Трансформатор за земјување: Причини за погрешно функционирање и мерки за спречување во 110кВ подстанции
Во кинескиот систем за енергија, мрежите на 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ обично го користат режимот на незаземено рабоче точка. Стораната на дистрибуција на напон од главниот трансформатор во мрежата обично е поврзана во триаголна конфигурација, што не овозможува поврзување со заземачки резистор.
Кога се случи једнофазен заземен дефект во систем со незаземена рабоча точка, троуголникот на напон меѓу линии останува симетричен, што има минимален влијание врз операциите на корисниците. Повисоко, кога капацитетниот ток е релативно мал (помал од 10 А), некои прехвратни заземени дефекти можат да се угасат сами, што е многу ефикасно за подобрување на надежноста на доставување на енергија и намалување на инциденти со прекинување на енергија.
Меѓутоа, со непрекинатото проширување и развој на енергетската индустрија, овој прост метод вече не задоволува моменталните потреби. Во современите урбани енергетски мрежи, зголемената употреба на кабелски цеви довела до значително по големи капацитетни токови (преминуваат 10 А). Под такви услови, заземените дугови не можат надежно да се угасат, што доведува до следните последици:
Прекинувано угасување и повторно запалување на једнофазен заземен дуг генерира преултразвукови со амплитуда што достигнува до 4U (каде U е врвниот фазен напон) или дораже, што трае долга време. Ова поставува сериозни опасности за изолацијата на електричната опрема, со можност за пробивање на слабите точки на изолација и доведување до големи загуби.
Постојано горење на дугови го ионизира воздухот, кој ја подобрува изолацијата на околниот воздух и го прави повеќе веројатно меѓуфазниот краткир.
Може да се појават преултразвукови од ферорезонанса, што лесно може да повреди потенцијални трансформатори (PTs) и предохраници, и во тешки случаи, дораже може да доведе до експлозии на предохраници. Овие последици сериозно опасуваат изолацијата на опремата во мрежата и заприказуваат сигурната работа на системот за енергија.
За да се спречат овие инциденти и да се обезбеди доволно нултосечен ток и напон за надежна работа на заштита против заземени дефекти, мора да се создаде искусствена нейтрална точка, така што може да се поврзе заземачки резистор. За да се испрати оваа потреба, беа развиени заземачки трансформатори (често наречени „заземачки единици“). Заземачкиот трансформатор искусство создава нейтрална точка со заземачки резистор, типички со многу ниска вредност на резисторот (обично помал од 5 ом).
Повисоко, поради неговите електромагнетни карактеристики, заземачкиот трансформатор претставува голем импеданс на позитивни и негативни токови, дозволувајќи само мали возбудителни токови да протечат низ неговите витчиња. На секоја греда на жеже, две делови на витчињата се витани во обратна насока. Кога нултосечни токови исто така протечат низ овие витчиња на истата греда, тие претставуваат ниска препона, што резултира со минимален пад на напон низ витчињата при нултосечни услови.
Токму во момент на заземен дефект, позитивни, негативни и нултосечни токови протечат низ витчињата. Витчињата претставуваат голем импеданс на позитивни и негативни токови, но за нултосечни токови, двата витчиња на истата фаза се поврзани во серија со обратна поларитет. Нивните индуцирани електродинамички сили се еднакви по големина, но противоположни по насока, што ефективно се отменуваат една друга, така што претставуваат ниска препона.
Во многу применби, заземачките трансформатори се користат единствено за да се обезбеди нейтрална точка со мали заземачки резистори и не обезбедуваат никаква натовареност; затоа многу заземачки трансформатори се дизајнираат без вторични витчиња. Токму во нормална работа на мрежата, заземачкиот трансформатор работи суштински во статус на без натовареност. Меѓутоа, во момент на дефект, тој носи дефектен ток само за кратко време.
Во систем со ниска резистивност на нейтрална точка, кога се случи једнофазен заземен дефект, високо чувствителната нултосечна заштита брзо го идентификува и временски го изолова дефектната фидер. Заземачкиот трансформатор е активен само во краткиот интервал помеѓу појавата на заземен дефект и акцијата на нултосечната заштита за чистење на дефектот. Токму во овој период, нултосечниот ток протечат низ нейтралниот заземачки резистор и заземачкиот трансформатор, даден од
каде U е фазниот напон на системот, R1 е нейтралниот заземачки резистор, а R2 е дополнителната резистивност во заземениот дефектен циклус.
На основа на горенаведената анализа, карактеристиките на работа на заземачките трансформатори се: долготрајна работа без натовареност со краткотрајна превишена натовареност.
Заклучувајќи, заземачкиот трансформатор искусство создава нейтрална точка за поврзување со заземачки резистор. Во момент на заземен дефект, тој претставува голем импеданс на позитивни и негативни токови, но ниска препона на нултосечни токови, што овозможува надежна работа на заштита против заземени дефекти.
Сега, заземачките трансформатори инсталирани во подстанции служат за две цели:
Обезбедување на нисконапонска алтернативна енергија за помошни употреби во подстанцијата;
Создавање на искусствена нейтрална точка на страната на 10 кВ, што, кога се комбинира со дуготушачкиот цев, компенсира капацитетните заземени дефектни токови при једнофазен заземен дефект на 10 кВ, што го угашува дугот во местото на дефектот. Принципот е следниве:
По целата должина на префронтните цеви во трофазниот систем за енергија, постојат капацитети меѓу фазите и меѓу секоја фаза и земјата. Кога нейтралната точка на мрежата не е тешко заземена, капацитетната врска на заземената фаза станува нула во момент на једнофазен заземен дефект, додека фазните напони на другите две фази се зголемуваат до √3 пати од нормалниот фазен напон. Иако овој зголемен напон не надминува изолационата јачина дизајнирана за безбедност, тие зголемуваат нивната капацитетна врска со земјата.
Капацитетниот ток на дефект со земја при еднофазен дефект е приближно три пати поголем од нормалниот капацитетен ток по фаза. Кога овој ток е голем, лесно предизвикува прераспределување на искрите, што доведува до прекумпани во LC резонантната кола формирана од индуктивноста и капацитетот на мрежата, со вредности кои достигнуваат 2,5 до 3 пати повеќе од фазната напруга. Колку што напругата на мрежата е поголема, ризикот од такви прекумпани се зголемува. Затоа, само системите под 60 кВ можат да работат со незаградена неутрална точка, бидејќи нивните еднофазни капацитетни токови на дефект со земја се относително малечки. За повисоки нивоа на напруга, мора да се користи трансформатор за заградување за да се поврзе неутралната точка преку импеданса со земјата.
Кога 10 кВ страната на главниот трансформатор на подстанцијата е поврзана во делта или звезда без неутрална точка, и еднофазниот капацитетен ток на дефект со земја е голем, потребен е трансформатор за заградување за да се создаде вештачка неутрална точка, што ќе дозволи поврзување со котла за потиснување на искри. Ова формира вештачка система за заградување на неутралната точка - основна функција на трансформаторот за заградување. Во нормална работа, трансформаторот за заградување издразнува балансирана мрежна напруга и носи само мала возбудна струја (без опрема).
Разликата во потенцијалот меѓу неутралната точка и земјата е нула (игнорирајќи мала неутрална напруга од котлата за потиснување на искри), и нема струја која протекува низ котлата за потиснување на искри. Ако се случи кратура на фаза C-земја, нултата секвенцијална напруга резултирајќи од асиметријата на три фази протекува низ котлата за потиснување на искри до земјата. Како и самата котла за потиснување на искри, индуцираната индуктивна струја компенсира капацитетниот ток на дефект со земја, елиминирајќи искрата на местото на дефектот.
За последните неколку години, во некој регион, во 110 кВ подстанции се случиле многу грешки во заштитата на трансформаторот за заградување, што тешко ја попречуваше стабилноста на мрежата. За да се идентификуват основните причини, проведени се анализи на причините за овие грешки, и се имплементирани одговарачки мерки за спречување на повторно настанување и за да служат како референца за други региони.
Сега, 10 кВ исходни линии во 110 кВ подстанции все повеќе користат излезните кабели, значително зголемувајќи еднофазни капацитетни токови на дефект со земја во 10 кВ системот. За да се потиснат величините на прекумпаните напруги при еднофазни дефекти со земја, 110 кВ подстанциите почнале да инсталираат трансформатори за заградување за да се имплементира схема со ниска резистивност, формирајќи пат за нултата секвенцијална струја. Ова дозволува селективна нултата секвенцијална заштита да изолира дефектите со земја според локацијата на дефектот, спречувајќи повторно запалување на искрите и прекумпани, осигурувајќи сигурна достава на електрична енергија до опремата на мрежата.
Од 2008 година, некој регионски мрежа почна да ретрофитира своите 10 кВ системи на 110 кВ подстанции на ниска резистивност со инсталација на трансформатори за заградување и поврзана заштитна опрема. Ова дозволи брзо изолирање на било кој 10 кВ исходен дефект со земја, минимизирајќи влијанието на мрежата. Меѓутоа, недавно, пет 110 кВ подстанции во регионот испатени многу поновни грешки во заштитата на трансформаторот за заградување, каузирајќи прекинување на подстанциите и тешко нарушувајќи стабилноста на мрежата. Затоа, идентификацијата на причините и имплементацијата на коректиращи мерки е важна за одржување на регионалната мрежна безбедност.
1. Анализа на причините за грешки во заштитата на трансформаторот за заградување
Кога 10 кВ исходна линија испати дефект со кратура на земја, нултата секвенцијална заштита на дефектната исходна линија во 110 кВ подстанция треба да се активира прво за да изолира дефектот. Ако тоа не се случи правилно, нултата секвенцијална заштита на трансформаторот за заградување ќе се активира како резервна, трепајќи главната сврска и обе страни на главниот трансформатор за да изолира дефектот. Така, правилната работа на заштитата на 10 кВ исходната линија и прекинувачите е критична за безбедноста на мрежата. Статистичката анализа на грешките во пет 110 кВ подстанции покажува дека основната причина е невојно изолирање на дефектите со земја на 10 кВ исходните линии.
Принцип на нултата секвенцијална заштита на 10 кВ исходната линија:
Узимање узорци од нултата секвенцијална CT → Активирање на заштитата на исходната линија → Трепање на прекинувачот.
Според овој принцип, нултата секвенцијална CT, релејот за заштита на исходната линија и прекинувачот се клучни компоненти за правилна работа. Следната анализа на грешките се води од овие аспекти:
1.1 Грешка во нултата секвенцијална CT која предизвикува грешка во заштитата на трансформаторот за заградување.
При дефект со земја на 10 кВ исходната линија, нултата секвенцијална CT на дефектната исходна линија детектира дефектна струја, активирајќи неговата заштита за изолирање на дефектот. Исто така, нултата секвенцијална CT на трансформаторот за заградување исто така детектира дефектна струја и активира заштитата. За да се осигура селективноста, нултата секвенцијална заштита на 10 кВ исходната линија е подесена со помала струја и краток временски период од заштитата на трансформаторот за заградување. Подесувања на струјата: трансформатор за заградување - 75 A примарна, 1,5 с за трепање на 10 кВ главна сврска, 1,8 с за блокирање на автоматско превземање на 10 кВ, 2,0 с за трепање на нисковолтената страна на трансформаторот, 2,5 с за трепање на обе страни; 10 кВ исходна линија - 60 A примарна, 1,0 с за трепање на прекинувачот.
Меѓутоа, грешките во CT-тата се неизбежни. Ако трансформаторот за заградување CT има грешка од -10% и исходната линија CT има грешка од +10%, реалните оперативни струи стануваат 67,5 A и 66 A - скоро еднакви. Со зависење само од временското подесување, еднофазен дефект со земја на 10 кВ исходната линија лесно може да предизвика нултата секвенцијална заштита на трансформаторот за заградување да се активира претчасно.
1.2 Неправилно заградување на ѕидот на кабела што предизвикува грешка.
10 кВ исходните линии на 110 кВ подстанциите користат кабели со ѕид, со ѕид заграден на двете крајни точки - честа практика за намалување на ЕМИ. Нултата секвенцијална CT е торус тип инсталиран околу кабелите на излезните терминали на апаратурата. При дефекти со земја, несбалансирани струи индуцираат сигнал во CT-тата за активирање на заштитата. Меѓутоа, со заградување на ѕидот на двете крајни точки, индуцираните струи во ѕидот исто така минуваат низ нултата секвенцијална CT, создавајќи лажни сигнали. Без правилно намалување, ова ја импира точноста на нултата секвенцијална заштита на исходната линија, доведувајќи до активирање на заштитата на трансформаторот за заградување како резервна.
1.3 Нефункционалност на заштитата на 10 кВ исходната линија што предизвикува грешка.
Современите микропроцесорски релеји овозможуваат подобрен перформанс, но варијациите во качеството на производителите и лошото отстранување на топлината остануваат проблеми. Статистиката на дефектите покажува дека модулите за захранување, платите за узимање на узорци, CPU платите и модулите за излез на трепање во заштитите на 10 кВ исходните линии најчесто се дефектни. Недетектирани дефекти можат да предизвикаат отказ на заштитата, активирајќи грешка во заштитата на трансформаторот за заградување.
1.4 Неуспешност на прекинувачот на 10 kV фидер поради несоодветна работа.
Со стареење, чести операции или внатрешни проблеми со квалитетот, неисправностите на склопните уреди на 10 kV — особено во струјните кола за управување — се зголемуваат. Во помалку развиените планински области, постарите склопни уреди GG-1A сеуште се во употреба и имаат повисоки стапки на еднофазни кратки споеви на земја. Дури и ако нултата серија заштита работи правилно, неуспех на прекинувачот (на пр. изгорена тргачка намотка што спречува активирање) доведува до несоодветна работа на трансформаторот за уземлување.
1.5 Високоомни кратки споеви на земја на два 10 kV фидери (или сериозен единечен високоомен краток спој) што предизвикуваат несоодветна работа.
Кога два фидера имаат високоомнa краток спој на иста фаза, поединечните струи од нулта серија можеби ќе останат под прагот од 60 A за отпуштање (на пр. 40 A и 50 A), така што заштитите на фидерите само алармираат. Но, збирната струја (90 A) го надминува поставениот праг од 75 A на трансформаторот за уземлување, што предизвикува премерно брзо отпуштање. Кај целосно кабелските 10 kV фидери, нормалните капацитивни струи можат да достигнат 12–15 A. Дури и еден сериозен високоомен краток спој (на пр. 58 A) плус нормалната капацитивна струја се приближува кон 75 A. Осцилациите во системот потоа лесно можат да го активираат трансформаторот за уземлување во состојба на несоодветна работа.
2. Мерки за спречување на несоодветна работа на заштитата на трансформаторот за уземлување
Во основа на горната анализа, се препорачуваат следните мерки:
2.1 За спречување на несоодветна работа предизвикана од грешка на ТС
Користете ТС за нулта серија со висок квалитет; ригорозно тестирајте ги карактеристиките на ТС пред монтажа и одбивајте секој со грешка >5%; поставете вредности за активирање на заштитата врз основа на примарната струја; потврдете ги поставките со тест со инжекција на примарна струја.
2.2 За спречување на неточна маса на кабелските шилдови
Масните проводници на кабелските шилдови мора да минуваат низ ТС за нулта серија одозгора надолу и да бидат изолирани од кабелските корби. Не смее да има контакт со маса пред да минат низ ТС. Откријте метални краеви за тест со инжекција на примарна струја; останатиот дел сигурно изолирајте.
Ако точката за поврзување на шилдот со маса е под ТС, проводникот не смее да минува низ ТС. Избегнувајте проводникот за маса на шилдот да минува низ средината на ТС.
Зголемете техничко обука за да ги разберат наполно екипите за релејна заштита и кабели методите на монтажа на ТС и поврзување на шилдовите со маса.
Зголемете процедурите за прием со заеднички инспекции од екипите за релејна заштита, операции и кабели.
2.3 За спречување на неуспех на заштитата на фидерот
Изберете докажани, сигурни уреди за заштита; заменете ги постарите или често неисправни уреди; зголемете го одржувањето; инсталирајте клима уреди и вентилација за да се спречи работа на висока температура.
2.4 За спречување на неуспех на прекинувачот на фидерот
Користете сигурни, доказани склопни уреди; повлечете ги стари моделите GG-1A и префрлете се на затворени типови со пружинско или моторно полнење; одржувајте ги струјните кола за управување; користете ТС со висок квалитет.
2.5 За спречување на несоодветна работа поради високоомни кратки споеви
Немедлено изведете проверка и поправка на фидерите по алармот за нулта серија; намалете ја должината на фидерите; балансирајте ги товарите на фазите за да се минимизираат нормалните капацитивни струи.
3. Заклучок
Бидејќи сè повеќе регионални мрежи инсталираат трансформатори за уземлување и соодветна заштита за подобрување на структурата и стабилноста, повторувачките инциденти на несоодветна работа укажуваат на потребата од отстранување на негативните ефекти. Во овој труд се анализирани главните причини за несоодветна работа на заштитата на трансформаторот за уземлување и се предложени контрамерки, што обезбедува насока за региони кои веќе инсталирале или планираат да инсталираат вакви системи.
