Analise van Oorsake vir Foutoperasie van Aardingstransformatorbeskerming

In China se kragstelsel word die 6 kV, 10 kV, en 35 kV-nette gewoonlik in 'n ongegronde neutrale-puntbedryfsmodus geëxploiteer. Die verspreidingspanningskant van hooftransformers in die net word gewoonlik in 'n delta-konfigurasie verbonden, wat geen neutrale punt bied vir die aanbring van grondweerstande nie. Wanneer 'n enkelefas-grondfout in 'n ongegronde neutrale-puntsisteme voorkom, bly die lyn-tot-lyn-spanningstriehoek simmetries, wat min versteuring veroorsaak by gebruikersoperasies. Bovendien, wanneer die kapasitiewe stroom relatief klein is (minder as 10 A), kan sommige oorgangsgrondfoute self uitdooi, wat baie effektief is om die betroubaarheid van kragvoorsiening te verbeter en afbreekinsidente te verminder.

Gedurende die kontinue uitbreiding en ontwikkeling van die kragindustrie, voldoen hierdie eenvoudige metode egter nie langer aan huidige behoeftes nie. In moderne stedelike kragnette het die toenemende gebruik van kabelverbindings gelei tot beduidend hoër kapasitiewe strome (meer as 10 A). Onder hierdie toestande kan die grondboog nie betroubaar uitgedooi word nie, wat die volgende gevolge het:

• Intermitterende uitdooiing en heraanblasing van die enkelefas-grondboog kan boog-grondoverspannings met amplitudes wat op 4U (waar U die piekfasspanning is) of selfs hoër kan reik, vir lang tydperke veroorsaak. Dit stel ernstige bedreigings voor aan die isolasie van elektriese toerusting, wat potensieel kan lei tot inslag by swak isolasieplekke en daartoe dat groot verliese voorkom.

• Langdurige boogvorming ioniseer die omringende lug, wat sy isolasieeienskappe degradeer en die waarskynlikheid van fase-tot-fase kortsluitings verhoog.

• Ferroresonante overspannings kan voorkom, wat maklik spannings-transformers en -vlakkers kan beskadig—potensieel selfs kan lei tot vlakker-eksplisies. Hierdie gevolge stel die integriteit van die isolasie van nettoerusting ernstig in gevaar en bedreig die veilige operasie van die hele kragstelsel.

Om sulke insidente te verhoed en genoegsame nulreeks-stroom en -spanning te verseker om die betroubare werking van grondfoutbeskerming te verseker, moet 'n kunsmatige neutrale punt geskep word sodat 'n grondweerstand aangebring kan word. Hierdie behoefte het gelei tot die ontwikkeling van grondtransformers (gewoonlik bekend as "grondtransformers" of "grondeenhede"). 'n Grondtransformer skep 'n kunsmatige neutrale punt met 'n grondweerstand, wat tipies baie lae weerstand het (gewoonlik minder as 5 ohms).

Verder presenteert die grondtransformer, weens sy elektromagnetiese eienskappe, hoë impedansie vir positiewe- en negatiewe-reeksstrome, wat slegs 'n klein opwindingstroom deur sy windings laat vloei. Op elke kernlim word twee windingseksies in teenoorgestelde rigtings gewond. Wanneer gelyke nulreeksstrome deur hierdie windings vloei, vertoon hulle lae impedansie, wat 'n minimum spanningval oor die windings onder nulreeks-toestande veroorsaak.

Spesifiek, tydens 'n grondfout dra die winding positiewe-, negatiewe- en nulreeksstrome. Dit presenteert hoë impedansie vir positiewe- en negatiewe-reeksstrome, maar lae impedansie vir nulreeksstroom. Dit is omdat, binne dieselfde fase, die twee windings in reeks met teenoorgestelde polariteit verbonden is; hul geïnduseerde elektromotoriese kragte is in grootte gelyk, maar in rigting teenoorgesteld, wat effektief mekaar kanselleer, dus lae impedansie vir nulreeksstroom presenteert.

In baie toepassings word grondtransformers slegs gebruik om 'n neutrale punt met 'n klein grondweerstand te verskaf en lewer geen sekondêre belasting nie. Daarom word baie grondtransformers sonder 'n sekondêre winding ontwerp. Gedurende normale netoperasie werk die grondtransformer feitlik in 'n nielasttoestand. Tog dra dit vir 'n kort tyd foutstroom tydens 'n fout. In 'n lae-weerstand-gegronde sisteem, wanneer 'n enkelefas-grondfout op die 10 kV-kant voorkom, identifiseer en isoleer 'n hoogsenseptiewe nulreeksbeskerming die foute voeder spoedig tijdelik.

Die grondtransformer is aktief slegs tydens die kort interval tussen die voorkoms van die fout en die werking van die voeder se nulreeksbeskerming. Tydens hierdie tyd vloei nulreeksstroom deur die neutrale grondweerstand en die grondtransformer, volgens die formule: I_R = U / (R₁ + R₂), waar U die stelselphaspanning is, R₁ die neutrale grondweerstand is, en R₂ die addisionele weerstand in die grondfoutlus is.

Op basis van die bostaande analise, is die operasiekenmerke van 'n grondtransformer: langtermyn nielast-operasie en korttermyn oorlast tydens foute.

Samenvattend skep 'n grondtransformer 'n kunsmatige neutrale punt om 'n grondweerstand aan te bring. Tydens 'n grondfout vertoon dit hoë impedansie vir positiewe- en negatiewe-reeksstrome, maar lae impedansie vir nulreeksstroom, wat die betroubare werking van grondfoutbeskerming verseker.

Tans dien grondtransformers wat in transformators geïnstalleer is, twee primêre doeleindes:

• Verskaf lae-spanskakel AC-krag vir transformatorhulpbronne;

• Skep 'n kunsmatige neutrale punt aan die 10 kV-kant, wat, in kombinasie met 'n boogdempingsspoel (Petersen-spoel), die kapasitiewe grondfoutstroom tydens 10 kV-enkelefas-grondfoute kompenseer, wat die boog by die foutplek uitskakel. Die beginsel is as volg:

Langs die hele lengte van geleiders in 'n driefase kragnet bestaan kapasiteit sowel tussen fases as tussen elke fase en grond. Wanneer die netneutrale punt nie stevig geground is nie, word die kapasiteit na grond van die gefoute fase tydens 'n enkelefas-grondfout nul, terwyl die spannings van die ander twee fases tot √3 keer die normale fase-spanning styg. Alhoewel hierdie verhoogde spanning binne die isolasieontwerp-limiete bly, verhoog dit hul kapasiteit na grond. Die kapasitiewe grondfoutstroom tydens 'n enkelefasfout is ongeveer drie keer die normale per-fase kapasitiewe stroom. Wanneer hierdie stroom groot word, kan dit maklik intermitterende bogen handhaaf, resoneerbewegings in die net se induktiewe-kapasitiewe sirkel opwek, en oorspannings tot 2,5–3 keer die fase-spanning genereer. Hoe hoër die netspanning, hoe groter die risiko van so oorspannings. Daarom mag slegs stelsels onder 60 kV met 'n ongegronde neutrale punt geëxploiteer word, aangesien hul enkelefas kapasitiewe grondfoutstrome klein bly. Vir hoër-spanningsstelsels moet 'n grondtransformer gebruik word om die neutrale punt deur impedansie aan te sluit.

Wanneer een kant van 'n hooftransformer by 'n onderstasie (bv. die 10 kV-kant) in delta- of wye-verband verbonden is sonder 'n uitgebring neutrale punt, en die enkele-fase kapasiewe grondstroom groot is, is daar geen beskikbare neutrale punt vir gronding nie. In sulke gevalle word 'n grondtransformer gebruik om 'n kunsmatige neutrale punt te skep, wat 'n verbinding na 'n boogverdwyningsspoel moontlik maak. Hierdie kunsmatige neutrale punt stel die stelsel in staat om die kapasiewe stroom te kompenseer en grondboë te verduidelik—dit is die fundamentele rol van die grondtransformer.

Tydens normale bedryf ondervind die grondtransformer 'n gebalanseerde driefase-spanning en dra slegs 'n klein opwondingsstroom, wat effens onbelaai werk. Die potensiaalverskil tussen die neutrale punt en die grond is nul (met uitsluiting van 'n klein neutrale verskuifspanning van die boogverdwyningsspoel), en daar vloei geen stroom deur die spoel nie. As byvoorbeeld fase C 'n grondfout ervaar, vloei die resultante nul-sekwensspanning (afgelei van die asimmetrie) deur die boogverdwyningsspoel na die grond. Die spoel genereer 'n induktiewe stroom wat die kapasiewe grondfoutstroom kompenseer, waardoor die boog verduidelik word—funksioneel identies aan 'n selfstandige boogverdwyningsspoel.

In die afgelope jare het meermal misbedrywing van grondtransformerbeskerming plaasgevind by 110 kV-onderstasies in 'n bepaalde streek, wat die netstabiliteit ernstig beïnvloed het. Om die oorsake te identifiseer, is analises gedoen, korrektiewe maatreëls geïmplementeer, en lesings gedeel om herhaling te voorkom en ander streke te leidinggewy.

Met die toenemende gebruik van kabelvoeding in 110 kV-onderstasie 10 kV-netwerke, het enkele-fase kapasiewe grondstrome aansienlik gestyg. Om oorspanningsmagtigheid tydens grondfoute te onderdruk, installeer baie 110 kV-onderstasies nou grondtransformers om laagweerstand gronding te implementeer, wat 'n nul-sekwensstroompad skep. Dit stel selektiewe nul-sekwensbeskerming in staat om grondfoute volgens posisie te isoleer, wat boogherwinning verhoed en veilige elektrisiteitsvoorsiening verseker.

Sedert 2008 het 'n bepaalde streek sy 110 kV-onderstasie 10 kV-stelsels na laagweerstand gronding geretrofiteer deur grondtransformers en geassosieerde beskermtoestelle te installeer. Dit stel 'n vinnige isolering van enige 10 kV-voeding grondfout in staat, wat die impak op die net minimeer. Onlangs het egter vyf 110 kV-onderstasies in die streek herhaalde misbedrywing van grondtransformerbeskerming ervaar, wat afbreekings veroorsaak en die netstabiliteit bedreig. Dus is dit noodsaaklik om oorsake te identifiseer en oplossings te implementeer.

1. Analise van Oorsake vir Misbedrywing van Grondtransformerbeskerming

Wanneer 'n 10 kV-voeding 'n grondfout ervaar, moet die voeding se nul-sekwensbeskerming by die 110 kV-onderstasie eers werk om die fout te isoleer. Indien dit faal, aktiveer die grondtransformer se rugsteun nul-sekwensbeskerming die buskoppel en hooftransformer skakelaars om die fout te beheer. Dus is die regte werking van 10 kV-voedingbeskerming en -skakelaars krities. Statistiese analise van misbedrywing in vyf onderstasies wys dat voedingbeskermingfaal die primêre oorsaak is.

Die 10 kV-voeding nul-sekwensbeskerming werk as volg: nul-sekwens CT-monster → beskerming aktiveer → skakelaar val. Kardinale komponente is die nul-sekwens CT, beskermingreël, en skakelaar. Analise fokus op hierdie:

1.1 Nul-sekwens CT-foute wat misbedrywing veroorsaak
Tydens 'n grondfout, detecteer die foutieve voeding se nul-sekwens CT die foutstroom, wat sy beskerming aktiveer. Gelyktydig, sens die grondtransformer se nul-sekwens CT ook die stroom. Om selektiwiteit te verseker, is voedingbeskerminginstellings (bv. 60 A, 1.0 s) lager as grondtransformerinstellings (bv. 75 A, 1.5 s om buskoppel te laat val, 2.5 s om hooftransformer te laat val). Echter, CT-foute (bv. -10% vir grondtransformer CT, +10% vir voeding CT) kan die werklike optrekstrome byna gelyk maak (67.5 A vs. 66 A), wat slegs op tydvertragting verlaat. Dit verhoog die risiko van grondtransformeroverskryding.

1.2 Verkeerde kabelschildgronding wat misbedrywing veroorsaak
10 kV-voedings gebruik geskilte kabels met skilde wat aan beide ende geaard is—'n algemene EMI-verligtingspraktyk. Nul-sekwens CT's is tipies toroidaal, geïnstalleer om die kabel by die skakeluitgang. Tydens 'n grondfout, ongebalanseerde stroom induseer 'n sein in die CT. Echter, as die schild aan beide ende geaard is, pas sirkulerende schildstrome ook deur die CT, wat die meting verteken. Sonder regte installasie (bv. schildgronddraad korrek deur die CT), kan voedingbeskerming faal, wat grondtransformeroverskryding veroorsaak.

1.3 Voedingbeskermingfaal wat misbedrywing veroorsaak
Alhoewel mikroprosessor-gesteunde reëls hoë prestasie bied, varieer produkwaarde. Gewone foute behels krag, monsterneming, CPU, of trip-uitvoermodules. As onopgemerk, kan hierdie beskermingweiering veroorsaak, wat grondtransformermissbruik veroorsaak.

1.4 Voedingsskakelaarfaal wat misbedrywing veroorsaak
Vergaring, frekwente operasies, of swak gehalte skakelaars (veral ouer GG-1A-tipes in landelike areas) verhoog foute. Kontrole-sirkelfoute—spesifiek verbrande trip-spule—verhoed skakelaaroperasie selfs wanneer beskerming 'n trip beveel, wat grondtransformerrugsteun laat aktiveer.

1.5 Hoogweerstand grondfoute op een of twee voedings wat misbedrywing veroorsaak
As twee voedings gelyktydig hoogweerstand grondfoute op dieselfde fase ervaar, kan individuele nul-sekwensstrome (bv. 40 A en 50 A) onder die voedingoptrek (60 A) bly, maar hul som (90 A) oorskry die grondtransformerinstelling (75 A), wat overskryding veroorsaak. Selfs 'n enkele ernstige hoogweerstandfout (bv. 58 A) gekombineer met normale kapasiewe stroom (bv. 12–15 A) kan nader 75 A kom. Stelselstoornisse kan dan misbedrywing veroorsaak.

2. Tegniese Maatreëls om Misbedrywing te Voorkom

2.1 CT-foute aanspreek

Gebruik hoë gehalte nul-sekwens CT's; weier eenhede met >5% fout tydens kommissie; stel beskermingdrempels op primêre waardes; verifieer instellings deur middel van primêre inspuittoetsing.

2.2 Korrekte kabelschildgronding

• Voer skild gronddraad omlaag deur die nulvolgorde CT en isoleer van kabelbrûg; vermy kontak voor die CT.

• Laat blootgestelde geleideruiteinde vir toetsing; isoleer die res.

• As die skild grondpunt onder die CT is, voer dit nie deur die CT nie. Vermy om die grondpunt binne die CT-venster te plaas.

• Opleiding van beskerming en kabelpersoneel in die regte installasie.

• Dwing gemeenskaplike aanvaardingstoetse deur relais, operasies en kabelspanne af.

2.3 Verhoed beskermingsweiering

Gebruik bewysbare, betroubare relais; vervang ou of defektiewe eenhede; verbeter instandhouding; installeer koeling/ventilasie om oorverhitting te verhoed.

2.4 Verhoed skakelaarweiering

Gebruik betroubare, moderne skakelaars (bv. veer- of motor-opgelaaide geslote tipes); fase uit ou GG-1A kastings; instandhou beheerkringloope; gebruik hoë gehalte tripspoels.

2.5 Verminder hoë impedansiefoutrisiko's

Ondersoek en maak voederlynne vinnig skoon wanneer grondalarms voorkom; verminder voederlyn lengtes; balanseer fasebelasting om normale kapasitiewe stroom te minimeer.

3. Gevolgtrekking

Alhoewel grondtransformateurs die roosterstruktuur en stabiliteit verbeter, wys herhaalde misoperasies verborge risiko's. Hierdie dokument ontleed sleuteloorsoke en stel praktiese oplossings voor om streke wat grondtransformateurs geïnstalleer het - of plan om te installeer - te leid.

Zigzag (Z-Tipe) Grondtransformateurs

In 35 kV en 66 kV verspreidnetwerke is transformatorwindings tipies wy-gesluit met 'n beskikbare neutrale punt, wat die noodsaaklikheid van grondtransformateurs uitsluit. In 6 kV en 10 kV netwerke ontbreek egter 'n neutrale punt by delta-gesluite transformateurs, wat 'n grondtransformateur nodig maak om een te verskaf - hoofsaaklik vir die aansluiting van boogdempingsspoels.

Grondtransformateurs gebruik zigzag (Z-tipe) windingverbinding: elke fase-winding word oor twee kernlimbe verdeel. Nulvolgorde magnetiese fluxe van die twee windings kanselleer mekaar, wat 'n baie lae nulvolgorde impedansie (tipies <10 Ω), lae lediglast-verliese en die gebruik van meer as 90% van die bepaalde kapasiteit tot gevolg het. In teenstelling hiermee het konvensionele transformateurs baie hoër nulvolgorde impedansie, wat die boogdempingsspoelkapasiteit tot ≤20% van die transformatorenspekifikasie beperk. Dus is Z-tipe transformateurs ideaal vir grondtoepassings.

Wanneer die stelsel onbalanspanning groot is, is gebalanseerde Z-tipe windings voldoende vir meting. In lae-onbalanssisteme (bv. alle-kabelnetwerke) word die neutrale ontwerp om 30–70 V onbalanspanning vir metingbehoeftes te produseer.

Grondtransformateurs kan ook sekondêre belastings verskaf, wat dien as stasisdiens-transformateurs. In sulke gevalle is die primêre spesifikasie gelyk aan die som van die boogdempingspoelkapasiteit en sekondêre belastingskapasiteit.

Die primêre funksie van 'n grondtransformator is om grondfout-kompensasie-stroom te lewer.

Figuur 1 en Figuur 2 wys twee algemene Z-tipe grondtransformatorverbinding: ZNyn11 en ZNyn1. Die beginsel agter lae nulvolgorde impedansie is as volg: elke kernlimb bevat twee identiese windings wat aan verskillende fase-spannings verbind word. Onder positiewe of negatiewe volgorde-spanning is die magnetomotiewe krag (MMK) op elke limb die vektorsom van twee fase-MMK's. Die drie limb MMK's is gebalanseerd en 120° uitmekaar, wat 'n geslote magneetpad met lae weerstand, hoë flux, hoë geïnduseerde spanning en dus hoë magnetiseringsimpedansie vorm.

Onder nulvolgorde-spanning produseer die twee windings op elke limb gelyke maar teenoorgestelde MMK's, wat in 'n nul netto MMK per limb resulteer. Geen nulvolgorde-flux vloei in die kern nie; eerder sirkuleer dit deur die tank en omringende medium, wat hoë weerstand ervaar. As gevolg hiervan is nulvolgorde-flux en impedansie baie lae.