Pemeliharaan Penjana Bumi: Punca Kesilapan Operasi & Tindakan Bertentangan di Substesyen 110kV

Dalam sistem tenaga elektrik China, grid 6 kV, 10 kV, dan 35 kV biasanya mengadopsi modus operasi titik neutral tidak terhubung. Sisi tegangan distribusi transformer utama dalam grid biasanya dihubungkan dalam konfigurasi delta, yang tidak menyediakan titik neutral untuk menghubungkan resistor grounding.

Apabila terjadi kesalahan ground fasa tunggal dalam sistem titik neutral tidak terhubung, segitiga tegangan antara fasa tetap simetri, menyebabkan pengaruh minimal terhadap operasi pengguna. Selain itu, apabila arus kapasitif relatif kecil (kurang dari 10 A), beberapa kesalahan ground sementara dapat padam sendiri, yang sangat efektif dalam meningkatkan keandalan pasokan tenaga dan mengurangi insiden pemadaman.

Namun, dengan perkembangan dan ekspansi berkelanjutan industri tenaga, metode sederhana ini tidak lagi memenuhi permintaan saat ini. Dalam grid tenaga perkotaan modern, penggunaan sirkuit kabel yang semakin meningkat telah menyebabkan arus kapasitif yang jauh lebih besar (melebihi 10 A). Dalam kondisi seperti ini, busur ground tidak dapat dipadamkan secara andal, mengakibatkan konsekuensi berikut:

• Padam dan menyala kembali busur ground fasa tunggal menghasilkan tegangan overground dengan amplitudo mencapai 4U (di mana U adalah tegangan puncak fasa) atau bahkan lebih tinggi, berlangsung selama waktu yang lama. Ini membawa ancaman serius terhadap isolasi peralatan elektrik, mungkin menyebabkan keruntuhan pada titik isolasi lemah dan mengakibatkan kerugian besar.

• Pembusukan berkelanjutan menyebabkan ionisasi udara, menurunkan isolasi udara sekitar, dan membuat pendek sirkuit antara fasa menjadi lebih mungkin terjadi.

• Overtegangan ferroresonans mungkin terjadi, mudah merusak transformator potensial (PTs) dan pelindung petir, dan dalam kasus yang parah, bahkan dapat menyebabkan ledakan pelindung. Konsekuensi-konsekuensi ini mengancam serius isolasi peralatan grid dan mengancam operasi aman sistem tenaga.

Untuk mencegah kecelakaan-kecelakaan di atas dan menyediakan arus nol urutan dan tegangan yang cukup untuk operasi andal perlindungan kesalahan ground, titik neutral buatan harus dibuat agar resistor grounding dapat dihubungkan. Untuk memenuhi kebutuhan ini, transformator grounding (biasa disebut "unit grounding") dikembangkan. Transformator grounding menciptakan titik neutral buatan dengan resistor grounding, biasanya dengan nilai resistansi sangat rendah (umumnya kurang dari 5 ohm).

Selain itu, karena karakteristik elektromagnetiknya, transformator grounding menunjukkan impedansi tinggi terhadap arus urutan positif dan negatif, hanya membolehkan arus eksitasi kecil mengalir melalui gulungannya. Pada setiap cabang inti, dua bagian gulungan diarahkan berlawanan. Ketika arus nol urutan yang sama mengalir melalui gulungan-gulungan pada cabang inti yang sama, mereka menunjukkan impedansi rendah, menghasilkan penurunan tegangan minimum di seberang gulungan dalam kondisi nol urutan.

Selama kesalahan ground, arus urutan positif, negatif, dan nol mengalir melalui gulungan. Gulungan menunjukkan impedansi tinggi terhadap arus urutan positif dan negatif, tetapi untuk arus nol urutan, dua gulungan pada fasa yang sama dihubungkan seri dengan polaritas berlawanan. Gaya elektromotif yang ditimbulkan sama besar tetapi berlawanan arah, secara efektif saling menghapus, sehingga menunjukkan impedansi rendah.

Dalam banyak aplikasi, transformator grounding digunakan hanya untuk menyediakan titik neutral dengan resistor grounding kecil dan tidak mensuplai beban apa pun; oleh karena itu, banyak transformator grounding dirancang tanpa gulungan sekunder. Selama operasi grid normal, transformator grounding beroperasi pada dasarnya dalam kondisi tanpa beban. Namun, selama kesalahan, ia hanya mengalirkan arus kesalahan untuk jangka waktu singkat.

Dalam sistem titik neutral dengan grounding resistansi rendah, ketika terjadi kesalahan ground fasa tunggal, perlindungan nol urutan yang sangat sensitif dengan cepat mengidentifikasi dan mengisolasi sementara feeder yang bermasalah. Transformator grounding aktif hanya selama interval singkat antara terjadinya kesalahan ground dan operasi perlindungan nol urutan untuk membersihkan kesalahan. Selama periode ini, arus nol urutan mengalir melalui resistor grounding netral dan transformator grounding, diberikan oleh

di mana U adalah tegangan fasa sistem, R1 adalah resistor grounding netral, dan R2 adalah tahanan tambahan dalam loop kesalahan ground.

Berdasarkan analisis di atas, karakteristik operasional transformator grounding adalah: operasi tanpa beban jangka panjang dengan kemampuan overload jangka pendek.

Secara ringkas, transformator grounding menciptakan titik neutral buatan untuk menghubungkan resistor grounding. Selama kesalahan ground, ia menunjukkan impedansi tinggi terhadap arus urutan positif dan negatif tetapi impedansi rendah terhadap arus nol urutan, memungkinkan operasi andal perlindungan kesalahan ground.

Saat ini, transformator grounding yang dipasang di substation memiliki dua tujuan:

• Mensuplai tenaga AC tegangan rendah untuk penggunaan bantu substation;

• Menciptakan titik neutral buatan pada sisi 10 kV, yang—ketika dikombinasikan dengan coil pembusukan—mengkompensasi arus kesalahan ground kapasitif selama kesalahan ground fasa tunggal 10 kV, sehingga memadamkan busur pada titik kesalahan. Prinsipnya adalah sebagai berikut:

Sepanjang panjang total garis transmisi dalam grid tenaga tiga fasa, kapasitansi ada antara fasa dan antara setiap fasa dengan tanah. Ketika netral grid tidak di-ground solid, kapasitansi fasa-ke-tanah fasa yang bermasalah menjadi nol selama kesalahan ground fasa tunggal, sementara tegangan fasa-ke-tanah dua fasa lainnya naik menjadi √3 kali tegangan fasa normal. Meskipun peningkatan tegangan ini tidak melebihi kekuatan isolasi yang dirancang untuk keamanan, hal ini meningkatkan kapasitansi fasa-ke-tanah mereka.

Arus kerosakan tanah kapasitif semasa kerosakan fasa tunggal adalah kira-kira tiga kali ganda arus kapasitif setiap fasa yang normal. Apabila arus ini besar, ia dengan mudah menyebabkan belitan api yang berulang, menyebabkan overvoltages dalam litar resonan LC yang dibentuk oleh induktansi grid dan kapasitansi, dengan magnitud mencapai 2.5 hingga 3 kali voltan fasa. Semakin tinggi voltan grid, risiko dari overvoltages tersebut semakin besar. Oleh itu, hanya sistem di bawah 60 kV boleh beroperasi dengan neutral yang tidak terground, kerana arus kerosakan tanah kapasitif fasa tunggal mereka relatif kecil. Untuk tahap voltan yang lebih tinggi, transformer grounding mesti digunakan untuk menghubungkan titik neutral melalui impedans ke ground.

Apabila sisi 10 kV transformer utama substation disambung dalam delta atau wye tanpa titik neutral, dan arus kerosakan tanah kapasitif fasa tunggal adalah besar, transformer grounding diperlukan untuk mencipta titik neutral buatan, membolehkan sambungan ke coil penghapus belitan api. Ini membentuk sistem grounding neutral buatan—fungsi utama transformer grounding. Semasa operasi normal, transformer grounding menahan voltan grid yang seimbang dan hanya membawa arus eksitasi yang kecil (keadaan tanpa beban).

Perbezaan potensial antara neutral dan ground adalah sifar (mengabaikan voltan penempatan neutral minor dari coil penghapus belitan api), dan tiada arus mengalir melalui coil penghapus belitan api. Dengan anggapan bahawa kerosakan pendek fasa-C-ke-ground berlaku, voltan urutan sifar yang dihasilkan dari ketidakseimbangan tiga fasa mengalir melalui coil penghapus belitan api ke ground. Seperti coil penghapus belitan api sendiri, arus induktif yang diinduksi mengkompensasi arus kerosakan tanah kapasitif, menghapuskan belitan api pada titik kerosakan.

Dalam beberapa tahun terakhir, pelbagai kesalahan operasi perlindungan transformer grounding telah berlaku di substation 110 kV di suatu wilayah, memberi kesan serius kepada kestabilan grid. Untuk mengenal pasti punca-punca asas, analisis telah dilakukan terhadap sebab-sebab kesalahan operasi tersebut, dan langkah-langkah yang sesuai telah dilaksanakan untuk mencegah kejadian semula dan memberikan rujukan untuk wilayah lain.

Saat ini, feeder 10 kV di substation 110 kV semakin menggunakan garis keluar kabel, meningkatkan secara signifikan arus kerosakan tanah kapasitif fasa tunggal dalam sistem 10 kV. Untuk menekan magnitud overvoltage semasa kerosakan tanah fasa tunggal, substation 110 kV telah mula memasang transformer grounding untuk melaksanakan skema grounding rendah-resistans, membentuk laluan arus urutan sifar. Ini membolehkan perlindungan urutan sifar selektif untuk mengasingkan kerosakan tanah berdasarkan lokasi kerosakan, mencegah belitan api semula dan overvoltage, dengan demikian memastikan bekalan kuasa yang selamat kepada peralatan grid.

Mulai tahun 2008, suatu grid regional tertentu telah memodifikasi sistem 10 kV substation 110 kV ke grounding rendah-resistans dengan memasang transformer grounding dan peranti perlindungan yang berkaitan. Ini membolehkan isolasi cepat sebarang kerosakan tanah feeder 10 kV, mengurangkan kesan grid. Namun, baru-baru ini, lima substation 110 kV di wilayah tersebut mengalami kesalahan operasi berulang kali perlindungan transformer grounding, menyebabkan pemadaman substation dan mengganggu kestabilan grid secara serius. Oleh itu, mengenal pasti penyebab dan melaksanakan langkah-langkah pembetulan adalah penting untuk mengekalkan keselamatan grid regional.

1.Analisis Penyebab Kesalahan Operasi Perlindungan Transformer Grounding

Apabila feeder 10 kV mengalami kerosakan pendek tanah, perlindungan urutan sifar pada feeder yang rosak di substation 110 kV harus beroperasi terlebih dahulu untuk mengasingkan kerosakan. Jika gagal beroperasi dengan betul, perlindungan urutan sifar transformer grounding akan bertindak sebagai cadangan, memutuskan pemutus bus tie dan kedua-dua sisi transformer utama untuk mengasingkan kerosakan. Oleh itu, operasi yang betul dari perlindungan dan pemutus feeder 10 kV sangat penting bagi keselamatan grid. Analisis statistik kesalahan operasi di lima substation 110 kV menunjukkan bahwa penyebab utama adalah kegagalan feeder 10 kV untuk menghapuskan kerosakan tanah dengan betul.

Prinsip Perlindungan Urutan Sifar Feeder 10 kV:

Pengambilan sampel CT urutan sifar → Aktivasi perlindungan feeder → Pemutusan pemutus.
Dari prinsip ini, CT urutan sifar, relay perlindungan feeder, dan pemutus adalah komponen kunci untuk operasi yang betul. Berikut adalah analisis penyebab kesalahan operasi dari aspek-aspek ini:

1.1 Ralat CT urutan sifar menyebabkan kesalahan operasi perlindungan transformer grounding.
Semasa kerosakan tanah feeder 10 kV, CT urutan sifar feeder yang rosak mendeteksi arus kerosakan, memicu perlindungan untuk mengasingkan kerosakan. Pada masa yang sama, CT urutan sifar transformer grounding juga merasakan arus kerosakan dan memulakan perlindungan. Untuk memastikan selektiviti, perlindungan urutan sifar feeder 10 kV ditetapkan dengan arus dan waktu yang lebih rendah daripada perlindungan transformer grounding. Tetapan arus: transformer grounding—75 A primer, 1.5 s untuk memutuskan bus tie 10 kV, 1.8 s untuk menghalang transfer otomatis 10 kV, 2.0 s untuk memutuskan sisi rendah transformer, 2.5 s untuk memutuskan kedua-dua sisi; feeder 10 kV—60 A primer, 1.0 s untuk memutuskan pemutus.

Namun, ralat CT tidak dapat dielakkan. Jika CT transformer grounding mempunyai ralat -10% dan CT feeder +10%, arus operasi sebenarnya menjadi 67.5 A dan 66 A—hampir sama. Bergantung hanya pada pengelasan waktu, kerosakan tanah feeder 10 kV boleh dengan mudah menyebabkan perlindungan overcurrent urutan sifar transformer grounding beroperasi terlalu awal.

1.2 Penyalaan shield kabel yang salah menyebabkan kesalahan operasi.
Feeder 10 kV substation 110 kV menggunakan kabel berscreen dengan screen dipenyalaan di kedua-dua hujung—praktik biasa untuk mengurangkan EMI. CT urutan sifar adalah jenis toroid yang dipasang di sekitar kabel pada terminal keluar switchgear. Semasa kerosakan tanah, arus tidak seimbang menginduksi isyarat dalam CT untuk mengaktifkan perlindungan. Namun, dengan penyalaan screen di kedua-dua hujung, arus yang diinduksi dalam screen juga melewati CT urutan sifar, mencipta isyarat palsu. Tanpa mitigasi yang tepat, ini mengganggu kejituan perlindungan urutan sifar feeder, menyebabkan perlindungan cadangan transformer grounding beroperasi.

1.3 Kegagalan perlindungan feeder 10 kV menyebabkan kesalahan operasi.

Relay berbasis mikroprosesor moden menawarkan prestasi yang lebih baik, tetapi variasi kualitas pengeluar dan pendinginan yang buruk masih merupakan isu. Statistik kerosakan menunjukkan bahawa modul bekalan kuasa, papan sampling, papan CPU, dan modul output trip dalam perlindungan feeder 10 kV paling rentan terhadap kerosakan. Kerosakan yang tidak terdeteksi boleh menyebabkan penolakan perlindungan, memicu kesalahan operasi transformer grounding.

1.4 Kegagalan pemutus feeder 10 kV menyebabkan kesalahan operasi.
Dengan penuaan, operasi yang sering, atau masalah kualitas inheren, kegagalan peralatan switchgear 10 kV—terutama dalam sirkuit kontrol—meningkat. Di daerah pegunungan yang kurang berkembang, peralatan switchgear GG-1A yang lebih tua masih beroperasi dengan tingkat gangguan tanah yang lebih tinggi. Bahkan jika perlindungan nol-sekuens beroperasi dengan benar, kegagalan pemutus (misalnya, kumparan trip terbakar mencegah operasi) menyebabkan kesalahan operasi transformator grounding.

1.5 Gangguan tanah impedansi tinggi pada dua feeder 10 kV (atau gangguan impedansi tinggi tunggal yang parah) menyebabkan kesalahan operasi.
Ketika dua feeder mengalami gangguan tanah impedansi tinggi pada fase yang sama, arus nol-sekuens individu mungkin tetap di bawah ambang batas trip 60 A (misalnya, 40 A dan 50 A), jadi perlindungan feeder hanya memberikan peringatan. Namun, arus total (90 A) melebihi pengaturan 75 A transformator grounding, menyebabkan trip prematur. Dengan feeder 10 kV sepenuhnya kabel, arus kapasitif normal dapat mencapai 12–15 A. Bahkan satu gangguan impedansi tinggi parah (misalnya, 58 A) ditambah arus kapasitif normal mendekati 75 A. Oskilasi sistem kemudian dapat dengan mudah memicu kesalahan operasi transformator grounding.

2. Langkah-langkah untuk Mencegah Kesalahan Operasi Perlindungan Transformator Grounding

Berdasarkan analisis di atas, langkah-langkah berikut disarankan:

2.1 Untuk mencegah kesalahan operasi yang disebabkan oleh kesalahan CT
Gunakan CT nol-sekuens berkualitas tinggi; uji ciri-ciri CT secara ketat sebelum pemasangan dan tolak yang memiliki kesalahan >5%; atur nilai pickup perlindungan berdasarkan arus primer; verifikasi pengaturan melalui pengujian injeksi primer.

2.2 Untuk mencegah penyambungan tanah pelindung kabel yang tidak tepat

• Konduktor penyambungan tanah pelindung kabel harus melewati CT nol-sekuens ke bawah dan dipisahkan dari tray kabel. Tidak boleh ada kontak penyambungan tanah sebelum melewati CT. Paparkan ujung logam untuk pengujian injeksi primer; insulasikan sisanya dengan andal.

• Jika titik penyambungan tanah pelindung berada di bawah CT, konduktor tersebut tidak boleh melewati CT. Hindari merutekan konduktor penyambungan tanah pelindung melalui tengah CT.

• Tingkatkan pelatihan teknis agar tim perlindungan relai dan kabel sepenuhnya memahami metode pemasangan CT dan penyambungan tanah pelindung.

• Perkuat prosedur penerimaan dengan inspeksi bersama oleh tim relai, operasi, dan kabel.

2.3 Untuk mencegah kegagalan perlindungan feeder
Pilih perangkat perlindungan yang terbukti dan andal; ganti unit yang usang atau sering gagal; tingkatkan pemeliharaan; pasang pendingin udara dan ventilasi untuk mencegah operasi suhu tinggi.

2.4 Untuk mencegah kegagalan pemutus feeder
Gunakan peralatan switchgear yang andal dan matang; hapus lemari GG-1A lama dan gantilah dengan jenis yang tertutup, bertipe pegas atau motor-charged; lakukan pemeliharaan sirkuit kontrol; gunakan kumparan trip berkualitas tinggi.

2.5 Untuk mencegah kesalahan operasi gangguan impedansi tinggi
Segera patroli dan perbaiki feeder setelah peringatan nol-sekuens; kurangi panjang feeder; seimbangkan beban fase untuk meminimalkan arus kapasitif normal.

3. Kesimpulan

Seiring semakin banyak jaringan regional yang memasang transformator grounding dan perlindungan terkait untuk meningkatkan struktur dan stabilitas, insiden kesalahan operasi yang berulang menyoroti kebutuhan untuk mengatasi efek buruk. Makalah ini menganalisis penyebab utama kesalahan operasi perlindungan transformator grounding dan mengusulkan tindakan penanggulangan, memberikan panduan bagi wilayah yang telah memasang atau berencana memasang sistem tersebut.