Zaščita zazemljuvalnega transformatorja: vzroki za napačno delovanje in ukrepi v 110kV podstacionih
V električnem sistemu Kitajske se za omrežja z napetostjo 6 kV, 10 kV in 35 kV običajno uporablja način delovanja z nezazemljenim neutralnim točkom. Distribucijska stran glavnega transformatorja v omrežju je običajno povezana v trikotniško konfiguracijo, ki ne ponuja neutralnega točka za povezavo z zazemljitvenim upornikom.
Pri enofaznem zazemlju v sistemu z nezazemljenim neutralnim točkom ostane trokotna napetost med fazami simetrična, kar minimalno vpliva na operacije uporabnikov. Poleg tega, ko je kapacitivni tok relativno majhen (manj kot 10 A), se nekateri prehodni zazemlji lahko samodejno ugasnejo, kar je zelo učinkovito za izboljšanje zanesljivosti oskrbe s strujom in zmanjševanje incidentov odrezovanja struje.
Vendar pa ta preprost način zaradi stalnega razširjanja in razvoja elektroenergetske industrije nima več dovolj za zadovoljevanje trenutnih zahtev. V sodobnih mestnih električnih omrežjih se zaradi povečanega uporabljanja kabelskih vezij značilno poveča kapacitivni tok (presega 10 A). V takih pogojih se zazemljni luk ne more zanesljivo ugasiti, kar prinaša naslednje posledice:
Intermitentno uganjanje in ponovno zagnanje enofaznega zazemljnega luka ustvarja premagovanja z nadnapetostmi z amplitudo, ki doseže do 4U (kjer je U vrhovna fazna napetost) ali celo višje, ki traja dolgo. To predstavlja resno grožnjo za izolelektrike električne opreme, ki lahko povzroči propade na šibkih točkah izolacije in vodi do velikih izgub.
Trajajoči luk povzroča jonizacijo zraka, ki degradira izolacijo okoliščnega zraka in poveča verjetnost fazo-faznih kratkih zaprtij.
Lahko se pojavijo feromagnetne nadnapetosti, ki lahko lahkoteško poškodujejo potencialne transformatorje (PT) in varnike proti premagovanjem, v težavah primerih pa celo povzroči eksplozije varnikov. Te posledice hudo ogrožajo izolacijo opreme v omrežju in ohromijo varno delovanje električnega sistema.
Za preprečevanje zgornjih nesreč in zagotavljanje zadostnega neničelnega toka in napetosti za zanesljivo delovanje zaščite pred zazemljili mora biti ustvarjen umetni neutralni toček, tako da se lahko poveže zazemljitveni upornik. Za reševanje te potrebe so bili razviti zazemljitveni transformatorji (običajno znani kot "zazemljitvene enote"). Zazemljitveni transformator umetno ustvari neutralni toček s zazemljitvenim upornikom, običajno z zelo nizkim upornostnim vrednoto (običajno manj kot 5 ohmov).
Dodatno, zaradi svojih elektromagnetnih lastnosti, zazemljitveni transformator predstavlja visoko upornost za pozitivne in negativne sekvenčne tokove, omogočenje le malo pobudnega toka, da teče skozi njegove navije. Na vsakem jedru sta navita dva odseka, navita v nasprotnih smerih. Ko enaki neničelni tokovi tečejo skozi te navije na istem jedru, predstavljajo nizko upornost, kar vodi v minimalno padec napetosti skozi navije pod pogoji neničelne sekvenčnosti.
Med zazemljilom tečejo skozi navije pozitivni, negativni in neničelni sekvenčni tokovi. Navije prikazujejo visoko upornost za pozitivne in negativne sekvenčne tokove, ampak za neničelni tok sta dva navija na isti fazi povezana zaporedno z nasprotno polariteto. Njuni inducirani elektromotivne sile so enake po velikosti, a obratne po smeri, kar učinkovito izenači, tako da predstavljata nizko upornost.
V mnogih uporabah se zazemljitveni transformatorji uporabljajo samo za ustvarjanje neutralnega točka z majhnim zazemljitvenim upornikom in ne zagotavljajo nobene optage; zato je veliko zazemljitvenih transformatorjev zasnovanih brez sekundarnih navijev. Med normalnim delovanjem omrežja zazemljitveni transformator deluje bistveno brez optage. Vendar pa med nesrečo nosi nesrečni tok le za kratko časovno obdobje.
V sistemu z nizko-upornostnim zazemljenim neutralnim točkom, ko pride do enofaznega zazemljila, zelo občutljiva neničelna zaščita hitro prepozna in začasno izloči krivi odvod. Zazemljitveni transformator je aktiven le za kratko obdobje med nastankom zazemljila in delovanjem neničelne zaščite za odstranitev nesreče. V tem času teče neničelni tok skozi neutralni zazemljitveni upornik in zazemljitveni transformator, kar je dano z
kjer je U sistemski fazni tok, R1 je neutralni zazemljitveni upornik, R2 pa dodatna upornost v zazemljilu.
Na podlagi zgornje analize so operacijske značilnosti zazemljitvenih transformatorjev: dolgoročno brezoptaga delovanje z kratkorogimi preobremenitvami.
V zaključku, zazemljitveni transformator umetno ustvari neutralni toček za povezavo zazemljitvenega upornika. Med zazemljilom predstavlja visoko upornost za pozitivne in negativne sekvenčne tokove, a nizko upornost za neničelni tok, kar omogoča zanesljivo delovanje zaščite pred zazemljili.
Trenutno imajo zazemljitveni transformatorji, nameščeni v pretvorovalnih postajah, dve nameni:
Osnabrevali z nizkonapetostno stikalo za pomembno uporabo v pretvorovalni postaji;
Ustvarili umetni neutralni toček na strani 10 kV, ki, kombiniran z lukom za utiševanje, kompenzira kapacitivni zazemljilni tok med 10 kV enofaznimi zazemljili, s tem pa ugasne luk na mestu nesreče. Načelo je naslednje:
Vzdolž celotne dolžine prenosnih linij v trofaznem električnem omrežju obstajajo kapacitance med fazami in med vsako fazo in zemljo. Ko ni trdno zazemljen neutralni toček omrežja, postane fazno-zemljska kapacitanca okvarjene faze enaka nič med enofaznim zazemljilom, medtem ko fazno-zemljske napetosti drugih dveh faz naraščajo na √3-krat normalno fazno napetost. Čeprav ta povečana napetost ne presega izolacijske čvrstočnosti, določene za varnost, poveča njihovo fazno-zemljsko kapacitanco.
Kapacitivni tok pri enofaznem napaku je približno trikrat večji od običajnega kapacitivnega toka na fazo. Ko je ta tok velik, lahko preprosto povzroči intermitentno lomljenje, kar vodi do prenapetosti v LC resonančnem krogu, ki ga sestavljata omara in kapacitivnost omrežja, z magnitudami, ki dosegajo 2,5 do 3-krat fazonapetost. Številčnejša omara v omrežju, večja je tveganost zaradi takšnih prenapetosti. Zato se lahko zgolj sistemi pod 60 kV upravljajo z neizoliranim neutralnim vodnikom, saj so njihovi enofazni kapacitivni toki pri zemeljskem napaku relativno majhni. Za višje nivoje napetosti mora biti uporabljen izjemni transformator, da se neutralna točka poveže skozi impedanco z zemljo.
Ko je 10 kV stran glavnega transformatorja podstanice povezana v delta ali wye brez neutralne točke, in enofazni kapacitivni tok pri zemeljskem napaku je velik, je potreben izjemni transformator, da ustvari umetno neutralno točko, omogoča povezavo s členilnikom za ugasanje loma. To tvori umetno izjemno sistem—glavna funkcija izjemnega transformatorja. V normalnem delovanju izjemni transformator prenaša uravnoteženo omarsko napetost in nosi le majhen vzbušni tok (brez opterečenja).
Razlika med neutralno in zemeljsko napetostjo je nič (z zanemaritvijo manjšega premika neutralne napetosti zaradi členilnika za ugasanje loma), in noben tok ne teče skozi členilnik za ugasanje loma. Če se zgodi zemeljski kratak spoj na fazo C, se neničelna napetost, ki je posledica asimetričnosti treh faz, teče skozi členilnik za ugasanje loma do zemlje. Podobno kot sam členilnik za ugasanje loma, inducirani induktivni tok kompenzira kapacitivni tok pri zemeljskem napaku, s tem pa iztreba lom v mestu napaka.
V zadnjih letih se je v določeni regiji zgodilo več napačnih delovanj varnostnega sistema izjemnega transformatorja v 110 kV podstanicah, kar je resno vplivalo na stabilnost omrežja. Za identifikacijo osnovnih vzrokov so bile analizirane razloge teh napačnih delovanj, in so bile izvedene ustreznim ukrepi, da bi se preprečila ponovitev in priskrbela referenca za druge regije.
Trenutno se 10 kV odvodi v 110 kV podstanicah vse bolj uporabljajo izhodne kabelske linije, kar znatno povečuje enofazni kapacitivni tok pri zemeljskem napaku v 10 kV sistemu. Da se zmanjša magnituda prenapetosti med enofaznimi zemeljskimi napaki, so 110 kV podstanice začele nameščati izjemne transformatorje, da bi implementirale shemo z nizko upornostjo, s tem pa vzpostavili neničelni tokovni pot. To omogoča selektivno neničelno varnostno zaščito, da izolira zemeljske napake glede na lokacijo napake, prepreči ponovno zapaljenje loma in prenapetost, tako zagotavlja varno oskrbo z električno energijo opreme omrežja.
Začetkom leta 2008 je določena regionalna omrežja začela nadgraditi svoje 110 kV podstanice 10 kV sisteme na nizko upornost z namestitvijo izjemnih transformatorjev in pripadajočih varnostnih naprav. To je omogočilo hitro izolacijo kateregakoli 10 kV odvoda zemeljske napake, s tem pa zmanjšalo vpliv na omrežje. Vendar pa se je nedavno v tej regiji pet 110 kV podstanc pojavila ponavljajoča se napačna delovanja varnostnega sistema izjemnega transformatorja, kar je povzročilo izpad podstanc in resno motnjo stabilnosti omrežja. Zato je ključnega pomena, da se identificirajo vzroki in izvedejo popravki, da bi se ohranila varnost regionalnega omrežja.
1.Analiza vzrokov napačnega delovanja varnostnega sistema izjemnega transformatorja
Ko 10 kV odvod doživi zemeljski kratki spoj, najprej bi morala operirati neničelna zaščita na nepopravljivem odvodu v 110 kV podstanci, da izolira napako. Če to ne opravi pravilno, bo kot rezervna neničelna zaščita izjemnega transformatorja dejansko delovala, s tem pa prepustila vezni preklop in obe strani glavnega transformatorja, da izolira napako. Tako je pravilno delovanje 10 kV odvoda zaščite in veznih preklopnikov ključnega pomena za varnost omrežja. Statistična analiza napačnih delovanj v petih 110 kV podstancih kaže, da je glavni vzrok nepravilno izključevanje zemeljskih napak 10 kV odvodov.
Načelo 10 kV odvoda neničelne zaščite:
Odvzem neničelnega CT → aktivacija zaščite odvoda → preklop veznega preklopnika.
Iz tega načela so ključni elementi za pravilno delovanje neničelni CT, relé zaščite odvoda in vezni preklopnik. Sledi analiza vzrokov napačnega delovanja iz teh vidikov:
1.1 Napaka neničelnega CT, ki povzroča napačno delovanje varnostnega sistema izjemnega transformatorja.
Med 10 kV odvod zemeljske napako, neničelni CT nepopravljivega odvoda zazna tok napake, s tem pa aktivira svojo zaščito, da izolira napako. Hkrati neničelni CT izjemnega transformatorja tudi zazna tok napake in začne s zaščito. Da bi zagotovili selektivnost, je 10 kV odvod neničelne zaščite nastavljen s nižjim tokom in krajšim časovnim nastavkom kot zaščita izjemnega transformatorja. Nastavitve toka: izjemni transformator - 75 A primarno, 1,5 s za preklop veznega preklopnika 10 kV, 1,8 s za blokado avtomatskega prenosa 10 kV, 2,0 s za preklop nizkonapetostne strani transformatorja, 2,5 s za preklop obema stranema; 10 kV odvod - 60 A primarno, 1,0 s za preklop veznega preklopnika.
Napake CT so vendar neizbežne. Če ima izjemni transformator CT -10% napako in odvod CT +10% napako, dejanski delovni toki postanejo 67,5 A in 66 A - skoraj enaki. Samo z uporabo časovnega gradiranja, lahko 10 kV odvod zemeljske napake lahko preprosto povzroči, da neničelna zaščita izjemnega transformatorja prej preklopi.
1.2 Nepravilna zemeljska povezava ščitnice, ki povzroča napačno delovanje.
110 kV podstanice 10 kV odvodi uporabljajo ščitnice, ki so zemljeni na obeh koncih - to je običajna praksa za zmanjšanje EMI. Neničelni CT so toroidni tipi, nameščeni okoli kabelov na izstopnih terminalih veznega preklopnika. Med zemeljskimi napakami neuravnoteženi toki inducirajo signale v CT, da aktivirajo zaščito. Vendar pa z zemljenjem na obeh koncih ščitnice, inducirani toki v ščitnici tudi pretečejo skozi neničelni CT, s tem pa ustvarijo lažne signale. Brez pravilne odprave to ovira natančnost 10 kV odvoda neničelne zaščite, s tem pa povzroči rezervno preklop izjemnega transformatorja.
1.3 Nepravilno delovanje 10 kV odvoda zaščite, ki povzroča napačno delovanje.
Sodobni mikroprocesorski reléji ponujajo izboljšano delovanje, vendar ostaja problem z različno kakovostjo proizvajalcev in slabo ohlajanjem. Statistika napak kaže, da so najbolj podvrženi napakam moduli oskrbe s strmo, vzorčne plošče, CPU plošče in izhodni modul preklopa 10 kV odvoda zaščite. Nezaznane napake lahko povzročijo zavračanje zaščite, s tem pa povzročijo napačno delovanje izjemnega transformatorja.
1.4 Nezgodna delovanja zaščitnega ventila na napajalniku 10 kV.
Z utrujenostjo, pogostimi operacijami ali vročenimi kakovostnimi težavami so nezgodne delovanja naprav na 10 kV – zlasti v nadzornih krmilnih krogih – na večji stopnji. V manj razvitih gorskih območjih ostaja starejše GG-1A oprema še vedno v uporabi, kar prinaša višje stopnje zraževanj. Tudi če delujejo pravilno neničelne zaščite, lahko nezgodna delovanja (npr. izgorjena bobina za odpiranje, ki preprečuje delovanje) povzročijo nezgodno delovanje zraževalnega transformatorja.
1.5 Viškoimpedančna zraževanja na dveh napajalnikih 10 kV (ali hudo eno viškoimpedančno zraževanje) povzročajo nezgodno delovanje.
Ko dva napajalnika doživita zraževanja z visoko impedanco na isti fazi, lahko posamezni neničelni tokovi ostanejo pod pragom odpiranja 60 A (npr. 40 A in 50 A), tako da se zaščitni krmilni krogi le aktivirajo. Vendar preseže skupni tok (90 A) nastavljeno vrednost zraževalnega transformatorja 75 A, kar povzroči predčasno odpiranje. Pri popolnoma kabelskih napajalnikih 10 kV lahko normalni kapacitivni toki dosežejo 12–15 A. Tudi samo hudo viškoimpedančno zraževanje (npr. 58 A) plus normalni kapacitivni tok približuje 75 A. Sistemski oscilacije bi lahko tako zlahka sprožile nezgodno delovanje zraževalnega transformatorja.
2. Merila za preprečevanje nezgodnih delovanj zaščite zraževalnega transformatorja
Na podlagi zgornje analize se priporočajo naslednja merila:
2.1 Za preprečevanje nezgodnih delovanj zaradi napak v CT
Uporabite kakovostne neničelne CT; strogo preverite značilnosti CT pred namestitvijo in zavrnite katere koli z napako >5%; nastavite vrednosti za ujemanje zaščite glede na primarni tok; preverite nastavitve s testiranjem z injiciranjem primarnega toka.
2.2 Za preprečevanje neustreznega zraževanja ohišja kabela
Vodi za zraževanje ohišja kabela morajo potekati navzdol skozi neničelni CT in biti izolirani od nosilcev kablov. Pred tem, ko preidejo skozi CT, ne sme biti nobenega stika z zraževanjem. Razkrivajte metalne konci za testiranje z injiciranjem primarnega toka; ostalo izolirajte zanesljivo.
Če je točka zraževanja ohišja spodaj CT, vod nikoli ne sme preiti skozi CT. Izogibajte se vodenju voda za zraževanje ohišja skozi sredino CT.
Okrepiti tehnično usposabljanje, da ekipe za relé in kable v celoti razumejo metode namestitve CT in zraževanja ohišja.
Okrepiti postopke sprejema s skupnimi pregledi ekip za relé, operacije in kable.
2.3 Za preprečevanje nezgodnih delovanj zaščite napajalnika
Izberite dokazano zanesljive naprave za zaščito; zamenjajte staro ali pogosto pokvarjeno opremo; okrepiti vzdrževanje; namestite hladilne naprave in ventilacijo, da se prepreči delovanje pri visokih temperaturah.
2.4 Za preprečevanje nezgodnih delovanj zaščitnega ventila
Uporabite zanesljiva in zrelija aparatura; zamenjajte stare GG-1A škatle z zaprtimi, vzmetnimi ali motorjičnimi vrstami; vzdržujte nadzorne krmilne kroge; uporabite kakovostne bobine za odpiranje.
2.5 Za preprečevanje nezgodnih delovanj zaradi viškoimpedančnih krivih
Takoj po alarmu neničelnega toka preiskujte in popravljajte napajalnike; zmanjšajte dolžine napajalnikov; uravnotežite faze, da zmanjšate normalne kapacitivne toke.
3. Zaključek
S tem, ko več regionalnih omrežij namešča zraževalne transformatorje in pripadajoče zaščite za izboljšanje strukture in stabilnosti, ponavljajoče se nezgodne delovanja poudarjajo potrebo po obravnavanju negativnih učinkov. Ta članek analizira glavne vzroke nezgodnih delovanj zaščite zraževalnega transformatorja in predlaga protimerila, ki zagotavljajo smernice za regije, ki so že namestile ali načrtujejo namestitev takšnih sistemov.
