Yerleştirici Dönüşüm Koruma: Yanlış İşlem Nedenleri ve 110kV Trafo Merkezlerindeki Önlemler
Çin elektrik sisteminde, 6 kV, 10 kV ve 35 kV ağları genellikle nötr nokta yerleştirilmemiş bir işletme modu benimser. Ağdaki ana transformatorun dağıtım gerilimi tarafı genellikle delta konfigürasyonunda bağlanır, bu da bir yerleştirme direnci bağlamak için nötr nokta sağlamaz.
Nötr nokta yerleştirilmemiş bir sistemde tek fazlı toprak hatası oluştuğunda, faz arası gerilim üçgeni simetrik kalır, bu da kullanıcı işlemlerine minimal etki yapar. Ayrıca, kapasitif akım oldukça düşük olduğunda (10 A'dan az), bazı geçici toprak hataları kendiliğinden sönebilir, bu da enerji sağlamanın güvenilirliğini artırmada ve kesinti olaylarını azaltmada oldukça etkilidir.
Ancak, elektrik endüstrisinin sürekli genişlemesi ve gelişmesiyle, bu basit yöntem artık mevcut talepleri karşılamıyor. Modern şehir elektrik ağlarında, kablo devrelerinin kullanımının artması, kapasitif akımı önemli ölçüde artırıyor (10 A'yı aşarak). Bu koşullar altında, toprak yayını güvenilir şekilde söndüremez olunuyor, bu da aşağıdaki sonuçları doğuruyor:
Tek fazlı toprak yayağının aralıklı sönme ve yeniden yanması, amplitudesi 4U'ya (U, zirve faz gerilimidir) veya daha yüksek olan yay-toprağa aşırı gerilimler oluşturur, bu durum uzun süreler boyunca sürer. Bu, elektrik ekipmanlarının yalıtımına ciddi tehditler oluşturur, zayıf yalıtım noktalarında çöküşe yol açabilir ve büyük kayıplara neden olabilir.
Sürekli yayağın, havanın iyonlaşmasına neden olur, çevresel havanın yalıtım özelliklerini azaltır ve faz arası kısa devrelerin daha olası olmasını sağlar.
Ferrorezonans aşırı gerilimleri oluşabilir, potansiyel transformatörler (PT'ler) ve aşırı gerilim koruyucularını kolayca zarar götürebilir, ciddi vakalarda hatta aşırı gerilim koruyucuların patlamasına neden olabilir. Bu sonuçlar, ağ ekipmanlarının yalıtımını ciddi şekilde tehlikeye atar ve güç sisteminin güvenli işlemesini tehdit eder.
Yukarıdaki kazaları önlemek ve toprak hatası korumasının güvenilir işlemesi için yeterli sıfır-sekans akımı ve gerilim sağlamak amacıyla, bir nötr nokta yapıcı oluşturulmalıdır, böylece bir yerleştirme direnci bağlanabilir. Bu ihtiyaçla birlikte, yerleştirme transformatörleri (genellikle "yerleştirme üniteleri" olarak adlandırılır) geliştirildi. Yerleştirme transformatörü, genellikle çok düşük bir direnç değeriyle (genellikle 5 ohmdan az) bir yerleştirme direnci ile bir nötr nokta yapıcı oluşturur.
Ayrıca, elektromanyetik özelliklerine dayanarak, yerleştirme transformatörü pozitif ve negatif sekans akımlarına yüksek bir empedans sunar, sadece küçük bir uyarılma akımının sarımlarından geçmesine izin verir. Her çekirdek bacağı üzerinde, iki sarım bölümü zıt yönlere sarılır. Aynı çekirdek bacısındaki bu sarımlardan eşit sıfır-sekans akımları geçtiğinde, düşük bir empedans gösterir, bu da sıfır-sekans koşullarında sarımlar arasında minimum gerilim düşümü sonucunu verir.
Toprak hatası sırasında, pozitif, negatif ve sıfır-sekans akımları sarımlardan geçer. Sarım, pozitif ve negatif sekans akımlarına yüksek bir empedans sunar, ancak sıfır-sekans akımı için, aynı fazda bulunan iki sarım zıt kutbıyla seri bağlıdır. İndükledikleri elektromanyetik kuvvetler büyüklük olarak eşit ancak yön olarak zıt olduğundan, birbirini etkisiz kılar, bu da düşük bir empedans sunar.
Birçok uygulamada, yerleştirme transformatörleri sadece küçük bir yerleştirme direnci ile bir nötr nokta sağlama amacıyla kullanılır ve hiçbir yük sağlamaz; bu nedenle, birçok yerleştirme transformatörü ikincil sarım olmadan tasarlanır. Normal ağ çalışmasında, yerleştirme transformatörü neredeyse boş yükle çalışır. Ancak, bir hatalık sırasında, sadece kısa bir süre içinde hatalık akımı taşır.
Düşük dirençli nötr noktalı bir sistemde, tek fazlı toprak hatası oluştuğunda, çok hassas sıfır-sekans koruması hızlı bir şekilde hatalı besleyiciyi tespit eder ve geçici olarak izole eder. Yerleştirme transformatörü, toprak hatası oluşmasından sıfır-sekans korumasının hatayı temizlemesi arasındaki kısa süre boyunca aktif olur. Bu süre zarfında, sıfır-sekans akımı nötr toprak direnci ve yerleştirme transformatörü üzerinden akar, şu formülle hesaplanır:
burada U, sistem faz gerilimidir, R1 nötr toprak direncidir ve R2 toprak hatası döngüsündeki ek dirençtir.
Yukarıdaki analize dayanarak, yerleştirme transformatörlerinin çalışma özellikleri şunlardır: uzun vadeli boş yükle çalışma ve kısa vadeli aşırı yük kapasitesi.
Sonuç olarak, yerleştirme transformatörü, bir yerleştirme direnci bağlamak için bir nötr nokta yapıcı oluşturur. Toprak hatası sırasında, pozitif ve negatif sekans akımlarına yüksek bir empedans sunar, ancak sıfır-sekans akımına düşük bir empedans sunar, bu da toprak hatası korumasının güvenilir işlemesini sağlar.
Şu anda, alt merkezlere monte edilen yerleştirme transformatörleri iki amaçla hizmet eder:
Alt merkez yardımcı kullanımı için düşük gerilimli AC enerji sağlama;
10 kV tarafında bir nötr nokta yapıcı oluşturma, bu, bir yay giderme bobini ile birleştirildiğinde, 10 kV tek fazlı toprak hatası sırasında kapasitif toprak hatası akımını telafi ederek, hatlık noktasındaki yayağı söndürür. İlkeleri şöyledir:
Üç fazlı bir elektrik ağındaki tüm iletim hatları boyunca, fazlar arası ve her faz ile toprak arası kapasitanslar mevcuttur. Ağ nötr noktası sağlamca yerleştirilmemiş olduğunda, tek fazlı toprak hatası sırasında hatalı fazın toprak kapasitansı sıfır olurken, diğer iki fazın toprak gerilimleri normal faz geriliminin √3 katına çıkar. Bu artmış gerilim, güvenlik için tasarlanan yalıtım gücünü aşmaz, ancak fazların toprak kapasitansını artırır.
Tek fazlı bir arızada kapasitif toprak hatası akımı yaklaşık olarak normal per faz kapasitif akımın üç katıdır. Bu akım büyük olduğunda, kolayca aralıklı kıvılcımlanmaya neden olur ve bu da şebeke endüktansı ve kapasitesi tarafından oluşturulan LC rezonans devresinde faz geriliminin 2,5 ila 3 katına kadar ulaşan aşırı gerilimlere yol açar. Şebeke gerilimi ne kadar yüksekse, bu tür aşırı gerilimlerden kaynaklanan risk de o kadar büyüktür. Bu nedenle, tek fazlı kapasitif toprak hatası akımları nispeten küçük olduğu için sadece 60 kV altındaki sistemler topraksız nötr olarak çalışabilir. Daha yüksek gerilim seviyeleri için, nötr noktasını empedans üzerinden toprağa bağlamak için bir toprak dönüştürücü kullanılmalıdır.
Bir ana transformatörün 10 kV tarafı delta veya yıldız şeklinde bağlanıp nötr noktası yoksa ve tek fazlı kapasitif toprak hatası akımı büyükse, bir toprak dönüştürücü kullanılarak yapay bir nötr nokta oluşturulması gerekir. Bu, yay kılavuzu ile bağlantı kurulmasını sağlar. Bu, bir yapay nötr topraklama sistemi oluşturur—toprak dönüştürücünün asıl işlevidir. Normal çalışma sırasında, toprak dönüştürücü dengeli şebeke gerilimini dayanır ve sadece küçük bir teşvik akımı taşır (boş yük durumu).
Nötr-nokta-to-pra potansiyel farkı sıfırdır (yay kılavuzundan kaynaklanan küçük nötr yer değiştirme gerilimini ihmal edersek) ve yay kılavuzu üzerinden hiçbir akım akış yapmaz. Eğer C fazı ile toprak arasında kısa devre meydana gelirse, üç faz asimetrisinden kaynaklanan sıfır dizisel gerilim yay kılavuzu üzerinden toprağa akar. Yay kılavuzu kendisi gibi, induksiyonlu akım kapasitif toprak hatası akımını telafi ederek, hatadaki kıvılcımı ortadan kaldırır.
Son yıllarda, belirli bir bölgedeki 110 kV traktör merkezlerinde toprak dönüştürücü korumasının birçok yanlış işlemesi gerçekleşmiştir, bu durum şebeke istikrarını ciddi şekilde etkilemiştir. Nedenlerin kökleri belirlenmek üzere bu yanlış işlemlerin nedenleri analiz edilmiş ve tekrar oluşmasını önlemek için karşılık gelen önlemler uygulanmıştır, diğer bölgeler için referans sağlamıştır.
Şu anda, 110 kV traktör merkezlerindeki 10 kV beslemeler giderek kablosuz çıkış hattı kullanmaktadır, bu durum 10 kV sistemindeki tek fazlı kapasitif toprak hatası akımını önemli ölçüde artırıyor. Tek fazlı toprak hatası sırasında aşırı gerilim miktarını baskılamak için, 110 kV traktör merkezleri düşük dirençli topraklama şemasını uygulamak üzere toprak dönüştürücüler kurulmuştur, böylece sıfır dizisel akım yolu oluşturulmuştur. Bu, hatanın konumuna göre seçici sıfır dizisel koruma ile toprak hatalarını izole etmeye olanak tanır, böylece kıvılcım yeniden oluşmasını ve aşırı gerilimleri önler, şebeke ekipmanlarına güvenli güç sağlar.
2008 yılından itibaren, belirli bir bölgesel şebeke 110 kV traktör merkezlerinin 10 kV sistemlerini toprak dönüştürücüler ve ilgili koruma cihazları kurarak düşük dirençli topraklamaya dönüştürmüştür. Bu, herhangi bir 10 kV besleme toprak hatasının hızlı bir şekilde izole edilmesine olanak tanıyarak şebekenin etkisini en aza indirmiştir. Ancak, son zamanlarda, bölgedeki beş 110 kV traktör merkezi toprak dönüştürücü korumasında tekrarlayan yanlış işlemler yaşamış, bu durum traktör merkezlerinin kesilmesine ve şebeke istikrarını ciddi şekilde bozmuştur. Bu nedenle, nedenlerin belirlenmesi ve düzeltici önlemlerin uygulanması bölgesel şebeke güvenliğini korumak için gereklidir.
1. Toprak Dönüştürücü Koruma Yanlış İşlemelerinin Nedenlerinin Analizi
10 kV beslemenin toprak kısa devre hatası yaşandığında, 110 kV traktör merkezindeki hatalı beslemenin sıfır dizisel koruması önce harekete geçmelidir ve hatayı izole etmelidir. Doğru çalışmazsa, toprak dönüştürücünün sıfır dizisel koruması yedek olarak harekete geçer, otobüsü bağlayıcı devre kesicisini ve ana transformatörün her iki tarafını da devre dışı bırakarak hatayı izole eder. Böylece, 10 kV besleme korumasının ve devre kesicilerinin doğru çalışması şebeke güvenliği açısından kritik öneme sahiptir. Beş 110 kV traktör merkezindeki yanlış işlemlerin istatistiksel analizi, 10 kV beslemlerinin toprak hatalarını doğru şekilde temizlemedikleri durumun başlıca neden olduğunu göstermektedir.
10 kV Besleme Sıfır Dizisel Koruma Prensibi:
Sıfır dizisel CT örnekleme → Besleme koruması etkinleştirme → Devre kesicisi devre dışı bırakma.
Bu prensipten hareketle, sıfır dizisel CT, besleme koruma rölesi ve devre kesicisi doğru çalışmanın ana bileşenleridir. Aşağıda bu yönlerden yanlış işlemelerin nedenleri incelenmiştir:
1.1 Sıfır dizisel CT hatası nedeniyle toprak dönüştürücü korumasının yanlış işlemesi.
10 kV beslemenin toprak hatası sırasında, hatalı beslemenin sıfır dizisel CT'si hatası akımını algılar ve korumasını tetikleyerek hatayı izole eder. Aynı zamanda, toprak dönüştürücünün sıfır dizisel CT'si de hatası akımını algılar ve korumasını başlatır. Seçiciliği sağlamak için, 10 kV besleme sıfır dizisel koruması, toprak dönüştürücü korumasından daha düşük akım ve daha kısa süre ayarlarıyla yapılandırılır. Akım ayarları: toprak dönüştürücü—birincil 75 A, 10 kV otobüsü bağlayıcı devre kesicisini devre dışı bırakmak için 1,5 s, 10 kV otomatik aktarmayı engellemek için 1,8 s, transformatör düşük gerilim tarafını devre dışı bırakmak için 2,0 s, her iki tarafı devre dışı bırakmak için 2,5 s; 10 kV besleme—birincil 60 A, devre kesicisini devre dışı bırakmak için 1,0 s.
Ancak, CT hataları kaçınılmazdır. Eğer toprak dönüştürücü CT'si % -10 hata ve besleme CT'si % +10 hata içeriyorsa, gerçek çalışma akımları 67,5 A ve 66 A'ya dönüşür—neredeyse eşittir. Zaman derecelendirmeye tamamen bağımlı olunursa, 10 kV besleme toprak hatası, toprak dönüştürücünün sıfır dizisel aşırı akım korumasının erken harekete geçmesine neden olabilir.
1.2 Yanlış kablo kalkan topraklaması nedeniyle yanlış işlemeler.
110 kV traktör merkezlerindeki 10 kV beslemeler, EMI azaltma için yaygın bir uygulama olan kalkanlı kablolar kullanır ve kalkanlar her iki uçta da toprağa bağlanır. Sıfır dizisel CT'ler, anahtarlık çıkış terminallerinde kabloların etrafına monte edilen toroidal tiptedir. Toprak hatası sırasında, dengesiz akımlar CT'de sinyaller oluşturarak korumayı etkinleştirir. Ancak, her iki uçta da kalkan topraklaması, kalkan içinde induksiyonlu akımların da sıfır dizisel CT üzerinden geçmesine neden olur, bu da yanlış sinyaller oluşturur. Uygun önlemler alınmadığında, bu durum besleme sıfır dizisel korumasının doğruluğunu bozar ve toprak dönüştürücünün yedek hareketlenmesine neden olur.
1.3 10 kV besleme korumasının başarısız olması nedeniyle yanlış işlemeler.
Modern mikroişlemci tabanlı röleler performansı iyileştirmiş olsa da, üreticiler arasındaki kalite farklılıkları ve zayıf ısı verimliliği sorunlarını çözmüş değildir. Hata istatistikleri, 10 kV besleme korumasındaki güç kaynağı modülleri, örnekleme kartları, CPU kartları ve devre kesicisi çıkış modüllerinin en çok hata içeren bileşenler olduğunu göstermektedir. Algılanmayan hatalar, korumanın reddini ve toprak dönüştürücünün yanlış işlemesini tetikleyebilir.
1.4 10 kV besleme kesicinin başarısızlığı yanlış işlemeye neden oluyor.
Yaşlanma, sık işlemler veya doğal kalite sorunları nedeniyle 10 kV anahtarlı dağıtım birimlerindeki arızalar—özellikle kontrol devrelerinde—artmaktadır. Gelişmemiş dağlık bölgelerde, eski GG-1A anahtarlı dağıtım birimleri hala hizmette ve daha yüksek yer hatası oranlarıyla karşılaşılmaktadır. Sıfır-sekans koruması doğru çalışsada, kesici başarısızlığı (örneğin, yanmış seker bobini operasyonu engelleyebilir) yer dönüştürücünün yanlış işlemesine neden olur.
1.5 İki 10 kV beslemenin (veya ciddi tek yüksek dirençli hatası) yüksek dirençli yer hatası yanlış işlemeye neden oluyor.
İki besleme aynı fazda yüksek dirençli yer hatasına sahip olduğunda, bireysel sıfır-sekans akımları 60 A tetik eşiğinin altında kalabilir (örneğin, 40 A ve 50 A), bu nedenle besleme korumaları sadece uyarı verir. Ancak toplam akım (90 A) yer dönüştürücünün 75 A ayarını aşar, erken tetiklemeye neden olur. Tüm kablo 10 kV beslemelerinde, normal kapasitif akımlar 12–15 A'ya ulaşabilir. Hatta tek ciddi yüksek dirençli hatası (örneğin, 58 A) ile normal kapasitif akımın toplamı 75 A'ya yaklaşır. Sistem salınımları sonra kolayca yer dönüştürücünün yanlış işlemesini tetikleyebilir.
2.Yer Dönüştürücü Koruma Yanlış İşlemesini Önleme Tedbirleri
Yukarıdaki analize dayanarak, aşağıdaki tedbirler önerilmektedir:
2.1 CT hatası nedeniyle yanlış işlemeyi önlemek için
Yüksek kaliteli sıfır-sekans CT'leri kullanın; kurulum öncesi CT karakteristiklerini titizlikle test edin ve %5'ten fazla hata olanları reddedin; koruma algılama değerlerini birincil akıma göre ayarlayın; birincil enjeksiyon testi ile ayarları doğrulayın.
2.2 Yanlış kablo kalkanı yerleştirmesini önlemek için
Kablo kalkanı yerleştirme iletkenleri sıfır-sekans CT'ye aşağıdan geçmelidir ve kablo tepsilerinden yalıtılmalıdır. CT'yi geçmeden önce herhangi bir yerleştirmeye izin verilmemelidir. Birincil enjeksiyon testi için metal uçları açığa çıkarın; geri kalanını güvenilir şekilde yalıtın.
Eğer kalkan yerleştirme noktası CT'nin altında ise, iletken CT'yi geçmemelidir. Kalkan yerleştirme iletkenini CT'nin ortasından geçirmeyin.
CT ve kalkan yerleştirme yöntemlerini tamamen anlamaları için röle koruma ve kablo takımlarına teknik eğitim sağlayın.
Röle, operasyon ve kablo takımları tarafından ortak incelemelerle kabul prosedürlerini güçlendirin.
2.3 Besleme koruma başarısızlığını önlemek için
Kanıtlanmış, güvenilir koruma cihazlarını seçin; yaşlı veya sık hata veren üniteleri değiştirin; bakım işlemlerini artırın; yüksek sıcaklıkta çalışma durumunu önlemek için klima ve havalandırma sistemi kurun.
2.4 Besleme kesici başarısızlığını önlemek için
Güvenilir, olgun anahtarlı dağıtım birimlerini kullanın; eski GG-1A kabinlerini mühürlü, yaylı veya motorlu şarj tipi modellerle değiştirin; kontrol devrelerini bakımı yapın; yüksek kaliteli seker bobinleri kullanın.
2.5 Yüksek dirençli hatanın yanlış işlemesini önlemek için
Sıfır-sekans uyarısı üzerine derhal beslemeleri devriye gezer ve onarım yapın; besleme uzunluklarını azaltın; faz yüklerini dengelerek normal kapasitif akımları minimize edin.
3. Sonuç
Bölgesel ağların yapısal ve istikrarlı hale gelmesi için yer dönüştürücüler ve ilgili koruma sistemlerini artan bir biçimde kurmasıyla, tekrarlayan yanlış işlemeler kötü etkilerin ele alınması ihtiyacını vurgulamaktadır. Bu makale, yer dönüştürücü koruma yanlış işleme ana nedenlerini analiz ederek önleme tedbirlerini önermektedir, böylece bu sistemleri kurmuş veya kurmayı planlayan bölgelere rehberlik sağlamaktadır.
