Захист заземлювального трансформатора: Причини неправильного функціонування та заходи протидії в підстанціях 110 кВ
У системі електропостачання Китаю, мережі на 6 кВ, 10 кВ та 35 кВ зазвичай функціонують у режимі незаземленої нейтральної точки. Сторона розподілу напруги основного перетворника в мережі, як правило, підключена за схемою трикутника, що не надає нейтральної точки для підключення заземлювального резистора.
При виникненні однофазної заземляючої аварії в системі з незаземленою нейтральною точкою, трикутник міжфазних напруг залишається симетричним, що мінімально впливає на роботу користувачів. Більше того, коли ємнісний струм невеликий (менше 10 А), деякі тимчасові заземляючі аварії можуть самовідновлюватися, що дуже ефективно для підвищення надійності електропостачання та зменшення інцидентів відключення електроенергії.
Однак, з постійним розширенням та розвитком енергетичної галузі, цей простий метод більше не задовольняє поточні потреби. У сучасних міських електричних мережах, зростання використання кабельних ліній призводить до значного збільшення ємнісних струмів (понад 10 А). При таких умовах, дуга заземлення не може надійно згасати, що призводить до наступних наслідків:
Перерваний процес згасання та повторного розжигу однофазної дуги заземлення створює надлишкові напруги заземлення з амплітудою, що досягає 4U (де U — пікове фазне напруга) або навіть більше, тривалими періодами. Це представляє серйозну загрозу для ізоляції електричного обладнання, можливого пробою на слабких точках ізоляції, що призводить до значних втрат.
Тривала дуга призводить до іонізації повітря, погіршуючи ізоляцію оточуючого повітря та збільшуючи ймовірність фазових коротких замикань.
Можуть виникнути надлишкові напруги через ферорезонанс, що легко пошкоджує потенціометричні перетворники (PT) та грозозахисні пристрої, а в крайньому випадку, навіть спричиняють вибух грозозахисного пристрою. Ці наслідки серйозно загрожують ізоляції обладнання мережі та безпеці операцій електропостачання.
Для запобігання вищевказаним аваріям та забезпечення достатнього нуль-послідовного струму та напруги для надійної роботи захисту від заземлюючих аварій, необхідно створити штучну нейтральну точку, щоб можна було підключити заземлювальний резистор. Для задоволення цієї потреби були розроблені заземлювальні перетворники (зазвичай називаються "заземлювальними блоками"). Заземлювальний перетворник штучно створює нейтральну точку з заземлювальним резистором, який, зазвичай, має дуже низьке опір (зазвичай менше 5 ом).
Крім того, завдяки своїм електромагнітним характеристикам, заземлювальний перетворник представляє високий імпеданс для позитивних та негативних послідовних струмів, дозволяючи проходити лише невеликий струм вбудування через свої в’язання. На кожному серцевинному підставі намотані два відрізки в’язання в протилежних напрямках. Коли через ці в’язання на одному серцевинному підставі проходять рівні нуль-послідовні струми, вони представляють низький імпеданс, що призводить до мінімального нападання напруги на в’язання при нуль-послідовних умовах.
При заземлюючій аварії через в’язання проходять позитивні, негативні та нуль-послідовні струми. В’язання представляє високий імпеданс для позитивних та негативних послідовних струмів, але для нуль-послідовного струму два в’язання на одній фазі підключені послідовно з протилежними полярностями. Їх індуковані електродвижущі сили рівні за величиною, але протилежні за напрямком, що фактично скасовують одна одну, представляючи низький імпеданс.
У багатьох застосуваннях заземлювальні перетворники використовуються лише для забезпечення нейтральної точки з невеликим заземлювальним резистором та не постачають жодного навантаження; тому, багато заземлювальних перетворників проектуються без вторинного в’язання. Під час нормальної роботи мережі заземлювальний перетворник практично працює в умовах без навантаження. Однак, під час аварії, він несе аварійний струм лише на короткий період.
У системі з низьким опором заземлення нейтральної точки, при виникненні однофазної заземляючої аварії, дуже чутливий нуль-послідовний захист швидко виявляє та тимчасово ізольує аварійний фідер. Заземлювальний перетворник активний лише на короткий період між виникненням заземляючої аварії та операцією нуль-послідовного захисту для ліквідації аварії. Під час цього періоду, нуль-послідовний струм проходить через нейтральний заземлювальний резистор та заземлювальний перетворник, що визначається формулою
де U — фазне напруга системи, R1 — нейтральний заземлювальний резистор, а R2 — додаткова опір у контурі заземляючої аварії.
На основі вищевказаного аналізу, операційні характеристики заземлювальних перетворників: довготривала робота без навантаження з короткотривалим перевантаженням.
В заключення, заземлювальний перетворник штучно створює нейтральну точку для підключення заземлювального резистора. Під час заземляючої аварії він представляє високий імпеданс для позитивних та негативних послідовних струмів, але низький імпеданс для нуль-послідовного струму, що забезпечує надійну роботу захисту від заземляючих аварій.
Наразі, заземлювальні перетворники, встановлені в підстанціях, служать двом цілям:
Забезпечення низьковольтного чергового струму для допоміжного використання на підстанції;
Створення штучної нейтральної точки на стороні 10 кВ, яка, поєднана з дугозагасючим котушкою, компенсує ємнісний струм заземляючої аварії при однофазних заземляючих аваріях на 10 кВ, таким чином, згасаючи дугу в точці аварії. Принцип такий:
Вздовж всієї довжини ліній передачі в трифазній електричній мережі, існують ємності між фазами та між кожною фазою та землею. Коли нейтральна точка мережі не заземлена, ємність фази до землі порушеного фазу стає нульовою при однофазній заземляючій аварії, а фазні напруги інших двох фаз зростають до √3 разів від нормального фазного напруги. Хоча це збільшене напруга не перевищує ізоляційну міцність, проектовану для безпеки, воно збільшує їхню ємність до землі.
Ємнісний струм замикання на землю під час однофазного пошкодження становить приблизно три рази більше за нормальний ємнісний струм на фазу. Коли цей струм великий, він легко викликає переривчасте дугове розрядження, що призводить до перенапруг у LC-резонансному контурі, утвореному індуктивністю та ємністю мережі, з амплітудами, які можуть досягати 2,5–3 від фазової напруги. Чим вища напруга мережі, тим більший ризик таких перенапруг. Тому лише системи нижче 60 кВ можуть працювати з ізольованою нейтраллю, оскільки їх ємнісні струми однофазних замикань на землю відносно невеликі. Для вищих рівнів напруги необхідно використовувати заземлювальний трансформатор для підключення нейтральної точки через опір до землі.
Коли обмотка 10 кВ головного трансформатора підстанції з’єднана в трикутник або зірку без нейтральної точки, і ємнісний струм однофазного замикання на землю є великим, потрібен заземлювальний трансформатор для створення штучної нейтральної точки, що дозволяє підключити котушку гасіння дуги. Це формує штучну систему заземлення нейтралі — основне призначення заземлювального трансформатора. Під час нормальної роботи заземлювальний трансформатор сприймає симетричну напругу мережі та пропускає лише малий струм намагнічування (режим холостого ходу).
Різниця потенціалів між нейтраллю та землею дорівнює нулю (знехтуємо невеликою напругою зміщення нейтралі від котушки гасіння дуги), і через котушку гасіння дуги не протікає струм. Припустимо, відбувається коротке замикання фази С на землю, тоді нульова напруга, що виникає через асиметрію трьох фаз, проходить через котушку гасіння дуги на землю. Як і сама котушка гасіння дуги, індукований індуктивний струм компенсує ємнісний струм замикання на землю, ліквідуючи дугу в точці пошкодження.
Останнім часом у певному регіоні виникло кілька випадків неправильної роботи захисту заземлювального трансформатора на підстанціях 110 кВ, що серйозно вплинуло на стабільність мережі. Щоб встановити первинні причини, було проведено аналіз причин таких помилкових спрацьовувань, запроваджено відповідні заходи для запобігання повторенню та надано рекомендації для інших регіонів.
Наразі у 110 кВ підстанціях все частіше використовують кабельні відгалуження на стороні 10 кВ, що значно збільшує ємнісний струм однофазного замикання на землю в системі 10 кВ. Щоб обмежити величину перенапруг під час однофазних замикань на землю, на підстанціях 110 кВ почали встановлювати заземлювальні трансформатори для реалізації схеми заземлення через низький опір, створюючи шлях для проходження струму нульової послідовності. Це дозволяє селективному захисту нульової послідовності відокремлювати замикання на землю залежно від місця пошкодження, запобігаючи повторному запалюванню дуги та перенапрузі, забезпечуючи таким чином безпечне електропостачання обладнання мережі.
З 2008 року певна регіональна мережа модернізувала свої системи 10 кВ на підстанціях 110 кВ, встановивши заземлювальні трансформатори та відповідні пристрої захисту, щоб реалізувати схему заземлення через низький опір. Це дозволило швидко відокремлювати будь-яке замикання на землю на відгалуженні 10 кВ, мінімізуючи вплив на мережу. Однак останнім часом п’ять підстанцій 110 кВ у регіоні пережили повторні помилкові спрацьовування захисту заземлювального трансформатора, що призвело до відключень підстанцій і серйозно порушило стабільність мережі. Тому встановлення причин і запровадження коригувальних заходів є життєво важливим для забезпечення безпеки регіональної мережі.
1. Аналіз причин помилкового спрацьовування захисту заземлювального трансформатора
Коли відгалуження 10 кВ зазнає замикання на землю, захист нульової послідовності на пошкодженому відгалуженні на підстанції 110 кВ повинен спрацювати першим, щоб відокремити пошкодження. Якщо це не відбувається правильно, захист заземлювального трансформатора спрацьовує як резервний, відключаючи вимикач шинної зв’язки та вимикачі з обох сторін головного трансформатора, щоб відокремити пошкодження. Таким чином, правильна робота захисту та вимикачів відгалужень 10 кВ є критично важливою для безпеки мережі. Статистичний аналіз помилкових спрацьовувань на п’яти підстанціях 110 кВ показує, що основною причиною є невдале відокремлення замикань на землю відгалуженнями 10 кВ.
Принцип роботи захисту нульової послідовності відгалуження 10 кВ:
Відбір сигналу від ТТ нульової послідовності → активація захисту відгалуження → відключення вимикача.
З цього принципу випливає, що ТТ нульової послідовності, реле захисту відгалуження та вимикач є ключовими компонентами для правильної роботи. Нижче наведено аналіз причин помилкового спрацьовування з цих аспектів:
1.1 Помилка ТТ нульової послідовності, що призводить до помилкового спрацьовування захисту заземлювального трансформатора.
Під час замикання на землю відгалуження 10 кВ ТТ нульової послідовності пошкодженого відгалуження виявляє струм пошкодження, що активує захист для відокремлення пошкодження. Одночасно ТТ нульової послідовності заземлювального трансформатора також відчуває струм пошкодження і запускає захист. Щоб забезпечити селективність, захист нульової послідовності відгалуження 10 кВ має менші уставки струму та часу, ніж захист заземлювального трансформатора. Уставки струму: заземлювальний трансформатор — 75 А первинного, 1,5 с для відключення шинного вимикача, 1,8 с для блокування автоматичного ввімкнення 10 кВ, 2,0 с для відключення низьковольтного боку трансформатора, 2,5 с для відключення з обох боків; відгалуження 10 кВ — 60 А первинного, 1,0 с для відключення вимикача.
Однак помилки ТТ неминучі. Якщо ТТ заземлювального трансформатора має -10% похибки, а ТТ відгалуження +10%, фактичні робочі струми стають 67,5 А та 66 А — майже рівними. Розраховуючись лише на часову селективність, замикання на землю відгалуження 10 кВ легко може спричинити передчасне спрацьовування захисту заземлювального трансформатора від перевантаження за струмом нульової послідовності.
1.2 Неправильне заземлення екрана кабелю, що призводить до помилкового спрацьовування.
Відгалуження 10 кВ на підстанціях 110 кВ використовують екрановані кабелі з екранами, заземленими на обох кінцях — загальноприйнята практика для зменшення електромагнітних перешкод. ТТ нульової послідовності — тороїдальні типи, встановлені навколо кабелів на вихідних затискачах комутаційного обладнання. Під час замикань на землю несиметричні струми індукують сигнали в ТТ для активації захисту. Однак при заземленні екрана на обох кінцях індуковані струми в екрані також проходять через ТТ нульової послідовності, створюючи хибні сигнали. Без належного усунення це погіршує точність захисту нульової послідовності відгалуження, що призводить до резервного спрацьовування захисту заземлювального трансформатора.
1.3 Відмова захисту відгалуження 10 кВ, що призводить до помилкового спрацьовування.
Сучасні захисти на базі мікропроцесорів пропонують покращену продуктивність, але різні якості виробників і погана тепло-віддача залишаються проблемами. Статистика пошкоджень показує, що модулі живлення, плати відбору сигналів, CPU-плати та модулі вихідних сигналів відключення у захистах відгалужень 10 кВ найбільш схильні до відмов. Невиявлені пошкодження можуть призвести до відмови захисту, що викликає помилкове спрацьовування заземлювального трансформатора.
1.4 Відмова випливаючого пристрою на 10 кВ, що призводить до невірної роботи.
З віком, частими операціями або врождженими проблемами якості, збільшується кількість аварій у пристроїв на 10 кВ, особливо в керуючих контурах. У менш розвинених гірських районах залишаються в експлуатації старі панелі GG-1A, що мають більш високий рівень аварій через заземлення. Навіть якщо нульове послідовне захист працює правильно, відмова випливаючого пристрою (наприклад, спалення обмотки тригерного реле, що заважає його роботі) призводить до невірної роботи заземлюючого трансформатора.
1.5 Високопідсилені аварії заземлення на двох лініях живлення 10 кВ (або серйозна одиноча високопідсиленна аварія), що призводять до невірної роботи.
Коли дві лінії діляться на аварії заземлення з високим опором на однакові фази, окремі нульові послідовні струми можуть залишатися нижче порогу відключення 60 А (наприклад, 40 А і 50 А), тому захист ліній лише сигналізує. Але сума струмів (90 А) перевищує налаштування заземлюючого трансформатора 75 А, що призводить до раннього відключення. При повному кабельному живленні 10 кВ нормальна ємнісна струм може досягати 12–15 А. Навіть одна серйозна аварія з високим опором (наприклад, 58 А) разом з нормальним ємнісним струмом наближається до 75 А. Коливання системи можуть легко запустити невірну роботу заземлюючого трансформатора.
2. Міри для запобігання невірної роботи захисту заземлюючого трансформатора
На основі вищенаведеного аналізу, рекомендовано наступні міри:
2.1 Для запобігання невірної роботи, спричиненої помилкою ТТ
Використовуйте високоякісні нульові послідовні ТТ; строго тестуйте характеристики ТТ перед встановленням і відхиляйте всі з похибкою більше 5%; встановлюйте значення підхопу захисту на основі первинного струму; перевіряйте налаштування за допомогою тестування первинним введенням.
2.2 Для запобігання невірному заземленню екрану кабелю
Проводники заземлення екрану кабелю повинні проходити вниз через нульовий послідовний ТТ і бути ізольовані від трас кабелів. Перед проходженням через ТТ не повинно бути контакту з заземленням. Видайте металеві кінці для первинного введення; надійно ізольуйте решту.
Якщо точка заземлення екрану знаходиться нижче ТТ, провідник не повинен проходити через ТТ. Уникайте прокладання проводника заземлення екрану через середину ТТ.
Покращіть технічну підготовку, щоб команди з реле-заходів та кабелів повністю розуміли методи встановлення ТТ та заземлення екрану.
Посилення процедур прийняття зі спільними перевірками команд реле, експлуатації та кабелів.
2.3 Для запобігання відмови захисту лінії
Оберіть доведені, надійні пристрої захисту; замініть старі або часто виникаючі дефектні одиниці; посилення обслуговування; встановіть кондиціонери та вентиляцію, щоб уникнути роботи при високих температурах.
2.4 Для запобігання відмови випливаючого пристрою
Використовуйте надійне, зріле комутаційне обладнання; замініть старі шафи GG-1A на герметичні, пружинні або з двигунним зарядом; обслуговуйте керуючі контури; використовуйте високоякісні обмотки тригерного реле.
2.5 Для запобігання невірної роботи через високопідсилені аварії
Негайно проведіть обхід та ремонт ліній при сигналізації нульового послідовного; скоротіть довжину ліній; збалансуйте фазові навантаження, щоб зменшити нормальні ємнісні струми.
3. Висновки
Зі зростанням кількості регіональних мереж, що встановлюють заземлюючі трансформатори та пов'язаний захист для покращення структури та стабільності, повторювані випадки невірної роботи підкреслюють необхідність вирішення небажаних наслідків. Ця стаття аналізує основні причини невірної роботи захисту заземлюючого трансформатора та пропонує контрмери, надаючи керівництво регіонам, які вже встановили або планують встановити такі системи.
