Pangangalaga sa Grounding Transformer: Mga Dahilan ng Mali at mga Tugon sa mga Iisang Substation na 110kV

Sa sistema ng kuryente sa Tsina, ang mga grid na 6 kV, 10 kV, at 35 kV ay karaniwang gumagamit ng mode ng operasyon na walang pinag-ugnay na neutral point. Ang distribusyon voltage side ng pangunahing transformer sa grid ay karaniwang konektado sa delta configuration, na nagbibigay ng walang neutral point para maipagsamantalahan ang grounding resistor.

Kapag nangyari ang single-phase ground fault sa isang sistema na walang pinag-ugnay na neutral point, ang line-to-line voltage triangle ay nananatiling simetriko, na nagdudulot ng minimal na epekto sa operasyon ng user. Bukod dito, kapag ang capacitive current ay relatibong maliit (mas mababa sa 10 A), ang ilang transient ground faults ay maaaring i-self-extinguish, na napakaepektibo sa pag-improve ng reliabilidad ng power supply at pagbawas ng mga insidente ng brownout.

Gayunpaman, kasabay ng patuloy na paglaki at pag-unlad ng industriya ng kuryente, ang simpleng paraan na ito ay hindi na sapat para sa kasalukuyang mga demand. Sa modernong urban power grids, ang pagdagdag sa paggamit ng cable circuits ay nagresulta sa mas malaking capacitive currents (lumampas sa 10 A). Sa ganitong kondisyon, ang ground arc ay hindi na maaaring mapagkumpiyansa na i-extinguish, na nagresulta sa mga sumusunod na consequence:

• Ang intermittent extinction at reignition ng single-phase ground arc ay naggagawa ng arc-ground overvoltages na may amplitudes na umabot hanggang 4U (kung saan U ay peak phase voltage) o mas mataas pa, na tumatagal ng mahabang panahon. Ito ay nagpapataas ng malubhang banta sa insulation ng mga electrical equipment, na maaaring magresulta sa breakdowns sa mga weak insulation points at nagdudulot ng malaking loss.

• Ang sustained arcing ay nagdudulot ng ionization ng hangin, na nagdeteriorate sa insulation ng paligid na hangin at nagpapadali ng phase-to-phase short circuits.

• Maaaring magkaroon ng ferroresonance overvoltages, na madaling nagdudulot ng pinsala sa potential transformers (PTs) at surge arresters, at sa mga matinding kaso, maaaring magresulta sa pagsabog ng arrester. Ang mga consequence na ito ay seryosong nanganganib sa insulation ng mga grid equipment at nagbabanta sa ligtas na operasyon ng sistema ng kuryente.

Upang maiwasan ang mga itong aksidente at ibigay ang sapat na zero-sequence current at voltage para sa reliable operation ng ground fault protection, kinakailangan na lumikha ng isang artificial neutral point upang maipagsamantalahan ang grounding resistor. Upang tugunan ang pangangailangan na ito, ang mga grounding transformers (karaniwang tinatawag na "grounding units") ay inimbento. Ang grounding transformer ay artificially creates a neutral point na may grounding resistor, karaniwang may napakababang resistance value (karaniwang mas mababa sa 5 ohms).

Bukod dito, dahil sa kanyang electromagnetic characteristics, ang grounding transformer ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents, na nagpapahintulot lamang ng maliit na excitation current na lumiko sa kanyang mga winding. Sa bawat core limb, dalawang winding sections ay inuwind sa opposite directions. Kapag equal zero-sequence currents ang lumilikha sa mga winding sa parehong core limb, sila ay nagpapakita ng mababang impedance, na nagreresulta sa minimal na voltage drop sa mga winding sa ilalim ng zero-sequence conditions.

Kapag nangyari ang ground fault, ang positive-, negative-, at zero-sequence currents ay lumilikha sa mga winding. Ang winding ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents, ngunit para sa zero-sequence current, ang dalawang winding sa parehong phase ay konektado sa series sa opposite polarity. Ang kanilang induced electromotive forces ay equal sa magnitude pero opposite sa direksyon, na effectively canceling each other out, thus presenting low impedance.

Sa maraming aplikasyon, ang grounding transformers ay ginagamit lamang upang ibigay ang isang neutral point na may maliit na grounding resistor at hindi nagbibigay ng anumang load; kaya, maraming grounding transformers ang disenyo nang walang secondary winding. Sa normal na operasyon ng grid, ang grounding transformer ay operasyonal sa no-load condition. Gayunpaman, sa panahon ng fault, ito ay nagdadala ng fault current para sa isang maikling panahon.

Sa isang neutral-point low-resistance grounded system, kapag nangyari ang single-phase ground fault, ang highly sensitive zero-sequence protection ay mabilis na nakikilala at pansamantalang ini-isolate ang faulty feeder. Ang grounding transformer ay aktibo lamang sa maikling interval sa pagitan ng pagkakaroon ng ground fault at ang operasyon ng zero-sequence protection upang linisin ang fault. Sa panahong ito, ang zero-sequence current ay lumilikha sa neutral grounding resistor at ang grounding transformer, na ibinibigay ng

kung saan U ay ang system phase voltage, R1 ay ang neutral grounding resistor, at R2 ay ang additional resistance sa ground fault loop.

Batay sa nabanggit na analisis, ang operational characteristics ng grounding transformers ay: long-term no-load operation na may short-term overload capability.

Sa kabuoan, ang grounding transformer ay artificially creates a neutral point upang maipagsamantalahan ang grounding resistor. Sa panahon ng ground fault, ito ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents ngunit mababang impedance sa zero-sequence current, na nagpapahintulot ng reliable operation ng ground fault protection.

Kasalukuyan, ang mga grounding transformers na na-install sa mga substation ay may dalawang layunin:

• Pagbibigay ng mababang-voltage AC power para sa auxiliary use ng substation;

• Paglikha ng isang artificial neutral point sa 10 kV side, na kapag pinagsamantalahan sa isang arc suppression coil, nagcompensate para sa capacitive ground fault current sa 10 kV single-phase ground faults, na nagresulta sa pag-extinguish ng arc sa fault point. Ang principle ay gaya ng sumusunod:

Sa buong haba ng transmission lines sa isang three-phase power grid, ang capacitances ay umiiral sa pagitan ng phases at sa pagitan ng bawat phase at ground. Kapag ang grid neutral ay hindi solidly grounded, ang phase-to-ground capacitance ng faulted phase ay naging zero sa panahon ng single-phase ground fault, samantalang ang phase-to-ground voltages ng iba pang dalawang phases ay tumaas hanggang √3 times the normal phase voltage. Bagama't ang taas na ito ng voltage ay hindi lumampas sa insulation strength na disenyo para sa kaligtasan, ito ay nagpapataas sa kanilang phase-to-ground capacitance.

Ang kapasitibong ground fault current sa isang single-phase fault ay humigit-kumulang tatlong beses ang normal na per-phase capacitive current. Kapag malaki ang kasalukuyang ito, madali itong mag-cause ng intermittent arcing, na nagiging sanhi ng overvoltages sa LC resonant circuit na nabuo mula sa grid inductance at capacitance, na may magnitudes na umabot sa 2.5 hanggang 3 beses ang phase voltage. Ang mas mataas na grid voltage, mas malaking panganib mula sa mga overvoltage. Kaya, ang mga sistema na nasa ibaba ng 60 kV lamang ang maaaring gumana na walang grounded neutral, dahil ang kanilang single-phase capacitive ground fault currents ay relatibong maliit. Para sa mas mataas na voltage levels, kailangan ng grounding transformer upang i-connect ang neutral point sa pamamagitan ng impedance sa ground.

Kapag ang 10 kV side ng isang substation main transformer ay naka-connect sa delta o wye nang walang neutral point, at ang single-phase capacitive ground fault current ay malaki, kailangan ng grounding transformer upang lumikha ng isang artipisyal na neutral point, na nagbibigay-daan sa koneksyon sa arc suppression coil. Ito ang bumubuo ng isang artipisyal na neutral grounding system—ang pangunahing tungkulin ng grounding transformer. Sa normal na operasyon, ang grounding transformer ay nakakatanggap ng balanced grid voltage at nagdadala lamang ng maliit na excitation current (no-load condition). 

Ang potential difference ng neutral-to-ground ay zero (iniignore ang maliit na neutral displacement voltage mula sa arc suppression coil), at walang current ang lumalampas sa pamamagitan ng arc suppression coil. Sa pagkakataong may phase-C-to-ground short circuit, ang zero-sequence voltage na resulta ng three-phase asymmetry ay lumalampas sa pamamagitan ng arc suppression coil patungo sa ground. Tulad ng mismo na arc suppression coil, ang induced inductive current ay nag-compensate sa capacitive ground fault current, na nag-eeliminate ng arc sa fault point.

Sa kamakailan, maraming misoperations ng grounding transformer protection ang naganap sa 110 kV substations sa isang tiyak na rehiyon, na malubhang nakakaapekto sa estabilidad ng grid. Upang matukoy ang root causes, ginawa ang mga analisis sa mga rason para sa mga misoperations, at ipinatupad ang mga katugonang hakbang upang maprevent ang pagkakaulitin at magbigay ng reference para sa iba pang rehiyon.

Sa kasalukuyan, ang 10 kV feeders sa 110 kV substations ay lalong gumagamit ng cable outgoing lines, na nagsisimulang taas ang single-phase capacitive ground fault current sa 10 kV system. Upang suppresyon ang overvoltage magnitudes sa panahon ng single-phase ground faults, ang 110 kV substations ay nagsisimulang mag-install ng grounding transformers upang ipatupad ang low-resistance grounding scheme, na nagtatatag ng zero-sequence current path. Ito ay nagbibigay-daan sa selective zero-sequence protection upang i-isolate ang ground faults batay sa lokasyon ng fault, na nagpiprevent ng arc reignition at overvoltage, kaya’t nag-aasekuro ng ligtas na power supply sa grid equipment.

Simula noong 2008, ang isang tiyak na regional grid ay in-retrofit ang 110 kV substation 10 kV systems sa low-resistance grounding sa pamamagitan ng pag-install ng grounding transformers at associated protection devices. Ito ay nagbibigay-daan sa mabilis na isolation ng anumang 10 kV feeder ground fault, na minimizes ang impact sa grid. Gayunpaman, kamakailan, limang 110 kV substations sa rehiyon ay naranasan ang paulit-ulit na misoperations ng grounding transformer protection, na nagdudulot ng substation outages at malubhang nakaka-disrupt sa estabilidad ng grid. Kaya, mahalaga ang pagtukoy ng mga cause at pag-implement ng corrective measures upang mapanatili ang seguridad ng regional grid.

1.Pag-analisa ng mga Dahilan para sa Misoperation ng Grounding Transformer Protection

Kapag may ground short-circuit fault ang 10 kV feeder, ang zero-sequence protection sa faulty feeder sa 110 kV substation ang dapat unawang gumana upang i-isolate ang fault. Kung hindi ito tama ang gagawin, ang zero-sequence protection ng grounding transformer ay gagamit bilang backup, na nag-trip sa bus tie breaker at both sides ng main transformer upang i-isolate ang fault. Kaya, ang tama at maayos na operasyon ng 10 kV feeder protection at breakers ay mahalaga sa kaligtasan ng grid. Ang statistical analysis ng misoperations sa limang 110 kV substations ay nagpapakita na ang pangunahing sanhi ay ang pagkakamali ng 10 kV feeders sa tamang pag-clear ng ground faults.

Prinsipyong 10 kV Feeder Zero-Sequence Protection:

Zero-sequence CT sampling → Feeder protection activation → Circuit breaker tripping.
Mula sa prinsipyo na ito, ang zero-sequence CT, feeder protection relay, at circuit breaker ay key components para sa tama at maayos na operasyon. Ang sumusunod ay nag-aanalisa ng mga sanhi ng misoperation mula sa mga aspeto na ito:

1.1 Pagkakamali ng zero-sequence CT na nagdudulot ng misoperation ng grounding transformer protection.
Sa panahon ng 10 kV feeder ground fault, ang faulty feeder’s zero-sequence CT ay nagdedetect ng fault current, na nag-trigger ng proteksyon nito upang i-isolate ang fault. Samantalang, ang zero-sequence CT ng grounding transformer ay din nag-sense ng fault current at nag-start ng proteksyon. Upang siguraduhin ang selectivity, ang 10 kV feeder zero-sequence protection ay nakaset sa mas mababang current at mas maikling oras kaysa sa grounding transformer protection. Current settings: grounding transformer—75 A primary, 1.5 s to trip 10 kV bus tie, 1.8 s to block 10 kV auto-transfer, 2.0 s to trip transformer low-voltage side, 2.5 s to trip both sides; 10 kV feeder—60 A primary, 1.0 s to trip breaker.

Gayunpaman, hindi makaiwas ang CT errors. Kung ang grounding transformer CT ay may -10% error at ang feeder CT ay may +10% error, ang aktwal na operating currents ay naging 67.5 A at 66 A—kahit na equal. Tumatawag lamang sa time grading, ang 10 kV feeder ground fault ay madaling magdulot ng grounding transformer’s zero-sequence overcurrent protection upang trip prematurely.

1.2 Mali ang cable shield grounding na nagdudulot ng misoperation.
Ang 110 kV substation 10 kV feeders ay gumagamit ng shielded cables na may shields na grounded sa parehong dulo—karaniwang practice para sa EMI mitigation. Ang zero-sequence CTs ay toroidal types na installed around cables sa switchgear outgoing terminals. Sa panahon ng ground faults, ang unbalanced currents ay nag-induce ng signals sa CT upang i-activate ang proteksyon. Gayunpaman, sa both-end shield grounding, ang induced currents sa shield ay din lumalampas sa pamamagitan ng zero-sequence CT, na naglilikha ng false signals. Kung walang proper mitigation, ito ay nakakaimpair sa accuracy ng feeder zero-sequence protection, na nagdudulot ng grounding transformer backup tripping.

1.3 Pagkakamali ng 10 kV feeder protection na nagdudulot ng misoperation.

Ang modern na microprocessor-based relays ay nagbibigay ng improved performance, ngunit ang iba't ibang kalidad ng manufacturer at mahina na heat dissipation ay patuloy na isyu. Ang fault statistics ay nagpapakita na ang power supply modules, sampling boards, CPU boards, at trip output modules sa 10 kV feeder protections ang pinakamalaki ang posibilidad na magkaroon ng failure. Ang hindi napapansin na mga fault ay maaaring mag-cause ng refusal ng proteksyon, na nag-trigger ng misoperation ng grounding transformer.

1.4 Pagkakamali ng 10 kV feeder breaker na nagdudulot ng maling operasyon.
Dahil sa pagtanda, madalas na operasyon, o mga isyu sa kalidad, ang mga pagkakamali ng 10 kV switchgear—lalo na sa mga control circuit—ay lumalaki. Sa mga hindi pa rin lubusang napatunayan na mga bundok, ang mas matandang GG-1A switchgear ay nananatiling aktibo na may mas mataas na rate ng ground fault. Kahit na tama ang operasyon ng zero-sequence protection, ang pagkakamali ng breaker (halimbawa, nasunog na trip coil na nagpapahinto ng operasyon) ay nagdudulot ng maling operasyon ng grounding transformer.

1.5 Mga mataas na impedance na ground fault sa dalawang 10 kV feeder (o malubhang isang mataas na impedance na pagkakamali) na nagdudulot ng maling operasyon.
Kapag ang dalawang feeder ay may parehong phase na mataas na impedance na ground fault, ang bawat isa sa mga zero-sequence current ay maaaring manatili sa ilalim ng 60 A na threshold para sa pag-trip (halimbawa, 40 A at 50 A), kaya ang mga proteksyon ng feeder ay nagbibigay lang ng alarm. Ngunit ang pinagsamang current (90 A) ay lumalampas sa 75 A na setting ng grounding transformer, na nagdudulot ng maagang pag-trip. Sa mga 10 kV feeder na buong cable, ang normal na capacitive current ay maaaring umabot sa 12–15 A. Kahit isang malubhang mataas na impedance na pagkakamali (halimbawa, 58 A) plus ang normal na capacitive current ay lumalapit sa 75 A. Ang mga system oscillation ay maaaring madaling mag-trigger ng maling operasyon ng grounding transformer.

2. Mga Paraan upang Maiwasan ang Maling Operasyon ng Proteksyon ng Grounding Transformer

Batay sa analisis na ito, inirerekomenda ang sumusunod na mga paraan:

2.1 Upang maiwasan ang maling operasyon dahil sa CT error
Gamitin ang high-quality na zero-sequence CTs; seryosong suriin ang mga katangian ng CT bago i-install at tanggihan ang anumang may >5% na error; itakda ang mga pickup values ng proteksyon batay sa primary current; i-verify ang mga setting sa pamamagitan ng primary injection testing.

2.2 Upang maiwasan ang maling pag-ground ng cable shield

• Ang mga conductor para sa pag-ground ng cable shield ay dapat dumaan pababa sa zero-sequence CT at insulate mula sa mga cable trays. Walang contact ng pag-ground bago dumaan sa CT. I-expose ang metal ends para sa primary injection testing; insulate ang iba pang bahagi ng maayos.

• Kung ang punto ng pag-ground ng shield ay nasa ilalim ng CT, ang conductor ay hindi dapat dumaan sa CT. Iwasan ang pagrout ng conductor ng shield ground sa gitna ng CT.

• Palakasin ang teknikal na pagsasanay para mabuo ang pag-unawa ng relay protection at cable teams sa paraan ng pag-install ng CT at shield grounding.

• Palakasin ang mga proseso ng acceptance sa pamamagitan ng joint inspections ng relay, operations, at cable teams.

2.3 Upang maiwasan ang pagkakamali ng feeder protection
Piliin ang napapatunayan, reliable na mga device ng proteksyon; palitan ang mga aging o madalas na may pagkakamali na units; palakasin ang maintenance; i-install ang air conditioning at ventilation upang maiwasan ang high-temperature operation.

2.4 Upang maiwasan ang pagkakamali ng feeder breaker
Gamitin ang reliable, mature na switchgear; phase out ang mga luma na GG-1A cabinets sa pabor ng sealed, spring- o motor-charged types; maintain ang control circuits; gamitin ang high-quality na trip coils.

2.5 Upang maiwasan ang maling operasyon ng mataas na impedance na fault
Agsagot agad at i-repair ang mga feeder sa panahon ng zero-sequence alarm; bawasan ang haba ng feeder; balansehin ang load ng phase upang mabawasan ang normal na capacitive currents.

3. Kasimpulan

Dahil maraming rehiyonal na grid ang nag-iinstall ng grounding transformers at associated protection upang mapabuti ang structure at stability, ang mga paulit-ulit na maling operasyon ay nagpapakita ng pangangailangan na asikasuhin ang mga adverse effects. Ang paper na ito ay nag-analisa ng pangunahing sanhi ng maling operasyon ng proteksyon ng grounding transformer at inirerekomenda ang mga countermeasures, nagbibigay ng gabay para sa mga rehiyon na mayroon o plano na mag-install ng mga ganitong sistema.