Jordtransformatorsskydd: Oegentliga funktioner & åtgärder i 110kV-anläggningar
I Kinas eldnät, använder 6 kV, 10 kV och 35 kV nät i allmänhet en obeläggd driftsättning för neutralpunkten. Fördelningsvoltagesidan av huvudtransformatorn i nätet är vanligtvis ansluten i triangelkonfiguration, vilket ger ingen neutralpunkt för att ansluta en beläggningsresistor.
När ett enfasbeläggningsskada uppstår i ett system med obeläggd neutralpunkt, förblir spänningstriangeln mellan ledarna symmetrisk, vilket har minimal inverkan på användaroperationer. Dessutom, när kapacitiv ström är relativt liten (mindre än 10 A), kan vissa tillfälliga beläggningsskador självdämpa, vilket är mycket effektivt för att öka tillförlitligheten i elförsörjningen och minska strömavbrott.
Med det kontinuerliga utvecklandet och expansionen av energisektorn, uppfyller denna enkla metod inte längre dagens krav. I moderna stadsnät, har den ökade användningen av kabellösningar lett till betydligt större kapacitiva strömmar (över 10 A). Under sådana förhållanden, kan beläggningssparken inte pålitligt släckas, vilket leder till följande konsekvenser:
Intermittent släckning och återupptändning av enfasbeläggningssparken genererar överspänningar mellan jord och ledare med amplituder som når upp till 4U (där U är toppfasvoltage) eller ännu högre, vilket varar under lång tid. Detta utgör allvarliga hot mot isoleringen av elektrisk utrustning, vilket kan orsaka genombrott vid svaga isoleringspunkter och leda till stora förluster.
Fortsatt sparkning orsakar luftionisering, vilket försämrar isoleringen av omgivande luft och gör fas-till-fas kortslutningar mer troliga.
Ferroresonansöverspänningar kan uppstå, vilket lätt kan skada spänningsomvandlare (PT) och överspänningsbegränsare, och i allvarliga fall, kan till och med orsaka explosioner av överspänningsbegränsare. Dessa konsekvenser hotar allvarligt isoleringen av nätutrustning och hotar säkerheten i elförsörjningen.
För att förhindra olyckor som nämns ovan och för att ge tillräcklig nollsekvensström och spänning för pålitlig drift av beläggningsskydd, måste en artificiell neutralpunkt skapas så att en beläggningsresistor kan anslutas. För att möta detta behov, utvecklades beläggningstransformatorer (vanligtvis kallade "beläggningselement"). En beläggningstransformator skapar artificiellt en neutralpunkt med en beläggningsresistor, vanligtvis med en mycket låg resistansvärde (vanligtvis mindre än 5 ohm).
På grund av dess elektromagnetiska egenskaper, visar beläggningstransformatoren hög impedans mot positiv- och negativsekvensströmmar, vilket endast tillåter en liten uppmuntringsström att flöda genom dess vindningar. På varje kärnlimb, är två vindningssektioner virade i motsatta riktningar. När lika stora nollsekvensströmmar flödar genom dessa vindningar på samma kärnlimb, presenterar de låg impedans, vilket resulterar i minimal spänningsfall över vindningarna under nollsekvensförhållanden.
Under en beläggningsskada, flödar positiv-, negativ- och nollsekvensströmmar genom vindningarna. Vindningen visar hög impedans mot positiv- och negativsekvensströmmar, men för nollsekvensström, är de två vindningarna på samma fas seriekopplade med motsatt polaritet. Deras inducerade elektromotoriska krafter är lika stora men motsatta i riktning, vilket effektivt tar ut varandra, vilket ger låg impedans.
I många tillämpningar används beläggningstransformatorer enbart för att skapa en neutralpunkt med en liten beläggningsresistor och levererar ingen last; därför är många beläggningstransformatorer designade utan sekundär vindning. Under normal nätoperation, opererar beläggningstransformatorn nästan utan last. Men under en fel, bär den felström endast under en kort tidsperiod.
I ett nät med låg-resistansbeläggning, när en enfasbeläggningsskada uppstår, identifierar och isolerar mycket känsligt nollseknesskydd snabbt den felaktiga utföraren. Beläggningstransformatorn är aktiv endast under den korta perioden mellan uppkomsten av beläggningsskadan och operationen av nollseknesskyddet för att rensa felet. Under denna tid, flödar nollsekvensström genom den neutrala beläggningsresistorn och beläggningstransformatorn, givet av
där U är systemets fasvoltage, R1 är den neutrala beläggningsresistorn, och R2 är den ytterligare resistansen i beläggningsskadelöopen.
Baserat på ovanstående analys, är driftsegenskaperna för beläggningstransformatorer: långtidslastlöpning med korttidsoverbeläggning.
Sammanfattningsvis skapar en beläggningstransformator artificiellt en neutralpunkt för att ansluta en beläggningsresistor. Under en beläggningsskada, visar den hög impedans mot positiv- och negativsekvensströmmar men låg impedans mot nollsekvensström, vilket möjliggör pålitlig drift av beläggningsskydd.
Nuvarande beläggningstransformatorer installerade i ombudsstationer har två syften:
Att leverera lågspänningsväxelström för ombudsstationers hjälpbruk;
Att skapa en artificiell neutralpunkt på 10 kV-sidan, vilket, kombinerat med en sparkningsdämpare, kompenserar kapacitiv beläggningsskade-ström under 10 kV enfasbeläggningsskador, vilket släcker sparken vid felpunkten. Principen är följande:
Längs hela längden av transmissionslinjer i ett trefasnät, finns kapaciteter mellan faser och mellan varje fas och mark. När nätets neutralpunkt inte är solidt beläggd, blir fas-till-mark kapaciteten för den felaktiga fasen noll under en enfasbeläggningsskada, medan fas-till-mark spänningen för de andra två faserna ökar till √3 gånger den normala fasvoltage. Även om denna ökade spänning inte överstiger isoleringsstyrkan som är designad för säkerhet, ökar den deras fas-till-mark kapaciteter.
Den kapacitiva jordfelströmmen vid ett enfasigt fel är ungefär tre gånger den normala kapacitiva strömmen per fas. När denna ström är stor kan den lätt orsaka intermittenter bågledning, vilket leder till överspänningar i LC-resonanskretsen som bildas av nätets induktans och kapacitans, med amplituder som når 2,5 till 3 gånger fasspänningen. Ju högre nätspänning, desto större risk från sådana överspänningar. Därför får endast system under 60 kV köras med isolerad nollpunkt, eftersom deras kapacitiva jordfelströmmar vid enfasiga fel är relativt små. För högre spänningsnivåer måste en jordningstransformator användas för att ansluta neutralpunkten via impedans till jord.
När 10 kV-sidan på en transformator i en omvandlingsstation är kopplad i triangel eller Y utan neutralpunkt, och den kapacitiva jordfelströmmen vid enfasigt fel är stor, krävs en jordningstransformator för att skapa en konstlad neutralpunkt, vilket möjliggör anslutning till en bågsläckningsspole. Detta bildar ett konstlat system för jordning av neutralpunkten – detta är huvudfunktionen hos jordningstransformatorn. Under normal drift utsätts jordningstransformatorn för balanserad nätspänning och för driver endast en liten magnetiseringsström (tomgångsdrift).
Potentialskillnaden mellan neutralpunkten och jord är noll (försummar man liten förskjutningsspänning från bågsläckningspolen), och ingen ström går genom bågsläckningspolen. Om man antar att ett kortslutningsfel uppstår mellan fas C och jord kommer nollsekvensspänningen som uppstår p.g.a. trefasobalansen att leda genom bågsläckningspolen till jord. Precis som med bågsläckningspolen kompenseras den inducerade induktiva strömmen mot den kapacitiva jordfelströmmen, vilket släcker bågen vid felplatsen.
Under de senaste åren har flera felaktiga aktiveringar av skyddet för jordningstransformatorer inträffat i 110 kV-omvandlingsstationer inom en viss region, vilket allvarligt påverkat nätets stabilitet. För att identifiera rotorsakerna utfördes analyser av orsakerna till dessa felaktiga aktiveringar, och motsvarande åtgärder vidtogs för att förhindra upprepning samt ge referensmaterial för andra regioner.
För närvarande använder 10 kV-ledningar i 110 kV-omvandlingsstationer alltmer kabelutgångar, vilket betydligt ökar den kapacitiva jordfelströmmen vid enfasiga fel i 10 kV-systemet. För att begränsa storleken på överspänningar vid enfasiga jordfel har 110 kV-omvandlingsstationer börjat installera jordningstransformatorer för att implementera ett system med låg resistansjordning, och därigenom skapa en väg för nollsekvensström. Detta gör att selektivt nollsekvensskydd kan isolera jordfel baserat på felplats, förhindra återantändning av båge och överspänningar, och därmed säkerställa säker elkraftsförsörjning till utrustning i nätet.
Från och med 2008 moderniserade ett visst regionalt nät sina 10 kV-system i 110 kV-omvandlingsstationer till lågresistiv jordning genom att installera jordningstransformatorer och associerade skyddsutrustningar. Detta gjorde det möjligt att snabbt isolera varje jordfel på 10 kV-ledning och minimera påverkan på nätet. Men nyligen har fem 110 kV-omvandlingsstationer i regionen upplevt upprepade felaktiga aktiveringar av skyddet för jordningstransformatorer, vilket orsakat avbrott i stationerna och allvarligt stört nätets stabilitet. Därför är det avgörande att identifiera orsakerna och vidta rätt åtgärder för att säkerhetsställa regionala näts säkerhet.
1. Analys av orsaker till felaktig aktivering av skydd för jordningstransformator
När en 10 kV-ledning drabbas av ett jordkortslutningsfel bör nollsekvensskyddet på den felande ledningen i 110 kV-omvandlingsstationen först aktiveras för att isolera felet. Om det inte fungerar korrekt kommer istället jordningstransformatorns nollsekvensskydd att agera som reserv och lösa ut busskopplingsbrytaren och brytarna på båda sidor av huvudtransformatorn för att isolera felet. Korrekt funktion av skydd och brytare för 10 kV-ledningar är därför avgörande för nätets säkerhet. Statistisk analys av felaktiga aktiveringar i fem 110 kV-omvandlingsstationer visar att huvudsakliga orsaken är att 10 kV-ledningarna inte korrekt eliminerar jordfel.
Princip för nollsekvensskydd på 10 kV-ledning:
Nollsekvens-CT-matning → Aktivering av ledningsskydd → Brytarutlösning.
Enligt denna princip är nollsekvens-CT, ledningsskyddsrelä och brytare nyckelkomponenter för korrekt funktion. Följande analys fokuserar på felorsaker ur dessa aspekter:
1.1 Fel i nollsekvens-CT som orsakar felaktig aktivering av skydd för jordningstransformator.
Vid ett jordfel på en 10 kV-ledning upptäcker ledningens nollsekvens-CT felströmmen och utlöser skyddet för att isolera felet. Samtidigt registrerar också jordningstransformatorns nollsekvens-CT felströmmen och initierar skydd. För att säkerställa selektivitet är inställningarna för ström och tid på 10 kV-ledningens nollsekvensskydd satta lägre och kortare än för jordningstransformatorns skydd. Ströminställningar: jordningstransformator—75 A primär, 1,5 s för att lösa ut 10 kV busskoppling, 1,8 s för att blockera 10 kV automatisk överföring, 2,0 s för att lösa ut transformatorns lågspänningsida, 2,5 s för att lösa ut båda sidor; 10 kV-ledning—60 A primär, 1,0 s för att lösa ut brytaren.
Fel i mättransformatorer är dock oundvikliga. Om jordningstransformatorns CT har ett -10 % fel och ledningens CT har ett +10 % fel blir de faktiska arbetsströmmarna 67,5 A respektive 66 A – nästan lika. Enbart beroende på tidsstegring kan ett jordfel på en 10 kV-ledning därför lätt orsaka att jordningstransformatorns nollsekvensöverströmsskydd löser ut för tidigt.
1.2 Felaktig jordning av kabelskärm som orsakar felaktig aktivering.
110 kV-omvandlingsstationers 10 kV-ledningar använder skärmade kablar med skärmen jordad i båda ändar – en vanlig metod för att minska elektromagnetisk störning. Nollsekvens-CT är ringformade och monterade runt kablar vid switchgear-utgångar. Vid jordfel induceras obalanserade strömmar signaler i CT:n som aktiverar skyddet. Men med dubbeländad jordning av skärmen passerar även inducerade strömmar i skärmen genom nollsekvens-CT, vilket skapar falska signaler. Utan lämplig mitigering försämras noggrannheten i ledningens nollsekvensskydd, vilket leder till att reservskyddet i jordningstransformatorn utlöser.
1.3 Fel i 10 kV-ledningsskydd som orsakar felaktig aktivering.
Modern mikroprocessorbaserad reläteknik erbjuder förbättrad prestanda, men kvaliteten mellan olika tillverkare varierar och dålig värmeavledning kvarstår som ett problem. Felstatistik visar att strömförsörjningsmoduler, mätmoduler, CPU-moduler och utlösningsutgångsmoduler i 10 kV-ledningsskydd är de delar som oftast missfungerar. Outidentifierade fel kan orsaka att skyddet inte aktiveras, vilket i sin tur utlöser felaktig aktivering av jordningstransformatorns skydd.
1.4 Fel på 10 kV utgångsbrytare orsakar felaktig drift.
Med ålder, frekventa operationer eller inbyggda kvalitetsproblem ökar fel på 10 kV brytarutrustning—särskilt i styrkretsar. I mindre utvecklade bergiga områden finns äldre GG-1A-brytarutrustning fortfarande i drift med högre hastigheter av jordfel. Även om nollsekvensskyddet fungerar korrekt, leder brytarfel (till exempel en bränd trip-spole som förhindrar drift) till felaktig drift av jordtransformatorn.
1.5 Högimpedansiga jordfel på två 10 kV utgångar (eller ett allvarligt enskilt högimpedansigt fel) orsakar felaktig drift.
När två utgångar upplever samma fasens högimpedansiga jordfel kan de individuella nollsekvensströmmarna ligga under tröskelvärdet på 60 A (till exempel 40 A och 50 A), så utgångsskydd endast varnar. Men den summerade strömmen (90 A) överstiger jordtransformatorns inställning på 75 A, vilket orsakar förtidig koppling. För fullständigt kablat 10 kV-nät kan normala kapacitiva strömmar nå 12–15 A. Ett enda allvarligt högimpedansigt fel (till exempel 58 A) plus normal kapacitiv ström närmar sig 75 A. Systemsvängningar kan då lätt utlösa felaktig drift av jordtransformatorn.
2.Åtgärder för att förhindra felaktig drift av skydd för jordtransformator
Baserat på ovanstående analys rekommenderas följande åtgärder:
2.1 För att förhindra felaktig drift orsakad av CT-fel
Använd högkvalitativa nollsekvens-CT:er; testa CT-egenskaper noggrant innan installation och avvisa alla med >5% fel; ställ in skyddsinläsningsvärden baserat på primärström; verifiera inställningar genom primärinmatningstest.
2.2 För att förhindra felaktig skärmjordning av kablar
Skärmjordningsledningar för kablar måste passera nedåt genom nollsekvens-CT:en och vara isolerade från kabellistor. Inget jordkontakt ska inträffa innan ledningen passerar genom CT:en. Exponera metalländar för primärinmatningstest; isolera resten pålitligt.
Om skärmjordningspunkten ligger under CT:en får ledningen inte passera genom CT:en. Undvik att röra skärmjordningsledningen genom mitten av CT:en.
Förbättra teknisk utbildning så att reläskydd och kablagrupper fullständigt förstår CT- och skärmjordningsinstallationer.
Förstärk acceptansförfaranden med gemensamma inspektioner av relä, drift och kablagrupper.
2.3 För att förhindra utgångsskyddfel
Välj beprövade, pålitliga skyddsenheter; ersätt äldre eller ofta defekta enheter; förbättra underhåll; installera luftkonditionering och ventilering för att förhindra drift vid höga temperaturer.
2.4 För att förhindra utgångsbrytarfel
Använd pålitlig, mogen brytarutrustning; ersätt gamla GG-1A-kabiner med tätade, fjädrings- eller motorladdade typer; underhåll styrkretsar; använd högkvalitativa trip-spolor.
2.5 För att förhindra felaktig drift vid högimpedansiga fel
Genomför omedelbara patruller och reparationer av utgångar vid nollsekvensalarm; reducera utgångslängd; balansera fasbelastningar för att minimera normala kapacitiva strömmar.
3. Slutsats
När fler regionala nät installerar jordtransformatorer och associerade skydd för att förbättra struktur och stabilitet framhäver återkommande incidenter av felaktig drift behovet av att hantera negativa effekter. Denna artikel analyserar huvudsakliga orsaker till felaktig drift av skydd för jordtransformatorer och föreslår motåtgärder, vilket ger vägledning för regioner som har installerat eller planerar att installera sådana system.
