Zaštita zemljenja transformatora: Razlozi za neispravno funkcionisanje i protumere u 110kV podstajalama

U kineskom električnom sistemu, mreže na 6 kV, 10 kV i 35 kV obično koriste režim rada sa nezazemljenim neutralnim tačkama. Distribucijska strana glavnog transformatora u mreži obično ima deltasti spoj, što ne pruža neutralnu tačku za povezivanje zazemljivačkog otpornika.

Kada se pojavi jednofazni zemljani kvar u sistemu sa nezazemljenom neutralnom tačkom, trofazni napon ostaje simetričan, što minimalno utiče na rad korisnika. Takođe, kada je kapacitivni tok relativno mali (manji od 10 A), neki privremeni zemljani kvarovi mogu da se samootkazuju, što je veoma efikasno za poboljšanje pouzdanosti snabdevanja strujom i smanjenje incidenta prekida snabdevanja.

Međutim, sa kontinuiranim proširenjem i razvojem elektroenergetske industrije, ovaj jednostavan metod više ne ispunjava trenutne potrebe. U modernim urbanim mrežama, povećana upotreba kablove vode dovela je do značajno većih kapacitivnih toka (preko 10 A). Pod takvim uslovima, zemljanski luk ne može pouzdano da se ugasi, što dovodi do sledećih posledica:

• Intermitentno gašenje i ponovno zapaljivanje jednofaznog zemljanskog luka generiše prekomjerne napon-e pri zemljaju sa amplitudama koje mogu doseći 4U (gde je U vrhunski fazni napon) ili čak veće, trajući dugo. Ovo predstavlja ozbiljnu pretnju izolaciji električnog opreme, mogući ruševine na slabim tačkama izolacije i dovodeći do velikih gubitaka.

• Trajanje luka dovodi do jonizacije vazduha, degradiranja izolacije okružujućeg vazduha i povećanja verovatnoće pojavljivanja međufaznih kraćenja.

• Mogu se pojaviti ferorazonantni prekomerni naponi, lako oštećujući naponske transformatore (PT) i ograničivače prekomernih naponova, a u teškim slučajevima, čak dovodeći do eksplozije ograničivača. Ove posledice ozbiljno opasaju izolaciju opreme mreže i ugrožavaju bezbednu operaciju sistema snabdevanja strujom.

Da bi se sprecile gore navedene nesreće i obezbeđen dovoljan nula-sekvencijski tok i napon za pouzdan rad zaštite od zemljanih kvarova, mora se stvoriti umetnička neutralna tačka kako bi se mogao povezati zazemljivački otpornik. Da bi se ispunovala ova potreba, razvijeni su zazemljivački transformatori (obično nazivani "zazemljivačke jedinice"). Zazemljivački transformator umetnički stvara neutralnu tačku sa zazemljivačkim otpornikom, obično sa veoma niskim vrednostima otpora (obično manje od 5 ohma).

Dodatno, zbog svojih elektromagnetnih karakteristika, zazemljivački transformator predstavlja visok impedans pozitivnim i negativnim sekvencijskim tokovima, omogućavajući prolaz samo malog pobudnog toka kroz njegove vitanje. Na svakom stubu jezgra, dve sekcije vitanja su navijene u suprotne smere. Kada jednak nula-sekvencijski tok prolazi kroz ova vitanja na istom stubu jezgra, oni predstavljaju niski impedans, rezultujući minimalnim padom napona na vitanjima pod uslovima nula-sekvencijskog toka.

Toka kvaru, pozitivni, negativni i nula-sekvencijski tokovi prolaze kroz vitanja. Vitanje predstavlja visok impedans pozitivnim i negativnim sekvencijskim tokovima, ali za nula-sekvencijski tok, dva vitanja na istoj fazi su povezana serijalno sa suprotnim polarnostima. Njihove indukovane elektromotivne sile su jednake po intenzitetu, ali suprotne po smeru, efektivno se anuliraju, tako da predstavljaju niski impedans.

U mnogim primenama, zazemljivački transformatori se koriste samo da bi pružili neutralnu tačku sa malim zazemljivačkim otpornikom i ne snabdevaju nikakvu opterećenje; stoga, mnogi zazemljivački transformatori su dizajnirani bez sekundarnog vitanja. Toka normalne operacije mreže, zazemljivački transformator radi praktično bez opterećenja. Međutim, tokom kvara, nosi kvarni tok samo kratkotrajno.

U sistemu sa niskim otporničkim zazemljenjem neutralne tačke, kada se pojavi jednofazni zemljani kvar, veoma osetljiva nula-sekvencijska zaštita brzo identifikuje i privremeno izoluje defektan feeder. Zazemljivački transformator je aktivan samo tokom kratkog intervala između pojavljivanja zemljanskog kvara i aktivacije nula-sekvencijske zaštite za otklanjanje kvara. Toku tog vremena, nula-sekvencijski tok prolazi kroz neutralni zazemljivački otpornik i zazemljivački transformator, data formulom

gde je U fazni napon sistema, R1 je neutralni zazemljivački otpornik, a R2 dodatni otpor u petlji zemljanskog kvara.

Na osnovu gore navedene analize, karakteristike rada zazemljivačkih transformatora su: dugoročna operacija bez opterećenja sa kratkoročnom mogućnošću preopterećenja.

Zaključno, zazemljivački transformator umetnički stvara neutralnu tačku za povezivanje zazemljivačkog otpornika. Toku zemljanskog kvara, predstavlja visok impedans pozitivnim i negativnim sekvencijskim tokovima, ali niski impedans nula-sekvencijskom toku, omogućavajući pouzdan rad zaštite od zemljanih kvarova.

Trenutno, zazemljivački transformatori instalirani u pretvorima služe dve svrhe:

• Snabdevanje niskim naponom struje za pomoćnu upotrebu u pretvorima;

• Stvaranje umetničke neutralne tačke na strani od 10 kV, koja - kombinovana sa arčnim dušilicom - kompenzira kapacitivni zemljanski kvarni tok tokom jednofaznih zemljanskih kvarova na 10 kV, time gašeći luk na mestu kvara. Princip je sledeći:

Duž cele dužine vodova u trofaznom sistemu snabdevanja strujom, postoje kapaciteti između faza i između svake faze i zemlje. Kada se neutralna tačka mreže ne čvrsto zazemljuje, kapacitet između faze i zemlje defektne faze postaje nula tokom jednofaznog zemljanskog kvara, dok fazni naponi druge dvije faze porastu na √3 puta normalni fazni napon. Iako ovaj povećani napon ne prelazi granicu izolacije dizajnirane za bezbednost, povećava se njihov kapacitet između faze i zemlje.

Kapacitivni struja greške na zemlju tokom jednofazne greške je približno tri puta veća od normalne kapacitivne struje po fazi. Kada je ova struja velika, lako dovodi do intermitentnog iskrsavanja, što dovodi do prenapona u LC rezonantnom krugu formiranom mrežnom induktivnošću i kapacitivnošću, sa magnitudama koje dostižu 2,5 do 3 puta faznu naponsku razliku. Što je mrežni napon veći, veći je rizik od ovih prenapona. Stoga se samo sistemi ispod 60 kV mogu koristiti sa nezazemljenim neutralom, jer su njihove jednofazne kapacitivne struje greške na zemlju relativno male. Za više naponske nivoe, mora se koristiti transformator za zazemljivanje kako bi se neutralna tačka spojila kroz impedans na zemlju.

Kada je 10 kV strana glavnog transformatora podstajnice spojena u delta ili wye bez neutralne tačke, i kada je jednofazna kapacitivna struja greške na zemlju velika, potreban je transformator za zazemljivanje da bi se stvorila umetnuta neutralna tačka, omogućavajući vezu sa koilom za potisk iskričenja. Ovo formira umetnut sistem zazemljenja neutralne tačke - glavna funkcija transformatora za zazemljivanje. Tijekom normalne operacije, transformator za zazemljivanje izdržava uravnoteženi mrežni napon i nosi samo malu pobudnu struju (bez opterećenja).

Razlika potencijala neutralne tačke i zemlje je nula (ignorišući manju smicanu naponsku razliku neutralne tačke od koile za potisk iskričenja), i nema struje koja prolazi kroz koilu za potisk iskričenja. Pretpostavljajući da se desi kratko spojenje faze C sa zemljom, nulto redni napon nastao asimetrijom tri faze teče kroz koilu za potisk iskričenja na zemlju. Poput same koile za potisk iskričenja, indukovana induktivna struja kompenzira kapacitivnu struju greške na zemlju, eliminirajući iskru u tački greške.

U poslednjih nekoliko godina, dogodilo se nekoliko pogrešnih radnji zaštite transformatora za zazemljivanje u 110 kV podstajnicama u određenoj regiji, teže utičući na stabilnost mreže. Da bi se identifikirale temeljne uzroke, analizirani su razlozi za ove pogrešne radnje, i implementirane su odgovarajuće mere kako bi se sprečilo ponavljanje i pružio referentni okvir za druge regije.

Trenutno, 10 kV ishodi u 110 kV podstajnicama sve više koriste kabelske ishode, znatno povećavajući jednofaznu kapacitivnu struju greške na zemlju u 10 kV sistemu. Da bi se smanjile magnituda prenapona tokom jednofaznih grešaka na zemlju, 110 kV podstajnice počele su instalirati transformatore za zazemljivanje kako bi implementirale shemu niskog otpora zazemljivanja, stvarajući put nulto redne struje. To omogućava selektivnu zaštitu nulto redne struje da izolira greške na zemlji prema lokaciji greške, sprečavajući ponovno iskrsavanje i prenapone, tako osiguravajući siguran snabdevanje mrežnog opreme.

Počevši od 2008. godine, određena regionalna mreža modernizovala je 10 kV sisteme 110 kV podstajnica na niski otpor zazemljivanja instaliranjem transformatora za zazemljivanje i pridružene uređaje za zaštitu. To omogućilo je brzo izolovanje bilo koje 10 kV ishodne greške na zemlji, minimizirajući uticaj na mrežu. Međutim, nedavno, pet 110 kV podstajnica u regionu doživelo je ponavljajuće pogrešne radnje zaštite transformatora za zazemljivanje, uzrokujući prekid rada podstajnice i teže utičući na stabilnost mreže. Stoga je identifikacija uzroka i implementacija ispravnih mera bitna za održavanje regionalne mrežne sigurnosti.

1. Analiza uzroka pogrešnih radnji zaštite transformatora za zazemljivanje

Kada 10 kV ishod doživi kratko spojenje sa zemljom, nulto redna zaštita na defektanom ishodu u 110 kV podstajnici treba da najpre radi kako bi izolirala grešku. Ako to ne učini ispravno, nulto redna zaštita transformatora za zazemljivanje će djelovati kao rezervna, aktivirajući prekidnik međuspojnica i obe strane glavnog transformatora kako bi izolirala grešku. Dakle, ispravna radnja 10 kV ishodne zaštite i prekidnika je ključna za sigurnost mreže. Statistička analiza pogrešnih radnji u pet 110 kV podstajnica pokazuje da je primarni uzrok neuspjeh 10 kV ishoda da ispravno otkloni greške na zemlji.

Princip 10 kV ishodne nulto redne zaštite:

Uzorkovanje nulto rednog CT-a → Aktivacija ishodne zaštite → Isključivanje prekidnika.
Iz ovog principa, nulto redni CT, relé ishodne zaštite i prekidnik su ključni komponenti za ispravnu radnju. Sledeća analiza razloga pogrešnih radnji sa ovih aspekata:

1.1 Greška nulto rednog CT-a uzrokuje pogrešnu radnju zaštite transformatora za zazemljivanje.
Tokom 10 kV ishodne greške na zemlji, nulto redni CT defektanog ishoda detektuje struju greške, aktivirajući svoju zaštitu da izolira grešku. Istovremeno, nulto redni CT transformatora za zazemljivanje takođe oseća struju greške i inicira zaštitu. Da bi se osigurala selektivnost, 10 kV ishodna nulto redna zaštita postavljena je sa nižim strujnim i kraćim vremenskim podešavanjima od zaštite transformatora za zazemljivanje. Podešavanja struje: transformator za zazemljivanje—75 A primarna, 1,5 s za isključivanje 10 kV međuspojnica, 1,8 s za blokiranje 10 kV automatskog prebacivanja, 2,0 s za isključivanje niskonaponske strane transformatora, 2,5 s za isključivanje obje strane; 10 kV ishod—60 A primarna, 1,0 s za isključivanje prekidnika.

Međutim, greške CT-ova su neizbežne. Ako transformator za zazemljivanje ima -10% grešku, a ishodni CT +10% grešku, stvarne radne struje postaju 67,5 A i 66 A—skoro jednake. Oslanjajući se samo na vremensko podešavanje, 10 kV ishodna greška na zemlji lako može dovesti do premature aktivacije nulto redne prekomjerne struje zaštite transformatora za zazemljivanje.

1.2 Neispravno zazemljenje štita kabla uzrokuje pogrešnu radnju.
110 kV podstajnice 10 kV ishodi koriste ekranirane kablove sa zazemljenim štitom na oba kraja—uobičajena praksa za smanjenje EMI. Nulto redni CT-ovi su toroidni tipovi instalirani oko kabla na izlaznim terminalima aparata. Tokom grešaka na zemlji, neravnotežne struje indukuju signale u CT-u da bi aktivirali zaštitu. Međutim, sa zazemljenjem štita na oba kraja, indukovane struje u štitu takođe prođu kroz nulto redni CT, stvarajući lažne signale. Bez pravilne mitigacije, ovo ometa preciznost ishodne nulto redne zaštite, dovodeći do rezervne radnje zaštite transformatora za zazemljivanje.

1.3 Neispravna 10 kV ishodna zaštita uzrokuje pogrešnu radnju.

Savremenim mikroprocesorskim reléima nude se poboljšana performansa, ali varijabilna kvalitet proizvođača i loša disipacija toplote ostaju problemi. Statistika grešaka pokazuje da su moduli snabdjevanja strujom, uzorkovalne ploče, CPU ploče i moduli izlaza za isključivanje u 10 kV ishodnim zaštita najosjetljiviji na greške. Neotkriveni defekti mogu dovesti do odbijanja zaštite, aktivirajući pogrešnu radnju zaštite transformatora za zazemljivanje.

1.4 Neispravnost prekidnika na ishodu od 10 kV koja dovodi do pogrešnog funkcionisanja.
U skladu sa starenjem, čestim operacijama ili inherentnim kvalitetom, neispravnosti aparata za 10 kV - posebno u upravljačkim krugovima - se povećavaju. U manje razvijenim planinskim područjima, stariji aparati GG-1A su još uvek u upotrebi sa većom stopom grešaka u zemljaju. Čak i ako nula-sekvencijska zaštita pravilno funkcioniše, neispravnost prekidnika (na primer, opeklo zavojnice za prekid koji sprečava rad) dovodi do pogrešnog funkcionisanja transformatora za zemlju.

1.5 Visok impedansni zemljaju na dva ishoda od 10 kV (ili težak jedinstveni visok impedansni zemljaj) koji dovode do pogrešnog funkcionisanja.
Kada dva ishoda iskusivaju visok impedansni zemljaj na istoj fazi, pojedinačne nula-sekvencijske struje mogu ostati ispod praga od 60 A (na primer, 40 A i 50 A), tako da zaštite ishoda samo alarmiraju. Međutim, ukupna struja (90 A) prevazilazi postavku transformatora za zemlju od 75 A, što dovodi do preuranjenog prekida. Sa kompletno kabelskim ishodima od 10 kV, normalne kapacitivne struje mogu doseći 12-15 A. Čak i jedan težak visok impedansni zemljaj (na primer, 58 A) plus normalna kapacitivna struja se približava 75 A. Tada bi oscilacije sistema lako mogle pokrenuti pogrešno funkcionisanje transformatora za zemlju.

2.Mere za sprečavanje pogrešnog funkcionisanja zaštite transformatora za zemlju

Na osnovu gore navedene analize, preporučuju se sledeće mere:

2.1 Za sprečavanje pogrešnog funkcionisanja uzrokovanog greškom CT-a
Koristiti visokokvalitetne nula-sekvencijske CT-e; strogo testirati karakteristike CT-a pre instalacije i odbaciti one sa greškom preko 5%; postaviti vrednosti preuzimanja zaštite na osnovu primarnih struja; verifikovati podešavanja primarnim ubrizgavanjem.

2.2 Za sprečavanje pogrešnog zemljanja štita kabla

• Konduktori za zemljanje štita kabla moraju proći nadole kroz nula-sekvencijski CT i biti izolovani od nosača kabla. Pre prolaženja kroz CT ne sme nastupiti kontakt sa zemljom. Otkriti metaličke krajeve za primarno ubrizgavanje; pouzdano izolovati ostatak.

• Ako je tačka zemljanja štita ispod CT-a, konduktor ne sme proći kroz CT. Izbegavati voditi konduktor za zemljanje štita kroz sredinu CT-a.

• Pojačati tehničko obuku kako bi timovi za relejnu zaštitu i kablove potpuno shvatili metode instalacije CT-a i zemljanja štita.

• Jačanje procedura prihvatanja putem zajedničkih inspekcija timova za releje, operacije i kablove.

2.3 Za sprečavanje neispravnosti zaštite ishoda
Izabrati dokazane, pouzdane uređaje za zaštitu; zamijeniti starosedele ili često kvarne jedinice; pojačati održavanje; instalirati klimu i ventilaciju kako bi se spriječilo rad na visokoj temperaturi.

2.4 Za sprečavanje neispravnosti prekidnika ishoda
Koristiti pouzdane, zrele aparate; isfazirati stare ormare GG-1A u korist zatvorenih, sprężnih ili električno napunjenih tipova; održavati upravljačke krugove; koristiti visokokvalitetne zavojnice za prekid.

2.5 Za sprečavanje pogrešnog funkcionisanja uzrokovanog visokim impedansom
Odmah patrolirati i popraviti ishode nakon alarma nula-sekvencijske zaštite; smanjiti dužine ishoda; balansirati faze opterećenja kako bi se smanjile normalne kapacitivne struje.

3. Zaključak

Kako sve više regionalnih mreža instalira transformatore za zemlju i pripadajuću zaštitu kako bi poboljšale strukturu i stabilnost, ponavljajuće incidenti pogrešnog funkcionisanja ističu potrebu da se riješe negativni efekti. Ovaj rad analizira glavne uzroke pogrešnog funkcionisanja zaštite transformatora za zemlju i predlaže protumeđure, pružajući smernice za regije koje su instalirale ili planiraju instalirati takve sisteme.