Zasady Ochrony Transformatora Uziemienia: Przyczyny Błędów i Kontrmiary w Stacjach 110kV
W chińskim systemie energetycznym sieci o napięciu 6 kV, 10 kV i 35 kV zazwyczaj stosują tryb działania z niezakłóconym punktem neutralnym. Strona dystrybucyjna głównego transformatora w sieci jest zwykle połączona w konfiguracji trójkąta, co nie zapewnia punktu neutralnego do połączenia rezystora ziemnego.
Gdy wystąpi awaria jednofazowego przewodu do ziemi w systemie z niezakłóconym punktem neutralnym, trójkąt napięć między przewodami pozostaje symetryczny, co ma minimalny wpływ na działanie użytkowników. Ponadto, gdy prąd pojemnościowy jest stosunkowo mały (poniżej 10 A), niektóre przejściowe awarie do ziemi mogą się samoczynnie wygasić, co jest bardzo skuteczne w poprawianiu niezawodności dostawy energii i zmniejszaniu incydentów z wyłączeniami prądu.
Jednakże, z ciągłym rozwojem i ekspansją przemysłu energetycznego, ta prosta metoda już nie spełnia obecnych wymagań. W nowoczesnych miejskich sieciach elektrycznych, zwiększony użycie linii kablowych prowadzi do znacznie większych prądów pojemnościowych (przekraczających 10 A). W takich warunkach łuk do ziemi nie może być wiarygodnie wygaszony, co powoduje następujące konsekwencje:
Przełączanie się między gaszeniem a ponownym zapalaniem łuku jednofazowego do ziemi generuje przepięcia łuku do ziemi o amplitudzie dochodzącej do 4U (gdzie U to maksymalne napięcie fazowe) lub nawet wyższej, trwające przez długie okresy. To stanowi poważne zagrożenie dla izolacji sprzętu elektrycznego, potencjalnie prowadząc do przebicia w słabych punktach izolacji i powodując duże straty.
Trwałe parowanie powoduje jonizację powietrza, degradując izolację otaczającego powietrza i zwiększając prawdopodobieństwo krótkich zwarcia między fazami.
Mogą wystąpić przepięcia ferrorezonansowe, łatwo niszcząc transformatory potencjalne (PT) i ograniczniki przepięć, a w skrajnych przypadkach, nawet powodując eksplozje ograniczników. Te konsekwencje poważnie zagrożają izolacją sprzętu sieciowego i zagrażają bezpiecznej pracy systemu energetycznego.
Aby zapobiec powyższym wypadkom i zapewnić wystarczający prąd i napięcie zerowej sekwencji dla niezawodnej pracy ochrony przed awarią do ziemi, należy stworzyć sztuczny punkt neutralny, aby można było podłączyć rezystor ziemny. Aby spełnić tę potrzebę, opracowano transformatory ziemne (zwane również "jednostkami ziemnymi"). Transformator ziemny sztucznie tworzy punkt neutralny z rezystorem ziemnym, zazwyczaj o bardzo niskiej wartości oporu (zwykle poniżej 5 omów).
Ponadto, ze względu na swoje właściwości elektromagnetyczne, transformator ziemny prezentuje wysoki opór dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, pozwalając tylko na przepływ małego prądu pobudzającego przez jego cewki. Na każdym ramieniu rdzenia są nawinięte dwie sekcje cewek w przeciwnych kierunkach. Gdy przez te cewki przepływają równe prądy zerowej sekwencji, prezentują niski opór, co powoduje minimalny spadek napięcia na cewkach w warunkach zerowej sekwencji.
Podczas awarii do ziemi, przez cewki przepływają prądy pierwszej, drugiej i zerowej sekwencji. Cewka prezentuje wysoki opór dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, ale dla prądu zerowej sekwencji, dwie cewki na tej samej fazie są połączone szeregowo z przeciwnymi polaryzacjami. Ich indukowane siły elektromotoryczne są równe co do wartości, ale przeciwnie skierowane, efektywnie anulując się, co powoduje niski opór.
W wielu zastosowaniach, transformatory ziemne są używane wyłącznie do zapewnienia punktu neutralnego z małym rezystorem ziemnym i nie dostarczają żadnego obciążenia; dlatego wiele transformatorów ziemnych jest projektowanych bez drugiej cewki. Podczas normalnej pracy sieci, transformator ziemny działa praktycznie w stanie bez obciążenia. Jednak podczas awarii, przeprowadza prąd awaryjny tylko przez krótki czas.
W systemie o niskim oporze punktu neutralnego, gdy wystąpi awaria jednofazowego przewodu do ziemi, highly sensitive zero-sequence protection szybko identyfikuje i tymczasowo izoluje uszkodzoną linię. Transformator ziemny jest aktywny tylko w krótkim przedziale czasu pomiędzy wystąpieniem awarii do ziemi a działaniem ochrony zerowej sekwencji, która usuwa awarię. W tym czasie, prąd zerowej sekwencji przepływa przez rezystor ziemny i transformator ziemny, według wzoru
gdzie U to fazowe napięcie systemu, R1 to rezystor ziemny, a R2 to dodatkowy opór w pętli awarii do ziemi.
Na podstawie powyższej analizy, charakterystyka pracy transformatorów ziemnych to: długotrwała praca bez obciążenia z krótkotrwałym przeciążeniem.
Podsumowując, transformator ziemny sztucznie tworzy punkt neutralny, aby podłączyć rezystor ziemny. Podczas awarii do ziemi, prezentuje wysoki opór dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, ale niski opór dla prądu zerowej sekwencji, umożliwiając niezawodną pracę ochrony przed awarią do ziemi.
Obecnie, transformatory ziemne zainstalowane w podstacjach mają dwa cele:
Dostarczanie niskiego napięcia prądu AC do pomocniczego użycia w podstacjach;
Tworzenie sztucznego punktu neutralnego na stronie 10 kV, który - po połączeniu z cewką gazu - kompensuje prąd pojemnościowy awarii do ziemi w przypadku awarii jednofazowej 10 kV, co prowadzi do wygaszenia łuku w punkcie awarii. Zasada działania jest następująca:
Wzdłuż całej długości linii przesyłowych w trójfazowym systemie energetycznym istnieją pojemności między fazami oraz między każdą fazą a ziemią. Gdy punkt neutralny sieci nie jest solidnie zazemiony, pojemność faza-ziemia uszkodzonej fazy staje się równa zero podczas awarii jednofazowej, podczas gdy napięcia faza-ziemia pozostałych dwóch faz wzrastają do √3 razy normalne napięcie fazowe. Choć to zwiększone napięcie nie przekracza zaprojektowanej wytrzymałości izolacyjnej, zwiększa ich pojemność faza-ziemia.
Prąd przewodzenia pojemnościowego podczas awarii jednofazowej jest około trzy razy większy niż normalny prąd pojemnościowy na fazę. Gdy ten prąd jest duży, łatwo powoduje przerywane łuki elektryczne, co prowadzi do nadnapięć w obwodzie rezonansowym LC utworzonym przez indukcyjność sieci i pojemność, z amplitudą osiągającą 2,5 do 3 razy napięcie fazowe. Im wyższe napięcie sieci, tym większe ryzyko wynikające z takich nadnapięć. Dlatego tylko systemy o napięciu poniżej 60 kV mogą działać z niezakłóconą neutralą, ponieważ ich jednofazowe prądy przewodzenia pojemnościowego są względnie małe. Dla wyższych poziomów napięcia należy używać transformatora ziemnego, aby połączyć punkt neutralny poprzez impedancję z ziemią.
Gdy 10-kilowoltowa strona głównego transformatora stacji przekształtniczej jest podłączona w trójkąt lub gwiazdę bez punktu neutralnego, a jednofazowy prąd przewodzenia pojemnościowego jest duży, wymagany jest transformator ziemny, aby stworzyć sztuczny punkt neutralny, umożliwiający połączenie z cewką tłumiącą. Tworzy to sztuczny system uziemienia neutralnej — główna funkcja transformatora ziemnego. W normalnym trybie pracy transformator ziemny wytrzymuje zbilansowane napięcie sieci i przepuszcza tylko mały prąd pobudzający (stan bez obciążenia).
Różnica potencjałów między neutralną a ziemią wynosi zero (ignorując niewielkie przesunięcie napięcia neutralnego spowodowane przez cewkę tłumiącą), a żaden prąd nie przepływa przez cewkę tłumiącą. Przy założeniu, że wystąpił zwarcie fazy C z ziemią, napięcie zerowej sekwencji wynikające z asymetrii trójfazowej przepływa przez cewkę tłumiącą do ziemi. Podobnie jak sama cewka tłumiąca, indukowany prąd indukcyjny kompensuje prąd przewodzenia pojemnościowego, eliminując łuk przy miejscu uszkodzenia.
W ostatnich latach w pewnym regionie w stacjach przekształtniczych 110 kV wystąpiło wiele błędnego działania ochrony transformatorów ziemnych, co znacznie wpłynęło na stabilność sieci. Aby zidentyfikować podstawowe przyczyny, przeprowadzono analizy powodów tych błędów, a następnie wdrożono odpowiednie środki zapobiegające ich ponownemu wystąpieniu i dostarczając odniesienie dla innych regionów.
Obecnie w stacjach przekształtniczych 110 kV coraz częściej stosuje się linie kablowe wychodzące z 10-kilowoltowych pasm, co znacznie zwiększa jednofazowy prąd przewodzenia pojemnościowego w systemie 10 kV. Aby ograniczyć amplitudę nadnapięć podczas zwarcia jednofazowego z ziemią, stacje przekształtnicze 110 kV zaczęły instalować transformatory ziemne, implementując schemat niskiego oporu uziemienia, tworząc ścieżkę prądu zerowej sekwencji. Pozwala to na selektywną ochronę zerową, która izoluje zwarcia z ziemią w zależności od lokalizacji uszkodzenia, zapobiegając ponownemu zapłonowi łuku i nadnapięciom, gwarantując bezpieczne zaopatrzenie w energię urządzeń sieciowych.
Od 2008 roku pewna regionalna sieć przeprowadziła modernizację systemów 10 kV stacji przekształtniczych 110 kV, instalując transformatory ziemne i powiązane urządzenia ochronne, aby umożliwić szybkie izolowanie każdego zwarcia z ziemią na pasmach 10 kV, minimalizując wpływ na sieć. Jednak niedawno pięć stacji przekształtniczych 110 kV w regionie doświadczyło wielokrotnych błędów działania ochrony transformatorów ziemnych, powodując awarie stacji i znacznie destabilizując sieć. Dlatego identyfikacja przyczyn i wdrożenie środków korygujących jest kluczowe do utrzymania bezpieczeństwa regionalnej sieci.
1.Analiza przyczyn błędów działania ochrony transformatora ziemnego
Gdy w pasmie 10 kV wystąpi zwarcie z ziemią, ochrona zerowa na uszkodzonym pasmie w stacji przekształtniczej 110 kV powinna najpierw działać, izolując uszkodzenie. Jeśli nie działa ona prawidłowo, ochrona zerowa transformatora ziemnego będzie działać jako zapasowa, wyłączając przełącznik między magistralami oraz obie strony głównego transformatora, aby izolować uszkodzenie. Prawidłowe działanie ochrony i przełączników pasma 10 kV jest więc kluczowe dla bezpieczeństwa sieci. Statystyczna analiza błędów w pięciu stacjach przekształtniczych 110 kV pokazuje, że główną przyczyną jest brak prawidłowego usuwania zwarcia z ziemią przez pasma 10 kV.
Zasada działania ochrony zerowej pasma 10 kV:
Pobieranie próbek CT zerowej sekwencji → Aktywacja ochrony pasma → Wyłączenie przełącznika.
Na tej podstawie, CT zerowej sekwencji, relé ochrony pasma i przełącznik są kluczowymi elementami prawidłowego działania. Poniżej analizujemy przyczyny błędów działania z tych aspektów:
1.1 Błąd CT zerowej sekwencji powodujący błędy działania ochrony transformatora ziemnego.
Podczas zwarcia z ziemią w pasmie 10 kV, CT zerowej sekwencji uszkodzonego pasma wykrywa prąd uszkodzenia, uruchamiając jego ochronę, aby izolować uszkodzenie. Tymczasem CT zerowej sekwencji transformatora ziemnego również wykrywa prąd uszkodzenia i uruchamia ochronę. Aby zapewnić selektywność, ochrona zerowa pasma 10 kV jest ustawiona na niższy prąd i krótszy czas niż ochrona transformatora ziemnego. Ustawienia prądów: transformator ziemny — 75 A pierwotnie, 1,5 s do wyłączenia przełącznika między magistralami 10 kV, 1,8 s do blokady automatycznego przełączenia 10 kV, 2,0 s do wyłączenia niskonapiętej strony transformatora, 2,5 s do wyłączenia obu stron; pasmo 10 kV — 60 A pierwotnie, 1,0 s do wyłączenia przełącznika.
Jednak błędy CT są nieuniknione. Jeśli CT transformatora ziemnego ma błąd -10%, a CT pasma +10%, rzeczywiste prądy robocze staną się 67,5 A i 66 A — niemal równe. Polegając wyłącznie na gradacji czasowej, zwarcie z ziemią w pasmie 10 kV może łatwo spowodować, że ochrona przeciwprądowa zerowej sekwencji transformatora ziemnego zadziała przedwcześnie.
1.2 Nieprawidłowe uziemienie ekranu kabla powodujące błędy działania.
Pasma 10 kV stacji przekształtniczych 110 kV korzystają z ekranowanych kabli, których ekrany są uziemione na obu końcach — powszechna praktyka zmniejszania zakłóceń elektromagnetycznych. CT zerowej sekwencji są typu toroidalnego, montowane wokół kabli na wyjściach szaf dystrybucyjnych. Podczas zwarcia z ziemią nierównoważne prądy indukują sygnały w CT, które aktywują ochronę. Jednak z uziemieniem ekranu na obu końcach, indukowane prądy w ekranie również przechodzą przez CT zerowej sekwencji, tworząc fałszywe sygnały. Bez właściwych środków zaradczych to pogarsza dokładność ochrony zerowej sekwencji pasma, prowadząc do wyłączania zapasowego transformatora ziemnego.
1.3 Awaria ochrony pasma 10 kV powodująca błędy działania.
Nowoczesne relé mikroprocesorowe oferują lepsze wydajność, ale różniąca się jakość producentów i słaba odprowadzanie ciepła pozostają problemami. Statystyki awarii pokazują, że moduły zasilania, płyty próbkujące, płyty CPU i moduły wyłączania w ochronie pasm 10 kV są najbardziej narażone na awarie. Niewykryte awarie mogą powodować odmowę ochrony, prowadząc do błędów działania transformatora ziemnego.
1.4 Awaria wyłącznika pasma 10 kV powodująca błędną pracę.
Wraz z wiekiem, częstymi operacjami lub problemami jakościowymi, awarie aparatury przełącznikowej 10 kV – zwłaszcza w obwodach sterujących – są coraz częstsze. W mniej rozwiniętych obszarach górskich starsza aparatura GG-1A nadal jest w użyciu, co skutkuje wyższym odsetkiem uszkodzeń do ziemi. Nawet jeśli ochrona zerosekwencyjna działa poprawnie, awaria wyłącznika (np. spalona cewka wyłączająca uniemożliwiająca działanie) prowadzi do błędnego działania transformatora doziemnego.
1.5 Wysokie opory uszkodzenia na dwóch pasmach 10 kV (lub poważne pojedyncze uszkodzenie wysokiego oporu) powodujące błędną pracę.
Gdy dwa pasma mają uszkodzenia wysokiego oporu w tej samej fazie, indywidualne prądy zerosekwencyjne mogą pozostać poniżej progu wyzwalania 60 A (np. 40 A i 50 A), więc ochrony pasm tylko sygnalizują alarm. Jednak suma prądów (90 A) przekracza ustawienie transformatora doziemnego 75 A, powodując przedwczesne wyzwalanie. W przypadku całkowicie kablowych pasm 10 kV normalne prądy pojemnościowe mogą osiągać 12–15 A. Nawet pojedyncze poważne uszkodzenie wysokiego oporu (np. 58 A) plus normalny prąd pojemnościowy zbliża się do 75 A. W takich warunkach drgania systemu mogą łatwo wywołać błędną pracę transformatora doziemnego.
2.Środki zapobiegające błędnemu działaniu ochrony transformatora doziemnego
Na podstawie powyższej analizy zaleca się następujące środki:
2.1 Aby zapobiec błędnemu działaniu spowodowanemu błędem CT
Używać wysokiej jakości CT zerosekwencyjnych; rygorystycznie testować charakterystyki CT przed montażem i odrzucać te, które mają błąd >5%; ustalać wartości wyzwalania ochrony na podstawie prądu pierwotnego; weryfikować ustawienia przez testowanie iniekcji pierwotnej.
2.2 Aby zapobiec nieprawidłowemu uziemieniu tarczy kabla
Przewody uziemiające tarczy kabla muszą przechodzić w dół przez CT zerosekwencyjne i być izolowane od szyn kablowych. Przed przejściem przez CT nie powinno być żadnego kontaktu uziemiającego. Wyeksponować końcówki metaliczne do testowania iniekcji pierwotnej; resztę solidnie zabezpieczyć izolacją.
Jeśli punkt uziemienia tarczy znajduje się poniżej CT, przewód nie powinien przechodzić przez CT. Unikać prowadzenia przewodu uziemiającego tarczy przez środek CT.
Wzmocnić szkolenia techniczne, aby zespoły ochrony relacyjnej i kablowe w pełni rozumiały metody montażu CT i uziemienia tarczy.
Wzmocnić procedury przyjęcia z wspólnymi inspekcjami zespołów ochrony, eksploatacji i kablowych.
2.3 Aby zapobiec awarii ochrony pasm
Wybierać udowodnione, niezawodne urządzenia ochrony; zastępować starzejące się lub często awaryjne jednostki; wzmocnić konserwację; instalować klimatyzację i wentylację, aby zapobiec pracy w wysokich temperaturach.
2.4 Aby zapobiec awarii wyłączników pasm
Używać niezawodnej, dojrzałej aparatury przełączniczej; wycofać stare szafy GG-1A na rzecz typów szczelnych, sprężynowych lub napędzanych silnikiem; utrzymywać obwody sterujące; używać wysokiej jakości cewek wyłączających.
2.5 Aby zapobiec błędnemu działaniu spowodowanemu uszkodzeniem wysokiego oporu
Natychmiast patrolować i naprawiać pasma po wystąpieniu alarmu zerosekwencyjnego; zmniejszać długość pasm; równoważyć obciążenia faz, aby minimalizować normalne prądy pojemnościowe.
3. Podsumowanie
Wraz z coraz większą ilością regionalnych sieci instalujących transformatory doziemne i związane z nimi ochrony, aby poprawić strukturę i stabilność, powtarzające się incydenty błędnego działania podkreślają potrzebę rozwiązania negatywnych efektów. Niniejszy artykuł analizuje główne przyczyny błędnego działania ochrony transformatora doziemnego i proponuje środki zaradcze, dostarczając wskazówek dla regionów, które zainstalowały lub planują zainstalować takie systemy.
