Ulinzi wa Trafomaa ya Kuchomoza: Sababu za Upungufu na Hatua za Kusaidia katika Mstahimili wa 110kV

Katika mizizi ya umeme wa China, mizizi ya 6 kV, 10 kV, na 35 kV mara nyingi huchukua mfumo wa kutumia neutral-point ungrounded. Upande wa voltage wa distribution wa transformer mkuu katika mizizi unajihusishana kwa muundo wa delta, ambayo haipe anuwai ya kuunganisha grounding resistor.

Wakati hutokana na hitilafu ya ground single-phase katika mfumo wa neutral-point ungrounded, pembenoni ya line-to-line inabaki sawa, ikisababisha athari ndogo sana kwenye mikakati ya wateja. Pia, wakati current ya capacitive ni ndogo (chini ya 10 A), baadhi ya hitilafu za ground zinaweza kujifunika, ambayo ni ya maana sana kwa kuimarisha uhakika wa kupatikana ya umeme na kupunguza majanga ya umeme.

Hata hivyo, kwa ukuaji na maendeleo ya endelezo ya sekta ya umeme, njia hii ya furaha haingefanikiwa kufikia mahitaji ya leo. Katika mizizi ya umeme ya jiji la kisasa, matumizi mengi ya circuits za cable yameongeza current ya capacitive (zaidi ya 10 A). Kwa hali hii, arc ya ground haiwezi kujifunika kwa uhakika, kusababisha maslahi ifuatavyo:

• Mwishowe kujifunika na kuanza tena kwa arc ya single-phase ground huundesha overvoltages za arc-ground ambazo ni chini ya 4U (ambapo U ni phase voltage peak) au zaidi, yanayolipana muda mrefu. Hii huwapa hatari kubwa kwa insulation ya vifaa vya umeme, inaweza kusababisha kuvunjika kwenye sehemu nyepesi na kuleta hasara kubwa.

• Arcing inaendelea kusababisha ionization ya hewa, kushinda insulation ya hewa yenye makaribu na kufanya short circuits ya phase-to-phase kuwa rahisi zaidi.

• Ferroresonance overvoltages zinaweza kutokea, zinaweza kuharibu potential transformers (PTs) na surge arresters, na kwa hali mbaya zaidi, zinaweza kusababisha upanuliwa wa arresters. Maslahi haya yanasababisha hatari kwa insulation ya vifaa vya grid na kuhakikisha usalama wa kazi ya mizizi ya umeme.

Kupunguza ajali zilizotaja hivi na kuwasilisha current na voltage za zero-sequence kwa uhakika kwa protection ya ground fault, lazima tuunda neutral point artificial ili kuweze kunganisha grounding resistor. Kusaidia hii, grounding transformers (kutegemea kama "grounding units") ziliundwa. Transformer wa grounding huunda neutral point artificial na grounding resistor, mara nyingi na resistance chache (zaidi ya chini ya 5 ohms).

Zaidi ya hii, kutokana na sifa zake electromagnetic, transformer wa grounding huonyesha impedance kubwa kwa positive- na negative-sequence currents, kunawezesha tu current chache cha excitation kuyoka kwenye windings zake. Kwenye kila core limb, section mbili za winding zinaorodheshwa kinyume. Wakati zero-sequence currents sawa yanayoka kwenye windings hizo kwenye core limb moja, zinaonyesha impedance chache, kusababisha drop chache cha voltage kwenye windings kwa hali za zero-sequence.

Wakati hutokana na hitilafu ya ground, positive-, negative-, na zero-sequence currents yanayoka kwenye windings. Winding huonyesha impedance kubwa kwa positive- na negative-sequence currents, lakini kwa zero-sequence current, windings mbili kwenye phase moja zinajihusishana kwa polarity tofauti. Electromotive forces zao zinazopatikana ni sawa kwa ukubwa lakini kinyume kwa mzunguko, kwa hiyo kuzingatia kinyume, kusababisha impedance chache.

Katika nguvu nyingi, grounding transformers zinatumika tu kwa kutenga neutral point na grounding resistor ndogo na hazitoshibiri load; kwa hiyo, transformers nyingi za grounding zimeundwa bila secondary winding. Wakati wa kazi ya asili ya grid, transformer wa grounding anategemea kwa kiwango chache sana. Lakini, wakati hutokana na hitilafu, anategemea current ya hitilafu tu kwa muda mfupi.

Katika mfumo wa neutral-point low-resistance grounded, wakati hutokana na hitilafu ya ground single-phase, zero-sequence protection yenye sensitivity kubwa huidentifikia na kuzuia kwa muda feeder mzima. Transformer wa grounding anategemea tu kwa muda mfupi kati ya kutokana na hitilafu ya ground na kazi ya zero-sequence protection kutekeleza hitilafu. Wakati huo, zero-sequence current inayoka kwenye neutral grounding resistor na transformer wa grounding, kulingana na

ambapo U ni system phase voltage, R1 ni neutral grounding resistor, na R2 ni resistance zaidi katika circuit ya ground fault.

Kulingana na tathmini hii, sifa za kazi za transformer wa grounding ni: kazi ya no-load kwa muda mrefu na uwezo wa overload kwa muda mfupi.

Kwa mujibu wa taarifa hizi, transformer wa grounding huunda neutral point artificial ili kuunganisha grounding resistor. Wakati hutokana na hitilafu ya ground, anaponyesha impedance kubwa kwa positive- na negative-sequence currents lakini impedance chache kwa zero-sequence current, kusaidia kazi ya uhakika ya protection ya ground fault.

Sasa, transformers wa grounding zilitengenezwa katika substations zinachukua matumizi:

• Kutosha AC power ya chini ya voltage kwa matumizi ya auxiliary ya substation;

• Kudunda neutral point artificial kwenye upande wa 10 kV, ambayo—katika pamoja na arc suppression coil—huchukua current ya capacitive ground fault wakati hutokana na hitilafu ya 10 kV single-phase, kusababisha kujifunika kwa arc kwenye sehemu ya hitilafu. Sura ni ifuatavyo:

Kwenye muda wa kabisa wa transmission lines katika mizizi ya umeme ya three-phase, capacitances zipo kati ya phases na kati ya kila phase na ground. Wakati neutral ya grid haijafundishwa kwa kutosha, capacitance ya phase-to-ground ya phase iliyohitilafu huiwa zero wakati hutokana na hitilafu ya single-phase, ingawa voltages za phase-to-ground za phases mbili zingine zinajiruka hadi √3 mara voltage ya asili ya phase. Ingawa ukurasa huu unaongezeka haukiwa juu ya insulation strength iliyoundwa kwa usalama, unongeza capacitance yao ya phase-to-ground.

Ukame wa mizizi kati ya barabara moja tu ina jadi mara tatu ya ukame wa mizizi wa kawaida kwa kila barabara. Waktu huu ukame ni mkubwa, binafsi anaweza kuunda mafuta tofauti, kusababisha overvoltages katika mfumo wa LC resonant unaojengwa na inductance na capacitance ya grid, ambayo inaweza kujitokezea mara 2.5 hadi 3 za umbo la voltage. Ingawa voltage ya grid inaongezeka, hatari kutokana na overvoltages hizo inongezeka pia. Kwa hiyo, tu mfumo wa chini ya 60 kV zinaweza kufanya kazi bila grounding neutral, kwa sababu ukame wa mizizi wake wa ground fault wa barabara moja tu ni ndogo. Kwa kiwango cha voltage cha juu, transformer wa grounding lazima uatumike ili kuunganisha pointi neutral kupitia impedance.

Waktu upande wa 10 kV wa transformer mkuu wa substation unajulikana kama delta au wye bila pointi neutral, na ukame wa mizizi wa ground fault wa barabara moja tu ni mkubwa, transformer wa grounding unahitajika kujenga pointi neutral ya binadamu, ikipinganisha kwenye arc suppression coil. Hii hutengeneza mfumo wa artificial neutral grounding—chukuo muhimu la transformer wa grounding. Waktu kazi ya kawaida, transformer wa grounding huchukua voltage ya sawa ya grid na hutoa current ya excitation ndogo tu (hali ya mtoto).

Tofauti ya potential kati ya neutral na ardhi ni sifuri (ingoringe voltage ndogo ya displacement ya neutral kutokana na arc suppression coil), na hakuna current inatoka kwenye arc suppression coil. Ikiwa tatizo la ground short circuit lipo kwenye phase-C, zero-sequence voltage kutokana na usafi mbaya wa three-phase hutoka kwenye arc suppression coil kuelekea ardhi. Kama arc suppression coil yenyewe, induced inductive current hutambua kwa capacitive ground fault current, kurekebisha mafuta kwenye pointi ya tatizo.

Mnamo miaka mingi, misoperations nyingi za protection ya transformer wa grounding imefanyika katika substations za 110 kV katika eneo fulani, kusababisha athari kali za ustawi wa grid. Kutafuta sababu msingi, maanalizi yametendeka kuhusu sababu za misoperations hizo, na hatua zinazohusiana zimeundwa kuzuia kurudi tena na kukusanya chochote kingine.

Sasa, feeders za 10 kV katika substations za 110 kV zinatumia vipepeo vya cable zaidi, kuboresha ukame wa mizizi wa ground fault wa barabara moja tu katika mfumo wa 10 kV. Ili kupunguza overvoltage magnitude wakati wa ground faults ya barabara moja tu, substations za 110 kV zimeanza kuweka transformers wa grounding kutekeleza schemi ya low-resistance grounding, kutengeneza njia ya zero-sequence current. Hii inaruhusu zero-sequence protection ya selective kuzingatia ground faults kutegemea na eneo la tatizo, kurekebisha mafuta na overvoltage, kuhakikisha usalama wa power supply kwa vifaa vya grid.

Tangu mwaka wa 2008, grid fulani imerekebisha mfumo wa 10 kV wa substations zake za 110 kV kwa low-resistance grounding kwa kuweka transformers wa grounding na vifaa vya protection vilivyovumilika. Hii iliyasaidia kuzuia tatizo lolote la ground fault wa feeder wa 10 kV haraka, kupunguza athari za grid. Lakini, mapema, substations tano za 110 kV zimepata misoperations mara nyingi za protection ya transformer wa grounding, kusababisha utangulizi wa substations na kuleta athari kali za ustawi wa grid. Kwa hiyo, kutafuta sababu na kutengeneza hatua ni muhimu kwa usalama wa grid wa eneo.

1. Maanalizi ya Sababu za Misoperation ya Protection ya Transformer wa Grounding

Wakati feeder wa 10 kV ana tatizo la ground short-circuit, zero-sequence protection ya feeder ya tatizo katika substation ya 110 kV yanapaswa kufanya kazi kwanza kuzuia tatizo. Ikiwa haiyafanyi kazi vizuri, zero-sequence protection ya transformer wa grounding itakuwa backup, kuzuia bus tie breaker na pande zote mbili za transformer mkuu. Kwa hiyo, kazi sahihi ya protection ya feeder ya 10 kV na breakers ni muhimu kwa usalama wa grid. Tathmini ya misoperations katika substations tano za 110 kV inadhowa kuwa sababu msingi ni uharibifu wa feeders wa 10 kV kuzuia ground faults vizuri.

Principle ya Zero-Sequence Protection ya Feeder wa 10 kV:

Sampling ya zero-sequence CT → Activation ya protection ya feeder → Tripping ya circuit breaker.
Kutokana na principle hii, zero-sequence CT, protection relay ya feeder, na circuit breaker ni vifaa muhimu kwa kazi sahihi. Hapa inaonesha sababu za misoperation kutokana na vifaa hivi:

1.1 Takwimu ya zero-sequence CT inayosababisha misoperation ya protection ya transformer wa grounding.
Wakati wa ground fault wa feeder wa 10 kV, zero-sequence CT wa feeder wa tatizo huonekana current ya tatizo, kutokana na protection yake kuzuia tatizo. Pia, zero-sequence CT wa transformer wa grounding huonekana current ya tatizo na kuanza protection. Kupewa selectivity, zero-sequence protection ya feeder wa 10 kV imepatikana na current chache na muda mfupi kuliko protection ya transformer wa grounding. Current settings: transformer wa grounding—75 A primary, 1.5 s kuzuia 10 kV bus tie, 1.8 s kuzuia 10 kV auto-transfer, 2.0 s kuzuia transformer low-voltage side, 2.5 s kuzuia pande zote; feeder wa 10 kV—60 A primary, 1.0 s kuzuia breaker.

Lakini, takwimu za CT ni hayo husika. Ikiwa CT wa transformer wa grounding ana takwimu -10% na CT wa feeder ana +10%, current operating actual zinakuwa 67.5 A na 66 A—karibu sawa. Kutumia tu grading ya muda, ground fault wa feeder wa 10 kV inaweza kusababisha zero-sequence overcurrent protection ya transformer wa grounding kufanya kazi mapema.

1.2 Grounding ya shield ya cable isiyosahihi inayosababisha misoperation.
Feeders wa 10 kV wa substations za 110 kV hutoa cables zenye shield, ambazo zinagrounding pande zote—kutokana na EMI mitigation practice. Zero-sequence CTs ni aina za toroidal zinazowekwa kwenye cables kwenye outgoing terminals ya switchgear. Wakati wa ground faults, currents zisizosawa zinatengeneza signals kwenye CT kuanza protection. Lakini, na grounding ya pande zote, currents zinazotengenezwa kwenye shield zinapita kwenye zero-sequence CT, kutengeneza signals false. Bila mitigation sahihi, hii hutengeneza accuracy ya zero-sequence protection ya feeder, kusababisha tripping ya backup ya transformer wa grounding.

1.3 Uharibifu wa protection ya feeder wa 10 kV unayosababisha misoperation.

Relays za microprocessor za sasa zinatoa performance bora, lakini ubora wa manufacturer na heat dissipation chache zinaenda mbadala. Tathmini ya faults inadhowa kuwa modules za power supply, sampling boards, CPU boards, na trip output modules katika protections za feeder wa 10 kV ni zinazopata uharibifu zaidi. Faults isiyozinduliwa zinaweza kusababisha protection refusal, kusababisha misoperation ya transformer wa grounding.

1.4 Kivuvi kwenye breaker ya mchakato wa umeme wa 10 kV unachopatana na misimamizi.
Kwa sababu ya uzee, utendaji wa mara kwa mara, au matatizo ya ubora, matatizo yanayopatikana kwenye vifaa vya kuchakata umeme wa 10 kV—hasa katika mitandao ya kudhibiti—yanazidi kuongezeka. Katika maeneo madogo ya milima, vifaa vya kuchakata umeme GG-1A vilivyovumilia vilivyokuwa zilipitishwa zinaendelea kutumika na kiwango kimoja cha matatizo ya ground fault kilichounguja. Hata ikiwa uwezo wa zero-sequence protection unaendelea vizuri, kivuvi kwenye breaker (kama vile kupungua trip coil kusababisha usimamizi) kunaweza kupeleka kwenye misimamizi ya grounding transformer.

1.5 Matatizo makubwa ya ground faults kwenye mchakato wa umeme wa 10 kV wa fedha mbili (au tatizo moja la ground fault la kiwango kimoja cha chenji) unachopatana na misimamizi.
Wakati mchakato wa fedha mbili hupata matatizo sawa sawa ya ground faults, current za zero-sequence zinaweza kuwa chini ya kiwango cha trip cha 60 A (kama vile 40 A na 50 A), hivyo protections za mchakato wanaweza tu kutoa alama. Lakini jumla ya current (90 A) inapita juu ya setting ya grounding transformer ya 75 A, kusababisha upinduzi wa awali. Kwa mchakato wa 10 kV wa fedha zote, current za capacitance zinaweza kujiweka kwenye 12–15 A. Hata tatizo moja la ground fault la kiwango kimoja la chenji (kama vile 58 A) plus current za capacitance zinaweza kujisafaniana na 75 A. Oscillations za system zinaweza kusababisha misimamizi ya grounding transformer rahisi sana.

2.Vyombo vya Kuzuia Misimamizi ya Protection ya Grounding Transformer

Kulingana na tathmini ya juu, vyombo vifuatavyo vinapatikana:

2.1 Kuzuia misimamizi yaliyotokana na CT error
Tumia zero-sequence CT zenye ubora; jaribu sifa za CT kabla ya kuinstala na ukaribu wale wenye error >5%; set protection pickup values kulingana na primary current; thibitisha settings kwa kutumia primary injection testing.

2.2 Kuzuia upungufu wa cable shield grounding

• Conductors za cable shield grounding yanapaswa kuenda chini kupitia zero-sequence CT na kuwa insulated kutoka kwa cable trays. Hakuna grounding contact inaweza kuonekana kabla ya kupitia CT. Expose mwisho wa metal kwa ajili ya primary injection testing; insulate the rest reliably.

• Ikiwa point ya cable shield grounding ni chini ya CT, conductor haipaswi kupitia CT. Avoid routing the shield grounding conductor through the middle of the CT.

• Ongeza mafunzo ya teknolojia ili timu za relay protection na cables ziweze kuelewa vizuri njia za kutengeneza CT na shield grounding.

• Imarisha mifano ya kutangaza kwa kutumia majadiliano ya pamoja kati ya timu za relay, operations, na cables.

2.3 Kuzuia misimamizi ya feeder protection failure
Chagua devices za protection zenye ubora na imara; badilisha vifaa vilivyozama au vinavyopatana na matatizo mara kwa mara; ongeza huduma; instala air conditioning na ventilation ili kupunguza kazi kwenye temperature nyingi.

2.4 Kuzuia misimamizi ya feeder breaker failure
Tumia switchgear zenye ubora na imara; tofautisha vifaa vya zamani vya GG-1A kwa ajili ya sealed, spring- or motor-charged types; huduma mitandao ya kudhibiti; tumia high-quality trip coils.

2.5 Kuzuia misimamizi ya high-impedance fault
Patrol na ripoti mchakato wa fedha mara tu zero-sequence alarm ikumbuka; punguza mrefu wa mchakato; balance phase loads ili kupunguza normal capacitive currents.

3. Mwisho

Kwa wingi grids za eneo zinajihusisha na grounding transformers na protection zinazohusika ili kuboresha muundo na ustawi, matukio ya kurekodi ya misimamizi yanavyoonekana yanahitaji kutathmini athari mbaya. Hii kitabu kinatanthitisha sababu muhimu za misimamizi ya protection ya grounding transformer na kinapendekeza vyombo, kutoa mawazo kwa eneo linalofanya au linajipanga kufanya kuanzishwa kama haya.