakts. Atklājiet metāla beigas primārajai injicēšanas testēšanai; citu daļu droši izolējiet.

• Ja aizsargainavas zemes salikuma punkts atrodas zemāk par CT, vednis nedrīkst ejot cauri CT. Izvairieties no aizsargainavas zemes salikuma vedņa vedšanas cauri CT vidū.

• Palieliniet tehnisko apmācību, lai releja aizsardzības un kabeļu komandas pilnībā saprotu CT un aizsargainavas zemes salikuma instalēšanas metodes.

• Stipriniet pieņemšanas procedūras, veicot kopīgas inspekcijas ar releja, operāciju un kabeļu komandām.

2.3 Lai novērstu pārsūtījuma aizsardzības trūkumu
Izvēlieties pierādītas, uzticamas aizsardzības ierīces; aizstājiet novecojušos vai bieži sūtītos vienus; stipriniet uzturēšanu; instalējiet gaisa kondicionierus un ventilāciju, lai novērstu augstu temperatūru darbību.

2.4 Lai novērstu pārsūtījuma pārslēguma līdzekļa trūkumu
Izmantojiet uzticamus, pilnveidotus pārslēguma līdzekļus; novecāko GG-1A kabinetu izmantošanu aizstājiet ar nomācošājiem vai dzinēja uzlādētām tipiem; uzturiet kontrolējošos ceļus; izmantojiet labās kvalitātes trip spuldzes.

2.5 Lai novērstu augstā impēdance trūkumu izraisīto nepareizo darbību
Nozīmīgi patrulējiet un remontējiet pārsūtījumus, kad tiek uzsākts nulles sekvences brīdinājums; samaziniet pārsūtījumu garumus; līdzsvarojiet fāzes slodzes, lai minimizētu normālas kapacitīvās strāvas.

3. Secinājums

Kā arvien vairāk reģionālajās tīklās tiek instalēti zemes transformatori un saistītā aizsardzība, lai uzlabotu struktūru un stabilitāti, pastāvīgie nepareizdarbi izceļ nepieciešamību risināt negatīvos efektus. Šajā rindkopā analizēti galvenie zemes transformatora aizsardzības nepareizdarbu cēloņi un piedāvāti pretstatīšanas pasākumi, sniedzot vadlīnijas reģioniem, kas ir instalējuši vai plāno instalēt šādas sistēmas.