Защита заземляющего трансформатора: причины ложных срабатываний и меры противодействия в подстанциях 110 кВ
В китайской энергетической системе сети с напряжением 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ обычно используют незаземленный режим работы. Сторона распределения напряжения основного трансформатора в сети обычно соединяется в треугольной конфигурации, что не предоставляет нейтральную точку для подключения заземляющего резистора.
При возникновении однофазного замыкания на землю в системе с незаземленной нейтральной точкой треугольник линейных напряжений остается симметричным, что минимально влияет на работу пользователей. Кроме того, когда емкостный ток относительно мал (менее 10 А), некоторые временные замыкания на землю могут самоликвидироваться, что высокоэффективно для повышения надежности электроснабжения и снижения количества аварийных отключений.
Однако с постоянным расширением и развитием энергетической отрасли этот простой метод больше не удовлетворяет текущим потребностям. В современных городских энергосистемах увеличение использования кабельных линий привело к значительному увеличению емкостных токов (превышающих 10 А). В таких условиях дуга замыкания на землю не может быть надежно погашена, что приводит к следующим последствиям:
Периодическое гашение и повторное воспламенение однофазной дуги замыкания на землю создает перенапряжения дугового замыкания на землю с амплитудой, достигающей 4U (где U — пиковое фазное напряжение) или даже выше, продолжительностью на длительное время. Это представляет серьезную угрозу изоляции электрического оборудования, потенциально вызывая пробои в слабых местах изоляции и приводя к крупным потерям.
Продолжительная дуга вызывает ионизацию воздуха, ухудшая изоляцию окружающего воздуха и увеличивая вероятность межфазных коротких замыканий.
Может возникнуть феррорезонансное перенапряжение, которое легко повреждает трансформаторы напряжения (ТН) и ограничители перенапряжения, а в тяжелых случаях даже вызывает взрывы ограничителей. Эти последствия серьезно угрожают изоляции оборудования сети и безопасной работе энергетической системы.
Для предотвращения вышеупомянутых аварий и обеспечения достаточного нулевого последовательного тока и напряжения для надежной работы защиты от замыканий на землю необходимо создать искусственную нейтральную точку, чтобы можно было подключить заземляющий резистор. Для решения этой задачи были разработаны заземляющие трансформаторы (обычно называемые "заземляющими устройствами"). Заземляющий трансформатор искусственно создает нейтральную точку с заземляющим резистором, обычно с очень низким сопротивлением (обычно менее 5 Ом).
Кроме того, благодаря своим электромагнитным характеристикам, заземляющий трансформатор представляет высокое сопротивление для положительных и отрицательных последовательных токов, позволяя проходить только небольшому возбуждающему току через его обмотки. На каждом сердечнике две секции обмоток наматываются в противоположных направлениях. Когда равные нулевые последовательные токи проходят через эти обмотки на одном и том же сердечнике, они представляют низкое сопротивление, что приводит к минимальному падению напряжения на обмотках при нулевых последовательных условиях.
При замыкании на землю через обмотки текут положительные, отрицательные и нулевые последовательные токи. Обмотка представляет высокое сопротивление для положительных и отрицательных последовательных токов, но для нулевого последовательного тока две обмотки на одной фазе соединены последовательно с противоположными полярностями. Их индуцированные электродвижущие силы равны по величине, но противоположны по направлению, эффективно компенсируя друг друга, что приводит к низкому сопротивлению.
В многих применениях заземляющие трансформаторы используются исключительно для создания нейтральной точки с малым заземляющим резистором и не подают нагрузку; поэтому многие заземляющие трансформаторы спроектированы без вторичной обмотки. В нормальных условиях работы сети заземляющий трансформатор работает практически без нагрузки. Однако во время аварии он проводит аварийный ток только на короткое время.
В системе с низкоомным заземлением нейтральной точки, при возникновении однофазного замыкания на землю, высоко чувствительная защита нулевой последовательности быстро определяет и временно изолирует аварийную линию. Заземляющий трансформатор активен только в течение короткого интервала между возникновением замыкания на землю и срабатыванием защиты нулевой последовательности для устранения аварии. В это время нулевой последовательный ток проходит через нейтральный заземляющий резистор и заземляющий трансформатор, который определяется формулой
где U — фазное напряжение системы, R1 — нейтральный заземляющий резистор, а R2 — дополнительное сопротивление в цепи замыкания на землю.
На основе вышеуказанного анализа, эксплуатационные характеристики заземляющих трансформаторов заключаются в длительной работе без нагрузки с возможностью кратковременной перегрузки.
В заключение, заземляющий трансформатор искусственно создает нейтральную точку для подключения заземляющего резистора. При замыкании на землю он представляет высокое сопротивление для положительных и отрицательных последовательных токов, но низкое сопротивление для нулевого последовательного тока, что позволяет надежно работать защите от замыканий на землю.
В настоящее время заземляющие трансформаторы, установленные в подстанциях, выполняют две функции:
Подача низковольтного переменного тока для вспомогательного использования на подстанции;
Создание искусственной нейтральной точки на стороне 10 кВ, которая, будучи объединенной с дугогасящей катушкой, компенсирует емкостный ток замыкания на землю при однофазном замыкании на землю 10 кВ, тем самым погашая дугу в месте аварии. Принцип следующий:
Вдоль всей длины линий передач в трехфазной энергетической сети существуют емкости между фазами и между каждой фазой и землей. Когда нейтральная точка сети не жестко заземлена, емкость между фазой и землей поврежденной фазы становится равной нулю при однофазном замыкании на землю, тогда как фазные напряжения двух других фаз увеличиваются до √3 раза нормального фазного напряжения. Хотя это повышенное напряжение не превышает прочность изоляции, рассчитанной на безопасность, оно увеличивает их емкость между фазой и землей.
Емкостной ток однофазного замыкания на землю примерно в три раза превышает нормальный емкостной ток на фазу. Когда этот ток велик, он легко вызывает прерывистую дугу, что приводит к перенапряжениям в резонансном контуре LC, образованном индуктивностью и емкостью сети, с амплитудой, достигающей 2,5-3 раза номинальное фазное напряжение. Чем выше сетевое напряжение, тем больше риск таких перенапряжений. Поэтому только системы ниже 60 кВ могут работать с изолированной нейтралью, так как их емкостные токи однофазных замыканий на землю относительно малы. Для более высоких уровней напряжения необходимо использовать трансформатор заземления для подключения нейтральной точки через импеданс к земле.
Когда 10-киловольтная сторона основного трансформатора подстанции соединена треугольником или звездой без нейтральной точки, и емкостной ток однофазного замыкания на землю велик, требуется трансформатор заземления для создания искусственной нейтральной точки, что позволяет подключить катушку гашения дуги. Это формирует систему искусственного заземления нейтрали — основная функция трансформатора заземления. В нормальных условиях эксплуатации трансформатор заземления выдерживает сбалансированное сетевое напряжение и несет только небольшой возбуждающий ток (при холостом ходе).
Разность потенциалов между нейтралью и землей равна нулю (пренебрегая небольшим смещением нейтрали от катушки гашения дуги), и через катушку гашения дуги не проходит ток. Если предположить, что происходит однофазное замыкание на землю по фазе C, то нулевая последовательность напряжения, обусловленная несимметрией трехфазной системы, проходит через катушку гашения дуги к земле. Как и сама катушка гашения дуги, индуцированный индуктивный ток компенсирует емкостной ток замыкания на землю, устраняя дугу в месте повреждения.
В последние годы в некоторых регионах произошло несколько ошибочных срабатываний защиты трансформаторов заземления на подстанциях 110 кВ, что серьезно влияло на стабильность сети. Для выявления коренных причин были проведены анализы причин этих ошибочных срабатываний, и были внедрены соответствующие меры для предотвращения повторения и предоставления рекомендаций другим регионам.
В настоящее время 10-киловольтные линии питания на подстанциях 110 кВ все чаще используют кабельные выходные линии, что значительно увеличивает емкостной ток однофазного замыкания на землю в 10-киловольтной системе. Для подавления величины перенапряжений при однофазных замыканиях на землю на подстанциях 110 кВ начали устанавливать трансформаторы заземления для реализации схемы заземления с малым сопротивлением, создавая путь для тока нулевой последовательности. Это позволяет избирательной защите нулевой последовательности изолировать места замыканий на землю в зависимости от их расположения, предотвращая повторное возгорание дуги и перенапряжения, обеспечивая безопасное питание оборудования сети.
Начиная с 2008 года, определенная региональная сеть модернизировала свои 10-киловольтные системы подстанций 110 кВ, установив трансформаторы заземления и соответствующие защитные устройства, что позволило быстро изолировать любые замыкания на землю 10-киловольтных линий питания, минимизируя воздействие на сеть. Однако недавно пять подстанций 110 кВ в этом регионе столкнулись с повторными ошибочными срабатываниями защиты трансформаторов заземления, вызывающими отключения подстанций и серьезно нарушающими стабильность сети. Поэтому важно выявить причины и внедрить корректирующие меры для поддержания безопасности региональной сети.
1. Анализ причин ошибочных срабатываний защиты трансформатора заземления
При однофазном замыкании на землю на 10-киловольтной линии питания защита нулевой последовательности на поврежденной линии на подстанции 110 кВ должна сработать первой, чтобы изолировать повреждение. Если это не происходит правильно, защита нулевой последовательности трансформатора заземления будет действовать как резерв, отключая шинный выключатель и обе стороны основного трансформатора, чтобы изолировать повреждение. Таким образом, правильное функционирование защиты 10-киловольтных линий питания и выключателей является критически важным для безопасности сети. Статистический анализ ошибочных срабатываний на пяти подстанциях 110 кВ показывает, что основной причиной является неспособность 10-киловольтных линий питания правильно устранять замыкания на землю.
Принцип работы защиты нулевой последовательности 10-киловольтных линий питания:
Измерение тока нулевой последовательности → Активация защиты линии питания → Отключение выключателя.
Из этого принципа следует, что ключевыми компонентами для правильного функционирования являются трансформатор тока нулевой последовательности, реле защиты линии питания и выключатель. Далее анализируются причины ошибочных срабатываний с этих позиций:
1.1 Ошибка трансформатора тока нулевой последовательности, вызывающая ошибочное срабатывание защиты трансформатора заземления.
При однофазном замыкании на землю на 10-киловольтной линии питания трансформатор тока нулевой последовательности поврежденной линии обнаруживает ток повреждения, активируя защиту для изоляции повреждения. Одновременно трансформатор тока нулевой последовательности трансформатора заземления также обнаруживает ток повреждения и активирует защиту. Для обеспечения селективности защита нулевой последовательности 10-киловольтных линий питания настроена на меньший ток и более короткое время, чем защита трансформатора заземления. Настройки тока: трансформатор заземления — 75 А первичного тока, 1,5 с до отключения шинного выключателя, 1,8 с до блокировки автоматического переключения 10 кВ, 2,0 с до отключения низковольтной стороны трансформатора, 2,5 с до отключения обеих сторон; 10-киловольтные линии питания — 60 А первичного тока, 1,0 с до отключения выключателя.
Однако ошибки трансформаторов тока неизбежны. Если у трансформатора заземления ошибка составляет -10%, а у трансформатора тока линии питания +10%, фактические рабочие токи становятся 67,5 А и 66 А — почти равными. Опираясь только на временную дискриминацию, однофазное замыкание на землю на 10-киловольтной линии питания может легко вызвать преждевременное срабатывание защиты нулевой последовательности трансформатора заземления.
1.2 Неправильное заземление экрана кабеля, вызывающее ошибочное срабатывание.
На подстанциях 110 кВ 10-киловольтные линии питания используют экранированные кабели с экраном, заземленным на обоих концах — это общая практика для снижения электромагнитных помех. Трансформаторы тока нулевой последовательности — это торцевые типы, установленные вокруг кабелей на выводах коммутационного оборудования. При замыканиях на землю несимметричные токи индуцируют сигналы в трансформаторе тока, активируя защиту. Однако при заземлении экрана на обоих концах индуцированные токи в экране также проходят через трансформатор тока нулевой последовательности, создавая ложные сигналы. Без надлежащего устранения это снижает точность защиты нулевой последовательности линии питания, вызывая резервное срабатывание защиты трансформатора заземления.
1.3 Неисправность защиты 10-киловольтных линий питания, вызывающая ошибочное срабатывание.
Современные микропроцессорные реле предлагают улучшенные характеристики, но различия в качестве различных производителей и плохое теплоотведение остаются проблемами. Статистика отказов показывает, что наиболее подвержены отказам модули питания, платы сбора данных, CPU-платы и модули управления отключением в защите 10-киловольтных линий питания. Незамеченные неисправности могут вызывать отказ защиты, что приводит к ошибочному срабатыванию защиты трансформатора заземления.
1.4 Неисправность выключателя фидера 10 кВ, приводящая к ложной работе.
Со старением, частыми операциями или внутренними проблемами качества количество отказов ячеек КРУ 10 кВ — особенно в цепях управления — увеличивается. В горных районах с низким уровнем развития до сих пор эксплуатируются устаревшие ячейки GG-1A с повышенной частотой замыканий на землю. Даже если защита от нулевой последовательности работает корректно, отказ выключателя (например, перегорание катушки отключения, препятствующее срабатыванию) приводит к ложному срабатыванию трансформатора заземления.
1.5 Замыкания на землю с высоким сопротивлением на двух фидерах 10 кВ (или одно тяжелое замыкание с высоким сопротивлением), вызывающие ложную работу.
Когда два фидера испытывают однофазные замыкания на землю с высоким сопротивлением, токи нулевой последовательности по каждому из них могут оставаться ниже порога срабатывания 60 А (например, 40 А и 50 А), поэтому защиты фидеров только формируют сигнал тревоги. Однако суммарный ток (90 А) превышает уставку трансформатора заземления 75 А, что вызывает преждевременное отключение. При использовании полностью кабельных фидеров 10 кВ нормальные емкостные токи могут достигать 12–15 А. Даже при одном серьезном замыкании с высоким сопротивлением (например, 58 А) плюс нормальный емкостной ток суммарно приближаются к 75 А. Колебания в системе тогда легко могут вызвать ложное срабатывание трансформатора заземления.
2. Меры по предотвращению ложного срабатывания защиты трансформатора заземления
На основе вышеуказанного анализа рекомендуются следующие меры:
2.1 Предотвращение ложной работы, вызванной погрешностью ТТ
Использовать высококачественные трансформаторы тока нулевой последовательности; строго проверять характеристики ТТ перед установкой и отклонять любые с погрешностью более 5 %; уставки защиты задавать по первичному току; проверять уставки методом подачи первичного тока.
2.2 Предотвращение неправильного заземления экрана кабеля
Проводники заземления экрана кабеля должны проходить вниз через трансформатор тока нулевой последовательности и быть изолированы от лотков. До прохождения через ТТ не должно быть контакта с заземлением. Оголенные металлические концы должны быть доступны для проверки подачей первичного тока; остальная часть должна быть надежно изолирована.
Если точка заземления экрана находится ниже ТТ, проводник не должен проходить через ТТ. Избегайте прокладки проводника заземления экрана через центральное отверстие ТТ.
Повысить уровень технической подготовки, чтобы бригады релейной защиты и кабельные бригады полностью понимали методы установки ТТ и заземления экранов.
Усилить процедуры приемки с совместными осмотрами бригадами релейной защиты, эксплуатации и кабельными бригадами.
2.3 Предотвращение отказа защиты фидера
Выбирать проверенные, надежные устройства защиты; заменять устаревшее или часто выходящее из строя оборудование; усиливать обслуживание; устанавливать кондиционирование и вентиляцию для предотвращения работы при высокой температуре.
2.4 Предотвращение отказа выключателя фидера
Использовать надежные, проверенные временем ячейки КРУ; постепенно выводить из эксплуатации старые шкафы GG-1A, заменяя их герметичными типами со spring- или motor-приводом; поддерживать цепи управления в исправном состоянии; использовать высококачественные катушки отключения.
2.5 Предотвращение ложной работы при замыканиях с высоким сопротивлением
Немедленно проводить обход и ремонт фидеров после сигнала тревоги по току нулевой последовательности; уменьшать длину фидеров; балансировать нагрузки фаз для минимизации нормальных емкостных токов.
3. Заключение
По мере того как все больше региональных сетей устанавливают трансформаторы заземления и соответствующую защиту для улучшения структуры и устойчивости, повторяющиеся инциденты ложных срабатываний подчеркивают необходимость устранения негативных эффектов. В статье анализируются основные причины ложных срабатываний защиты трансформатора заземления и предлагаются контрмеры, предоставляя руководство для регионов, которые уже установили или планируют установить такие системы.
