Jordtransformatorbeskyttelse: Feiloperasjonsårsaker og mot tiltak i 110kV understasjoner

I Kinas kraftsystem bruker 6 kV, 10 kV og 35 kV nett generelt en driftsmodus med ubelasted neutropunkt. Hovedtransformatorens distribusjonsspanningsside i nettet er vanligvis koblet i trekantkonfigurasjon, som ikke gir noen neutropunktrele for å koble en jordresistor.

Når det oppstår en enefasejordfeil i et system med ubelasted neutropunkt, forblir spenningsdreie mellom ledene symmetrisk, noe som har minimal påvirkning på brukerdrift. I tillegg, når kapasitiv strøm er relativt liten (mindre enn 10 A), kan noen midlertidige jordfeil slukke seg selv, noe som er høyeffektivt for å øke driftsikkerheten og redusere kraftavbrudd.

Imidlertid, med den kontinuerlige utvidelsen og utviklingen av kraftindustrien, lenger denne enkle metoden ikke lenger de nåværende behov. I moderne bykraftnett har økt bruk av kabelkretser ført til betydelig større kapasitive strømer (over 10 A). Under slike forhold kan jordbuen ikke pålitelig slukkes, noe som fører til følgende konsekvenser:

• Intermitterende slukking og tinding av enefasejordbue genererer buedriftsoverspenninger med amplituder som når opptil 4U (der U er spissespenningshøyden) eller enda høyere, som varevarer lenge. Dette representerer alvorlige trusler mot isolasjonen av elektriske enheter, potensielt forårsaker bryting ved svake isolasjonssteder og fører til store tap.

• Varig buedrift fører til luftionisering, som forverrer isolasjonen av omkringstående luft og gjør fase mot fase kortslutninger mer sannsynlige.

• Ferroresonansoverspenninger kan oppstå, som lett skader spenningsomformer (PT) og lynnedslagssikrere, og i alvorlige tilfeller kan dette føre til eksplosjon av sikrere. Disse konsekvensene utgjør alvorlige trusler mot isolasjonen av nettutstyr og truer sikker drift av kraftsystemet.

For å forhindre ovennevnte ulykker og gi nok nullsekvensstrøm og -spenn for pålitelig drift av jordfeilsbeskyttelse, må et kunstig neutropunkt opprettes slik at en jordresistor kan kobles. For å møte dette behovet, ble jordtransformatorer (vanligvis referert til som "jordenheter") utviklet. En jordtransformator oppretter et kunstig neutropunkt med en jordresistor, typisk med en veldig lav motstand (vanligvis under 5 ohm).

I tillegg, på grunn av dens elektromagnetiske egenskaper, viser jordtransformatoren høy impedans mot positiv- og negativsekvensstrøm, bare en liten anslagsstrøm går gjennom vindinger. På hver kjernestang, er to vindingsdeler vindet i motsatt retning. Når like nullsekvensstrøm går gjennom disse vindinger på samme kjernestang, presenterer de lav impedans, noe som resulterer i minimal spenningsfall over vindinger under nullsekvensforhold.

Under en jordfeil, går positiv-, negativ- og nullsekvensstrøm gjennom vindinger. Vindingen viser høy impedans mot positiv- og negativsekvensstrøm, men for nullsekvensstrøm er de to vindinger på samme fase koblet i serie med motsatt polaritet. Deres induksjonselektromotiver er like i størrelse, men motsatt i retning, og effektivt hevner hverandre, presentere dermed lav impedans.

I mange anvendelser brukes jordtransformatorer bare for å gi et neutropunkt med en liten jordresistor og leverer ingen last; derfor er mange jordtransformatorer designet uten sekundær vindning. Under normal drift, opererer jordtransformatoren nesten uten last. Imidlertid, under feil, bærer den feilstrøm bare i kort tid.

I et system med lav resistans jordet neutropunkt, når det oppstår en enefasejordfeil, identifiserer høy sensitiv nullsekvensbeskyttelse raskt og isolerer midlertidig feilstrømføreren. Jordtransformatoren er aktiv bare i den korte perioden fra jordfeilen inntil nullsekvensbeskyttelsen klarerer feilen. I denne perioden, går nullsekvensstrøm gjennom den neutrale jordresistoren og jordtransformator, gitt ved

der U er systemets fasespenning, R1 er den neutrale jordresistoren, og R2 er den tilleggede motstanden i jordfeilkretsen.

Basert på denne analysen, er driftsegenskapene til jordtransformatorer: langvarig drift uten last med kortvarig overlastningskapasitet.

Sammenfattningsvis, skaper en jordtransformator et kunstig neutropunkt for å koble en jordresistor. Under en jordfeil, viser den høy impedans mot positiv- og negativsekvensstrøm, men lav impedans mot nullsekvensstrøm, noe som muliggjør pålitelig drift av jordfeilsbeskyttelse.

For øyeblikket, tjener jordtransformatorer installert i transformasjoner to formål:

• Leveranse av lavspennings AC-strøm for transformasjons hjelpemidler;

• Opprettelse av et kunstig neutropunkt på 10 kV-siden, som, kombinert med en buedempende spole, kompenserer for kapasitiv jordfeilstrøm under 10 kV enefasejordfeil, dermed slukker bue ved feilpunktet. Prinsippet er som følger:

Langs hele lengden av overføringslinjer i et trefas kraftnett, finnes det kapasiteter mellom fasene og mellom hver fase og jord. Når nettets neutropunkt ikke er solidt jordet, blir fasetil-jord kapasiteten til feilfase null under en enefasejordfeil, mens fasetil-jord spenningene for de to andre fasene øker til √3 ganger den normale fasespenningen. Selv om denne økte spenningen ikke overstiger den trygge isolasjonstyrken, øker den deres fasetil-jord kapasiteter.

Kapasitiv strøm ved en fasefeil er omtrent tre ganger den normale kapasitive strømmen per fase. Når denne strømmen er stor, kan det lett føre til intermittente bueildninger, som fører til overspenninger i LC-resonanssirkelen dannet av nettinduktans og kapasitans, med størrelser som når 2,5 til 3 ganger fasens spenning. Jo høyere nettspenning, jo større risiko fra slike overspenninger. Derfor kan bare systemer under 60 kV operere med en ubrukt nøytral, da deres enkelfasekapasitive jordfeilstrømmer er relativt små. For høyere spenningsnivåer må en jordtransformator brukes for å koble nøytralpunktet gjennom impedans til jord.

Når 10 kV-siden av en hovedtransformator i et underverk er koblet i delta eller stjerne uten nøytralpunkt, og enkelfasekapasitiv jordfeilstrøm er stor, kreves en jordtransformator for å opprette et kunstig nøytralpunkt, slik at kobling til en buedempende spole blir mulig. Dette danner et kunstig nøytralt jordsystem—hovedfunksjonen til jordtransformator. Under normal drift tåler jordtransformator balansert nettspenning og bærer bare en liten anslagsstrøm (tom last). 

Potensialforskjellen mellom nøytral og jord er null (bortsett fra mindre nøytraldriftsspenning fra buedempende spole), og ingen strøm går gjennom buedempende spole. Hvis det forekommer en fases-C-til-jord kortslutning, vil nullsekvensspenningen som følge av trefasen asymmetri gå gjennom buedempende spole til jord. Som selve buedempende spole, kompenserer den induerte induktive strømmen for kapasitiv jordfeilstrøm, noe som eliminerer bue i feilpunktet.

I løpet av de siste årene har det skjedd flere misoperasjoner av beskyttelse av jordtransformatorer i 110 kV-underverk i et bestemt område, noe som har alvorlig påvirket nettets stabilitet. For å identifisere grunnleggende årsaker ble analyser utført av grunnene til disse misoperasjonene, og tilsvarende tiltak ble implementert for å forhindre gjentakelse og gi referanse for andre regioner.

For øyeblikket bruker 10 kV utganger i 110 kV-underverk stadig mer kabelutganger, noe som betydelig øker enkelfasekapasitiv jordfeilstrøm i 10 kV-systemet. For å undertrykke overspenningsstørrelser under enkelfase jordfeil, har 110 kV-underverk begynt å installere jordtransformatorer for å implementere et lavresistans jordskjema, etablering av en nullsekvensstrømvei. Dette tillater selektiv nullsekvensbeskyttelse å isolere jordfeil basert på feilposisjon, unngå bueopplysning og overspenning, og sikre trygg strømforsyning til nettuigear.

Fra 2008 startet et bestemt regionalt nett med ombygging av 10 kV-systemer i 110 kV-underverk til lavresistans jording ved å installere jordtransformatorer og tilknyttede beskyttelsesenheter. Dette gjorde det mulig å raskt isolere enhver 10 kV utgangs jordfeil, minste nettets påvirkning. Imidlertid har det nylig skjedd fem 110 kV-underverk i regionen flere ganger misoperasjon av jordtransformatorbeskyttelse, noe som har forårsaket underverksavbrudd og alvorlig forstyrret nettets stabilitet. Derfor er det nødvendig å identifisere årsaker og implementere korrigeringstiltak for å opprettholde regionalt nettets sikkerhet.

1.Analyse av årsaker til misoperasjon av jordtransformatorbeskyttelse

Når en 10 kV utgang opplever en jordkortslutningsfeil, skal nullsekvensbeskyttelsen på den feilfulle utgangen i 110 kV-underverket først sette seg i gang for å isolate feilen. Hvis ikke dette skjer riktig, vil jordtransformatorens nullsekvensbeskyttelse fungere som backup, trippe buskoplingsbryteren og begge sider av hovedtransformator for å isolate feilen. Derfor er riktig drift av 10 kV utgangsbekymring og brytere viktig for nettets sikkerhet. Statistisk analyse av misoperasjoner i fem 110 kV-underverk viser at hovedårsaken er mislykket 10 kV utgangs klaring av jordfeil.

Prinsipp for 10 kV utgangs nullsekvensbeskyttelse:

Nullsekvens CT sampling → Utgangsbeskyttelse aktivert → Bryter trippet.
Fra dette prinsippet er nullsekvens CT, utgangsbeskyttelse relæ, og brytere nøkkelkomponenter for riktig drift. Følgende analyser misoperasjonsårsaker fra disse aspektene:

1.1 Nullsekvens CT-feil som fører til misoperasjon av jordtransformatorbeskyttelse.
Ved en 10 kV utgangs jordfeil, detekterer den feilfulle utgangens nullsekvens CT feilstrøm, som utløser dens beskyttelse for å isolate feilen. Samtidig sensorer jordtransformatorens nullsekvens CT også feilstrømmen og initierer beskyttelse. For å sikre selektivitet, er 10 kV utgangs nullsekvensbeskyttelse satt med lavere strøm og kortere tid enn jordtransformatorbeskyttelse. Strøminnstilling: jordtransformator—75 A primær, 1,5 s for å trippa 10 kV buskopling, 1,8 s for å blokkere 10 kV automatiske overføringer, 2,0 s for å trippa transformator lavspennings side, 2,5 s for å trippa begge sider; 10 kV utgang—60 A primær, 1,0 s for å trippa bryter.

Imidlertid er CT-feil uunngåelige. Hvis jordtransformator CT har -10% feil og utgangs CT har +10% feil, blir de faktiske driftsstrømmene 67,5 A og 66 A—nesten like. Ved å stole bare på tidsgradering, kan en 10 kV utgangs jordfeil lett føre til at jordtransformatorens nullsekvens overstrømbeskyttelse tripper for tidlig.

1.2 Feilaktig kabelskjold jording som fører til misoperasjon.
110 kV-underverk 10 kV utganger bruker skjoldede kabler med skjold jordet på begge ender—en vanlig praksis for å redusere EMI. Nullsekvens CT-er er toroidale typer installert rundt kabler ved utgangsterminaler. Ved jordfeil, ubalanserte strømmer inducerer signaler i CT for å aktivere beskyttelse. Imidlertid, med to-enders skjold jording, inducerer strømmer i skjold også passerer gjennom nullsekvens CT, skaper falske signaler. Uten riktig demping, forvirrer dette utgangs nullsekvensbeskyttelses nøyaktighet, noe som fører til jordtransformator backup tripping.

1.3 10 kV utgangsbeskyttelsesmislykking som fører til misoperasjon.

Moderne mikroprosessorbaserte relæer gir forbedret ytelse, men varierende produsentkvalitet og dårlig varmeavledning er fortsatt problemer. Feilstatistikk viser at strømforsyningsmoduler, samplingbrett, CPU-brett, og trippeutdata moduler i 10 kV utgangsbeskyttelser er mest utsett for mislykking. Uoppdaget feil kan føre til beskyttelses nektelse, noe som utløser jordtransformator misoperasjon.

1.4 Feil i 10 kV forsyningsbryter som fører til feiloperasjon.
Med aldring, hyppige operasjoner eller innherente kvalitetsproblemer, øker mislykkede 10 kV brytere—spesielt i styringskretser. I mindre utviklede fjellområder er eldre GG-1A-brytere fortsatt i bruk med høyere jordfeilfrekvens. Selv om nullsekvensbeskyttelse fungerer riktig, kan brytermislykke (f.eks. forbrent tripespiral som forhindrer operasjon) føre til feiloperasjon av jordtransformator.

1.5 Høyimpedans jordfeil på to 10 kV forsyningsledninger (eller alvorlig enkelt høyimpedansfeil) som fører til feiloperasjon.
Når to ledninger opplever samme fase høyimpedans jordfeil, kan individuelle nullsekvensstrømmer forbli under 60 A tripelgrense (f.eks. 40 A og 50 A), så forsyningsbeskyttelsene gir bare alarm. Men den sumerte strømmen (90 A) overstiger jordtransformatorens 75 A innstilling, noe som fører til forhastet tripping. Med fullt kabelførte 10 kV forsyningsledninger kan normale kapasitive strømmer nå 12–15 A. En enkelt alvorlig høyimpedansfeil (f.eks. 58 A) pluss normal kapasitiv strøm nærmer seg 75 A. Systemsvingninger kan da lett utløse feiloperasjon av jordtransformator.

2.Tiltak for å forebygge feiloperasjon av jordtransformatorbeskyttelse

Basert på ovenstående analyse anbefales følgende tiltak:

2.1 For å forebygge CT-feilindusert feiloperasjon
Bruk høykvalitets nullsekvens CT-er; test CT-egenskaper grundig før installasjon og forkast alle med >5% feil; sett beskyttelsesoppstart verdier basert på primærstrøm; verifiser innstillinger ved primærinjeksjonstesting.

2.2 For å forebygge feilaktig kabelforskytningsgjøring

• Kabelforskytningsgjøring konduktorer må passere nedover gjennom nullsekvens CT-en og være isolert fra kabelforge. Det skal ikke være noen kontakt med jord før de passerer gjennom CT-en. Eksponer metallender for primærinjeksjonstesting; isoler resten pålitelig.

• Hvis fyskytningsgjøringspunktet er under CT-en, skal konduktoren ikke passere gjennom CT-en. Unngå å rute fyskytningsgjøring konduktoren gjennom midten av CT-en.

• Forbedre teknisk trening slik at relébeskyttelse og kabelteam fullt ut forstår CT- og fyskytningsgjøring installasjonsmetoder.

• Styrk akseptansemessige prosedyrer med felles inspeksjoner av relé, drifts- og kabelteam.

2.3 For å forebygge forsyningsbeskyttelsesmislykke
Velg bevarte, pålitelige beskyttelsesenheter; erstatt aldrende eller ofte defekte enheter; forbedre vedlikehold; installer luftkondisjonering og ventilasjon for å unngå høytemperatur operasjon.

2.4 For å forebygge forsyningsbrytermislykke
Bruk pålitelige, modne sparker; faser ut gamle GG-1A-skap i favør av tette, fjær- eller motorladete typer; vedlikehold styringskretser; bruk høykvalitets tripespiraler.

2.5 For å forebygge høyimpedansfeilmislykke
Patruljer og reparér umiddelbart forsyninger ved nullsekvensalarm; reduser forsyningens lengde; balanser faselaster for å minimere normale kapasitive strømmer.

3. Konklusjon

Ettersom flere regionale nett installerer jordtransformatorer og tilhørende beskyttelse for å forbedre struktur og stabilitet, fremhever gjentakende feiloperasjoner behovet for å adressere negative effekter. Denne artikkelen analyserer hovedårsaker til feiloperasjon av jordtransformatorbeskyttelse og foreslår mottiltak, og gir veiledning for regioner som har installert eller planlegger å installere slike systemer.