Aardingstransformatorbescherming: Oorzaken van foutieve bediening en tegelmaatregelen in 110kV-substations

In China's power system, the 6 kV, 10 kV, and 35 kV grids generally adopt a neutral-point ungrounded operation mode. The distribution voltage side of the main transformer in the grid is usually connected in delta configuration, which provides no neutral point for connecting a grounding resistor. 

Wanneer een enkele fase-aarding storing optreedt in een systeem met een niet-geaarde neutraal, blijft de spanning tussen de lijnen symmetrisch, wat weinig invloed heeft op de operaties van gebruikers. Bovendien, wanneer de capaciteitsstroom relatief klein is (minder dan 10 A), kunnen sommige tijdelijke aarding storingen zichzelf doven, wat zeer effectief is voor het verbeteren van de betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening en het verminderen van stroomuitval incidenten.

Echter, met de continue uitbreiding en ontwikkeling van de energie-industrie, voldoet deze eenvoudige methode niet langer aan de huidige eisen. In moderne stedelijke elektriciteitsnetwerken leidt de toenemende toepassing van kabelsystemen tot aanzienlijk grotere capaciteitsstromen (die 10 A overschrijden). Onder dergelijke omstandigheden kan de aardingsboog niet betrouwbaar worden gedoofd, wat leidt tot de volgende gevolgen:

• Intermittente doven en heroplichten van de enkele fase-aarding boog genereren aarding-boog-overspanningen met amplitudes die oplopen tot 4U (waarbij U de piekfasenspanning is) of zelfs hoger, die langdurig aanhouden. Dit vormt een ernstig gevaar voor de isolatie van elektrische apparatuur, waardoor doorbraak kan optreden op zwakke isolatiepunten, wat kan leiden tot grote verliezen.

• Langdurige boogvorming veroorzaakt ionisatie van de lucht, wat de isolatie van de omringende lucht degradeert en fases-tot-fases kortsluitingen waarschijnlijker maakt.

• Ferroresonantie-overspanningen kunnen optreden, die gemakkelijk potentiaaltransformators (PT's) en overspanningsbeveiligingen kunnen beschadigen, en in ernstige gevallen zelfs tot explosies van overspanningsbeveiligingen kunnen leiden. Deze gevolgen vormen een ernstig gevaar voor de isolatie van netwerkapparatuur en bedreigen de veilige werking van het elektriciteitsnetwerk.

Om de bovenstaande ongelukken te voorkomen en voldoende nulreeksstroom en -spanning te verschaffen voor de betrouwbare werking van aarding storing beveiliging, moet een kunstmatig neutraal punt worden gecreëerd zodat een aardingweerstand kan worden aangesloten. Om aan dit behoefte te voldoen, werden aardingstransformatoren (vaak aangeduid als "aardingseenheden") ontwikkeld. Een aardingstrafo creëert kunstmatig een neutraal punt met een aardingweerstand, meestal met een zeer lage weerstandswaarde (meestal minder dan 5 ohm).

Bovendien presenteert de aardingstrafo, vanwege zijn elektromagnetische eigenschappen, hoge impedantie voor positieve- en negatieve-reeksstromen, waardoor slechts een kleine opwekkingsstroom door de windingen kan stromen. Op elke kernarm worden twee windinggedeelten in tegengestelde richtingen gewonden. Wanneer gelijke nulreeksstromen door deze windingen op dezelfde kernarm stromen, presenteren ze lage impedantie, wat resulteert in minimale spanningdaling over de windingen onder nulreeksomstandigheden.

Tijdens een aarding storing stromen positieve-, negatieve- en nulreeksstromen door de windingen. De winding presenteert hoge impedantie voor positieve- en negatieve-reeksstromen, maar voor nulreeksstroom zijn de twee windingen op dezelfde fase in serie gesloten met tegengestelde polariteit. Hun geïnduceerde elektromotiviteiten zijn gelijk in grootte, maar tegengesteld in richting, wat effectief elkaar opheft, en dus lage impedantie presenteert.

In veel toepassingen worden aardingstransformatoren uitsluitend gebruikt om een neutraal punt met een kleine aardingweerstand te verschaffen en leveren geen belasting; daarom worden veel aardingstransformatoren ontworpen zonder secundaire winding. Tijdens normale netwerkoperaties werkt de aardingstrafo feitelijk in een onbelaste toestand. Echter, tijdens een storing draagt het slechts voor korte duur de foutstroom.

In een systeem met laagohmige aarding, wanneer een enkele fase-aarding storing optreedt, identificeert en isoleert zeer gevoelige nulreeksbeveiliging snel en tijdelijk de defecte voederlijn. De aardingstrafo is alleen actief tijdens de korte periode tussen het optreden van de aarding storing en de werking van de nulreeksbeveiliging om de storing te elimineren. Tijdens deze periode stroomt de nulreeksstroom door de neutrale aardingweerstand en de aardingstrafo, gegeven door

waarbij U de systeemfasenspanning is, R1 de neutrale aardingweerstand, en R2 de extra weerstand in de aarding storinglus.

Op basis van de bovenstaande analyse, zijn de werkingseigenschappen van aardingstransformatoren: lange-termijn onbelaste werking met korte-termijn overbelastingscapaciteit.

Samengevat, creëert een aardingstrafo kunstmatig een neutraal punt om een aardingweerstand aan te sluiten. Tijdens een aarding storing presenteert het hoge impedantie voor positieve- en negatieve-reeksstromen, maar lage impedantie voor nulreeksstroom, waardoor betrouwbare werking van aarding storing beveiliging mogelijk is.

Momenteel dienen aardingstransformatoren in transformatorstations twee doeleinden:

• Leveren van laagspannings AC-stroom voor bijzondere gebruik in transformatorstations;

• Creëren van een kunstmatig neutraal punt aan de 10 kV zijde, dat, in combinatie met een boogdempingsspoel, compensatie biedt voor capaciteitsaarding storing stroom tijdens 10 kV enkele fase-aarding storingen, waardoor de boog op het storingpunt wordt gedoofd. Het principe is als volgt:

Langs de gehele lengte van transmissielijnen in een driefase elektriciteitsnetwerk bestaan er capaciteiten tussen fasen en tussen elke fase en de aarde. Wanneer de netneutrale niet stevig is aangelegd, wordt de fase-naar-aarde capaciteit van de defecte fase nul tijdens een enkele fase-aarding storing, terwijl de fase-naar-aarde spanningen van de andere twee fasen stijgen tot √3 keer de normale fasenspanning. Hoewel deze verhoogde spanning de veiligheidsisolatiesterkte niet overschrijdt, neemt het hun fase-naar-aarde capaciteit toe. 

De capacitaire grondstroom tijdens een enkelefasfout is ongeveer drie keer de normale capacitaire stroom per fase. Wanneer deze stroom groot is, veroorzaakt dit gemakkelijk onderbroken boogvorming, wat leidt tot overspanningen in het LC-resonantiecircuit dat wordt gevormd door netinductie en -capaciteit, met waarden die 2,5 tot 3 keer de fasenspanning bereiken. Hoe hoger de netspanning, hoe groter het risico van dergelijke overspanningen. Daarom mogen alleen systemen onder 60 kV met een ongegronde neutraal werken, omdat hun enkelefas-capacitaire grondstroom relatief klein is. Voor hogere spanningniveaus moet een grondtransformator worden gebruikt om het neutraalpunt via impedantie aan de grond te verbinden.

Wanneer de 10 kV-zijde van een hoofdtransformatie van een substation verbonden is in delta of wye zonder neutraalpunt, en de enkelefas-capacitaire grondstroom groot is, is een grondtransformator vereist om een kunstmatig neutraalpunt te creëren, waardoor een boogonderdrukkingsspoel kan worden aangesloten. Dit vormt een systeem met kunstmatige neutrale gronding—de primaire functie van de grondtransformator. Tijdens normaal gebruik weerstaat de grondtransformator een evenwichtige netspanning en draagt slechts een kleine opwekkingstroom (zonder belasting).

Het potentiaalverschil tussen neutraal en grond is nul (met uitzondering van een kleine verschuivingsspanning van de boogonderdrukkingsspoel), en er stroomt geen stroom door de boogonderdrukkingsspoel. Bij een kortsluiting tussen fase C en grond, stroomt de nulsequentiespanning als gevolg van de driedefas asymmetrie via de boogonderdrukkingsspoel naar de grond. Net als de boogonderdrukkingsspoel zelf, compenseert de geïnduceerde inductieve stroom de capacitaire grondstroom, waardoor de boog op het foutpunt wordt uitgeschakeld.

In recente jaren zijn er meerdere foute activering van de bescherming van grondtransformators voorgekomen in 110 kV-substations in een bepaald gebied, wat ernstig de stabiliteit van het net heeft aangetast. Om de oorzaken hiervan te identificeren, werden analyses uitgevoerd op de redenen voor deze foute activering, en werden overeenkomstige maatregelen genomen om herhaling te voorkomen en referentiepunten te bieden voor andere gebieden.

Momenteel gebruiken 10 kV-voeders in 110 kV-substations steeds meer kabels voor uitgaande lijnen, wat de enkelefas-capacitaire grondstroom in het 10 kV-systeem aanzienlijk verhoogt. Om de overspanningswaarden tijdens enkelefas grondfouten te onderdrukken, hebben 110 kV-substations begonnen met het installeren van grondtransformators om een laagohmige grondingsschema te implementeren, waardoor een nulsequentiestroompad wordt gecreëerd. Dit stelt selectieve nulsequentiebescherming in staat om grondfouten op basis van de foutlocatie te isoleren, waardoor boogherontsteking en overspanning worden voorkomen, en zo veilige energievoorziening aan netapparatuur wordt gewaarborgd.

Vanaf 2008 heeft een bepaald regionaal netwerk zijn 10 kV-systemen in 110 kV-substations gerenoveerd naar laagohmige gronding door grondtransformators en bijbehorende beschermingsapparatuur te installeren. Dit stelde snelle isolatie van elke 10 kV-voedergrondfout mogelijk, met minimale invloed op het net. Echter, onlangs hebben vijf 110 kV-substations in het gebied herhaalde foute activering van de bescherming van grondtransformators ervaren, wat tot substationuitval heeft geleid en de stabiliteit van het net ernstig heeft verstoord. Het is daarom essentieel om de oorzaken te identificeren en correctieve maatregelen te implementeren om de regionale netbeveiliging te handhaven.

1.Analyse van oorzaken voor foute activering van de bescherming van grondtransformators

Bij een grondkortsluiting in een 10 kV-voeder, zou de nulsequentiebescherming van de defecte voeder in het 110 kV-substation eerst moeten functioneren om de fout te isoleren. Als dit niet correct gebeurt, zal de nulsequentiebescherming van de grondtransformator als back-up optreden, waardoor de buskoppeling en beide zijden van de hoofdtransformatie worden afgesloten om de fout te isoleren. Dus, correcte werking van 10 kV-voederbescherming en -schakelaars is cruciaal voor de veiligheid van het net. Statistische analyse van foute activering in vijf 110 kV-substations toont aan dat de primaire oorzaak de mislukking is van 10 kV-voeders om grondfouten correct te elimineren.

Principe van 10 kV-voeder nulsequentiebescherming:

Nulsequentie CT-monstering → Voederbescherming activering → Schakelaar uitschakelen.
Uit dit principe blijkt dat de nulsequentie CT, de voederbeschermingsrelais en de schakelaar belangrijke componenten zijn voor correcte werking. De volgende analyse gaat in op de oorzaken van foute activering vanuit deze aspecten:

1.1 Foute activering van de bescherming van grondtransformators door fouten in de nulsequentie CT.
Bij een 10 kV-voedergrondfout detecteert de defecte voeder de foutstroom via de nulsequentie CT, waardoor de bescherming wordt geactiveerd om de fout te isoleren. Tegelijkertijd detecteert de nulsequentie CT van de grondtransformator ook de foutstroom en activeert de bescherming. Om selectiviteit te waarborgen, is de 10 kV-voeder nulsequentiebescherming ingesteld met lagere stroom en kortere tijdsinstellingen dan de bescherming van de grondtransformator. Stroominstellingen: grondtransformator—75 A primair, 1,5 s om 10 kV buskoppeling uit te schakelen, 1,8 s om 10 kV automatische overschakeling te blokkeren, 2,0 s om transformatielage zijde uit te schakelen, 2,5 s om beide zijden uit te schakelen; 10 kV-voeder—60 A primair, 1,0 s om schakelaar uit te schakelen.

Echter, CT-fouten zijn onvermijdelijk. Als de grondtransformator CT een -10% fout heeft en de voeder CT een +10% fout, worden de werkelijke werkingstromen 67,5 A en 66 A—bijna gelijk. Afhankelijk van alleen tijdsgradatie, kan een 10 kV-voedergrondfout gemakkelijk leiden tot voortijdige uitschakeling van de nulsequentieoverstroombescherming van de grondtransformator.

1.2 Foute activering door onjuiste gronding van kabelschilden.
110 kV-substation 10 kV-voeders gebruiken geschilderde kabels met schilden die aan beide einden zijn aangesloten—een algemene praktijk voor EMI-vermindering. Nulsequentie CT's zijn toroïde types die rond kabels op de uitgangsterminals van schakelkasten zijn geïnstalleerd. Tijdens grondfouten induceren onevenwichtige stromen signalen in de CT om de bescherming te activeren. Echter, met gronding aan beide einden, passeren de geïnduceerde stromen in het schild ook de nulsequentie CT, waardoor valse signalen worden gecreëerd. Zonder juiste vermindering, beïnvloedt dit de nauwkeurigheid van de voeder nulsequentiebescherming, wat leidt tot back-up uitschakeling van de grondtransformator.

1.3 Foute activering door falen van 10 kV-voederbescherming.

Moderne microprocessor-based relais bieden verbeterde prestaties, maar variërende fabrikantenkwaliteit en slechte warmteafgifte blijven problemen. Foutstatistieken laten zien dat voedingmodules, samplingborden, CPU-borden en trip output modules in 10 kV-voederbeschermingen het meest geneigd zijn tot falen. Ondetectede fouten kunnen leiden tot weigering van bescherming, wat foute activering van de grondtransformator veroorzaakt.

1.4 Mislukking van de 10 kV voederschakelaar leidt tot foute werking.
Door veroudering, frequente bedieningen of inherente kwaliteitsproblemen neemt het aantal storingen in 10 kV schakelkasten - vooral in de besturingscircuits - toe. In minder ontwikkelde berggebieden blijven oudere GG-1A schakelkasten in gebruik met hogere aardfoutfrequenties. Zelfs als de nulsequentiebescherming correct werkt, kan een schakelaarmislukking (bijvoorbeeld door een verbrande trip-coil die niet werkt) leiden tot foute werking van de aardingstransformator.

1.5 Hoogohmige aardfouten op twee 10 kV voeders (of ernstige enkele hoogohmige fout) veroorzaken foute werking.
Bij twee voeders met dezelfde fase hoogohmige aardfouten kunnen individuele nulsequentiestromen onder de 60 A tripgrens blijven (bijvoorbeeld 40 A en 50 A), zodat de voederbeschermingen alleen alarm geven. Maar de samengestelde stroom (90 A) overschrijdt de 75 A instelling van de aardingstransformator, wat vroegtijdig trippen veroorzaakt. Bij volledig kabelgebonden 10 kV voeders kunnen normale capacitaire stromen 12-15 A bereiken. Zelfs een enkele ernstige hoogohmige fout (bijvoorbeeld 58 A) plus de normale capacitaire stroom nadert 75 A. Systeemoscillaties kunnen dan gemakkelijk foute werking van de aardingstransformator veroorzaken.

2.Maatregele om foute werking van de aardingstransformatorbescherming te voorkomen

Op basis van de bovenstaande analyse worden de volgende maatregelen aanbevolen:

2.1 Om foute werking door CT-fouten te voorkomen
Hoge-kwaliteit nulsequentie CT's gebruiken; CT-kenmerken grondig testen voor installatie en alle exemplaren met >5% fout weigeren; beschermingsopname-instellingen baseren op primaire stroom; instellingen controleren door primaire injectietests.

2.2 Om foute aarding van de kabelschild te voorkomen

• Kabelschildaardingleiders moeten omlaag door de nulsequentie CT gaan en geïsoleerd zijn van de kabeltrays. Er mag geen aardingcontact zijn voordat de leiders door de CT gaan. Metaal uiteinden blootleggen voor primaire injectietests; de rest betrouwbaar isoleren.

• Als het schildaardingpunt onder de CT ligt, moet de leider niet door de CT gaan. Vermijd het leiden van de schildaardingleider door het midden van de CT.

• Technische training versterken zodat relaisbeschermingsteams en kabelteams de CT- en schildaardinginstallatiemethoden volledig begrijpen.

• Acceptatieprocedures versterken met gezamenlijke inspecties door relais-, operatie- en kabelteams.

2.3 Om foute werking van de voederbescherming te voorkomen
Bewezen, betrouwbare beschermingsapparatuur selecteren; oude of vaak defecte apparaten vervangen; onderhoud versterken; airconditioning en ventilatie installeren om werking bij hoge temperaturen te voorkomen.

2.4 Om foute werking van de voederschakelaar te voorkomen
Betrouwbare, gerijpte schakelkasten gebruiken; oude GG-1A kasten afbouwen ten gunste van gesloten, veer- of motor-opgeladen types; besturingscircuits onderhouden; hoge-kwaliteit trip-coils gebruiken.

2.5 Om foute werking door hoogohmige fouten te voorkomen
Onmiddellijk patrouilleren en repareren van voeders na nulsequentiealarm; voederlengtes verminderen; faselasten balanceren om normale capacitaire stromen te minimaliseren.

3. Conclusie

Terwijl meer regionale netwerken aardingstransformatoren en bijbehorende bescherming installeren om de structuur en stabiliteit te verbeteren, benadrukken herhaalde incidenten van foute werking de noodzaak om de negatieve effecten aan te pakken. Dit artikel analyseert de belangrijkste oorzaken van foute werking van de aardingstransformatorbescherming en stelt tegenmaatregelen voor, waarmee richtlijnen worden geboden voor regio's die dergelijke systemen hebben geïnstalleerd of van plan zijn ze te installeren.