تحليل أسباب سوء تشغيل حماية محول الأرض
في نظام الطاقة الصيني، تستخدم الشبكات ذات الجهد 6 كيلوفولت و10 كيلوفولت و35 كيلوفولت عادةً وضع التشغيل غير المُركَّز للنقطة المحايدة. يتم ربط الجانب التوزيعي لجهد محولات الشبكة الرئيسية عادةً بطريقة دلتا، مما لا يوفر نقطة محايدة لتوصيل مقاومات الأرض. عند حدوث عطل أرضي أحادي في نظام غير مركزي للنقطة المحايدة، يبقى مثلث الجهد بين الخطوط متوازنًا، مما يسبب اضطرابًا ضئيلًا فقط للعمليات المستخدمة. بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون التيار السعوي صغيرًا نسبيًا (أقل من 10 أمبير)، يمكن أن تنطفئ بعض العطل الأرضية العابرة ذاتيًا، وهو أمر فعال جدًا لتحسين موثوقية التزويد بالطاقة وتقليل حوادث الانقطاع.
ومع ذلك، مع التوسع والتطور المستمر للصناعة الكهربائية، لم تعد هذه الطريقة البسيطة تلبي الطلب الحالي. في شبكات الطاقة الحضرية الحديثة، أدت زيادة استخدام الدارات الكابلية إلى زيادة كبيرة في التيار السعوي (يزيد عن 10 أمبير). في ظل هذه الظروف، لا يمكن إخماد القوس الأرضي بشكل موثوق، مما يؤدي إلى النتائج التالية:
الانطفاء المتقطع وإعادة الاشتعال للقوس الأرضي الأحادي يمكن أن ينتج عنه فولتاج زائد للأرض بقيمة تصل إلى 4U (حيث U هو الجهد الفاسي الأقصى) أو حتى أعلى، ويستمر لمدة طويلة. هذا يشكل تهديدًا خطيرًا لعزل المعدات الكهربائية، مما قد يؤدي إلى الانهيار في نقاط العزل الضعيفة ويتسبب في خسائر كبيرة.
التشظي المستمر يتأين الهواء المحيط، مما يقلل من خصائص العزل ويزيد من احتمالية حدوث قصر بين الأطوار.
قد يحدث فولتاج زائد مرناني، مما يمكن أن يتلف محولات الجهد ومثبطات الصدمات - وقد يسبب انفجار المثبط. هذه النتائج تشكل تهديدًا شديدًا لسلامة العزل في معدات الشبكة وتهدد التشغيل الآمن لنظام الطاقة بأكمله.
لمنع مثل هذه الحوادث وتوفير تيار وفولتاج تسلسلي كافٍ لضمان تشغيل موثوق لحماية العطل الأرضية، يجب إنشاء نقطة محايدة اصطناعية بحيث يمكن توصيل مقاومة الأرض. هذه الحاجة أدت إلى تطوير محولات الأرض (وتسمى عادة "محولات الأرض" أو "وحدات الأرض"). تقوم محولة الأرض بإنشاء نقطة محايدة اصطناعية مع مقاومة الأرض، والتي تكون عادة ذات مقاومة منخفضة جدًا (عادة أقل من 5 أوم).
بالإضافة إلى ذلك، بسبب خصائصها الكهرومغناطيسية، تقدم محولة الأرض مقاومة عالية للتسلسلات الإيجابية والسالبة، مما يسمح فقط بتدفق تيار تحفيز صغير عبر ملفاتها. على كل ساق من اللب، يتم لف قسمين من الملفات في الاتجاه المعاكس. عندما يتدفق تيارات تسلسلية صفرية متساوية عبر هذه الملفات، تظهر مقاومة منخفضة، مما يؤدي إلى انخفاض جهد صغير عبر الملفات تحت ظروف التسلسل الصفر.
وبشكل محدد، أثناء العطل الأرضي، يحمل الملف تيارات تسلسلية إيجابية وسالبة وصفرية. يعرض مقاومة عالية للتسلسلات الإيجابية والسالبة ولكن مقاومة منخفضة للتسلسل الصفر. وهذا لأن، داخل نفس الطور، يتم توصيل الملفين في سلسلة بقطبية معاكسة؛ تكون قوى الدفع الكهربائي التي يولدهما متساوية في القيمة ولكن معاكسة في الاتجاه، مما يؤدي إلى إلغاء بعضهما البعض بشكل فعال، وبالتالي تقديم مقاومة منخفضة للتسلسل الصفر.
في العديد من التطبيقات، تُستخدم محولات الأرض فقط لتوفير نقطة محايدة مع مقاومة أرض صغيرة ولا توفر أي حمل ثانوي. لذلك، تم تصميم العديد من محولات الأرض بدون ملف ثانوي. أثناء التشغيل الطبيعي للشبكة، تعمل محولة الأرض بشكل أساسي في حالة عدم الحمل. ومع ذلك، خلال العطل، تحمل تيار العطل لفترة قصيرة فقط. في النظام المركَّز للمقاومة المنخفضة، عندما يحدث عطل أرضي أحادي على الجانب 10 كيلوفولت، يقوم حماية التسلسل الصفر الحساسة للغاية بالتعرف على العطل وعزل المغذي المعيب مؤقتًا.
تعمل محولة الأرض فقط خلال الفترة القصيرة بين حدوث العطل وتشغيل حماية التسلسل الصفر للمغذي. خلال هذه الفترة، يتدفق تيار التسلسل الصفر عبر مقاومة الأرض المحايدة ومحولة الأرض، وفقًا للصيغة: I_R = U / (R₁ + R₂)، حيث U هو جهد الطور لنظام، R₁ هي مقاومة الأرض المحايدة، وR₂ هي المقاومة الإضافية في حلقة العطل الأرضي.
بناءً على التحليل أعلاه، فإن خصائص التشغيل لمحولة الأرض هي: التشغيل بدون حمل طويل الأمد وزحف قصير الأمد خلال العطل.
باختصار، تقوم محولة الأرض بإنشاء نقطة محايدة اصطناعية لتوصيل مقاومة الأرض. أثناء العطل الأرضي، تظهر مقاومة عالية للتسلسلات الإيجابية والسالبة ولكن مقاومة منخفضة للتسلسل الصفر، مما يضمن تشغيل موثوق لحماية العطل الأرضي.
حالياً، تخدم محولات الأرض المثبتة في محطات التحويل غرضين رئيسيين:
توفير طاقة تيار متناوب منخفضة الجهد للاستخدامات المساعدة في محطة التحويل؛
إنشاء نقطة محايدة اصطناعية على الجانب 10 كيلوفولت، والتي، عند الجمع مع مكثف القمع (مكثف بيترسن)، تعوض التيار الأرضي السعوي خلال العطل الأرضي الأحادي 10 كيلوفولت، مما يؤدي إلى إطفاء القوس في نقطة العطل. والمبدأ كالتالي:
على طول كامل طول الموصلات في شبكة الطاقة ثلاثية الأطوار، يوجد سعة بين الأطوار وبين كل طور والأرض. عندما لا تكون نقطة محايدة الشبكة مركزة بشكل صلب، تصبح السعة للأرض للطور المعيب صفرًا خلال العطل الأرضي الأحادي، بينما ترتفع جهود الأطوار الأخرى إلى √3 مرة الجهد الفاسي الطبيعي. رغم أن هذا الجهد المُرتفع يظل ضمن حدود تصميم العزل، فإنه يزيد من سعته للأرض. التيار الأرضي السعوي خلال العطل الأحادي يبلغ حوالي ثلاثة أضعاف التيار السعوي الطبيعي لكل طور. عندما يصبح هذا التيار كبيرًا، يسهل استمرار الأقواس المتقطعة، مما يثير التذبذبات الرنينية في الدائرة السعوية-المغناطيسية للشبكة ويولد فولتاج زائد يصل إلى 2.5-3 مرات الجهد الفاسي. كلما كان جهد الشبكة أعلى، كلما كان الخطر من هذا الفولتاج الزائد أكبر. لذلك، يمكن أن تعمل الأنظمة فقط دون مركزي للنقطة المحايدة إذا كانت أقل من 60 كيلوفولت، حيث يظل التيار الأرضي السعوي الأحادي صغيرًا. بالنسبة للأنظمة ذات الجهد العالي، يجب استخدام محولة الأرض لتوصيل النقطة المحايدة عبر المقاومة.
عندما يتم توصيل جانب واحد من محول المحطة الكهربائية الرئيسي (مثل الجانب ذو الجهد 10 كيلو فولت) في شكل دلتا أو نجمة بدون نقطة محايدة خارجية، ويكون التيار الأرضي السعوي أحادي الطور كبيرًا، فلا يوجد نقطة محايدة متاحة للتوصيل بالأرض. في هذه الحالات، يتم استخدام محول تأريض لإنشاء نقطة محايدة صناعية، مما يمكّن من توصيله بملف القمع. تسمح هذه النقطة المحايدة الصناعية للنظام بتعويض التيار السعوي وإطفاء الشرارات الأرضية - وهذا هو الدور الأساسي لمحول التأريض.
خلال التشغيل العادي، يتعرض محول التأريض لجهد ثلاثي الأطوار متوازن ويحمل فقط تيارًا محفزًا صغيرًا، ويعمل بشكل أساسي بدون تحميل. الفرق الجهد بين النقطة المحايدة والأرض صفر (مع إهمال الفرق الجهد الصغير للنقطة المحايدة بسبب ملف القمع)، ولا يمر أي تيار عبر الملف. إذا حدث على سبيل المثال عطل أرضي في الطور C، فإن الجهد الثلاثي غير المتوازن الناتج يمر عبر ملف القمع إلى الأرض. ينتج الملف تيارًا مغنطيسيًا يعوض التيار السعوي للأرض، مما يؤدي إلى إطفاء الشرارة - وهو وظيفيًا مماثل لملف القمع المستقل.
في السنوات الأخيرة، وقعت العديد من حالات الخلل في حماية محول التأريض في محطات كهربائية ذات جهد 110 كيلو فولت في منطقة معينة، مما أثر بشدة على استقرار الشبكة. تم إجراء تحليلات لتحديد الأسباب الجذرية، وتم تنفيذ إجراءات تصحيحية، وتم مشاركة الدروس المستفادة لمنع التكرار وتوجيه المناطق الأخرى.
مع زيادة استخدام خطوط التغذية الكابلية في شبكات 10 كيلو فولت في محطات كهربائية ذات جهد 110 كيلو فولت، ارتفع التيار الأرضي السعوي أحادي الطور بشكل كبير. لتقليل درجة الجهد الزائد أثناء العطل الأرضي، تقوم العديد من محطات الكهرباء ذات الجهد 110 كيلو فولت بتثبيت محولات تأريض لتحقيق التأريض بمقاومة منخفضة، مما يوفر مسارًا للتيار الثلاثي غير المتوازن. هذا يمكّن الحماية الثلاثية غير المتوازنة من اختيار العزل بناءً على موقع العطل الأرضي، مما يمنع إعادة تشتعل الشرارة وضمان تزويد الكهرباء بأمان.
منذ عام 2008، تم تحديث أنظمة 10 كيلو فولت في محطات كهربائية ذات جهد 110 كيلو فولت في منطقة معينة لتكون تأريض بمقاومة منخفضة من خلال تثبيت محولات تأريض وأجهزة حماية مرتبطة. هذا يسمح بالعزل السريع لأي عطل أرضي في خط تغذية 10 كيلو فولت، مما يقلل من تأثير الشبكة. ومع ذلك، مؤخرًا، تعرضت خمس محطات كهربائية ذات جهد 110 كيلو فولت في المنطقة لحالات خلل متكررة في حماية محول التأريض، مما تسبب في انقطاعات وكاد يهدد استقرار الشبكة. لذا، فمن الضروري تحديد الأسباب وتنفيذ الحلول.
1. تحليل أسباب خلل حماية محول التأريض
عند حدوث عطل أرضي في خط تغذية 10 كيلو فولت، يجب أن تعمل حماية التيار الثلاثي غير المتوازن للخط التغذية في محطة الكهرباء ذات الجهد 110 كيلو فولت أولاً لعزل العطل. إذا فشلت، فإن حماية التيار الثلاثي غير المتوازن الاحتياطية لمحول التأريض تفصل المفتاح المشترك والمحول الرئيسي للحد من العطل. لذا، فإن التشغيل الصحيح لحماية خط التغذية والمفاتيح هو أمر حاسم. يظهر التحليل الإحصائي لحالات الخلل في خمس محطات أن فشل حماية خط التغذية هو السبب الرئيسي.
تعمل حماية التيار الثلاثي غير المتوازن لخط التغذية 10 كيلو فولت كما يلي: أخذ عينات بواسطة التحويلة الثلاثية غير المتوازنة → بدء الحماية → فصل المفتاح. المكونات الرئيسية هي التحويلة الثلاثية غير المتوازنة، جهاز الحماية، والمفتاح. يركز التحليل على هذه:
1.1 الأخطاء في التحويلة الثلاثية غير المتوازنة تسبب الخلل
خلال العطل الأرضي، تكتشف التحويلة الثلاثية غير المتوازنة للخط التغذية المعطوب التيار العاطل، مما يثير حمايتها. في الوقت نفسه، تكتشف التحويلة الثلاثية غير المتوازنة لمحول التأريض أيضًا التيار. لضمان الاختيار، تكون إعدادات حماية الخط التغذية (مثل 60 أمبير، 1.0 ثانية) أقل من إعدادات محول التأريض (مثل 75 أمبير، 1.5 ثانية لفصل المفتاح المشترك، 2.5 ثانية لفصل المحول الرئيسي). ومع ذلك، يمكن للأخطاء في التحويلة (مثل -10٪ لتحويلة محول التأريض، +10٪ لتحويلة الخط التغذية) أن تجعل التيارات الفعلية تقريبًا متساوية (67.5 أمبير مقابل 66 أمبير)، مما يعتمد فقط على التأخير الزمني. هذا يزيد من خطر التداخل الزائد لمحول التأريض.
1.2 التأريض الخاطئ لدرع الكابل يسبب الخلل
تستخدم خطوط التغذية 10 كيلو فولت كابلات محمية بدرع متأرضة في كل طرف - وهي ممارسة شائعة لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي. عادة ما تكون التحويلات الثلاثية غير المتوازنة على شكل حلقة، مثبتة حول الكابل عند مخرج لوحة التوزيع. أثناء العطل الأرضي، ينتج التيار غير المتوازن إشارة في التحويلة. ومع ذلك، إذا كان الدرع متأرضًا في كل طرف، فإن التيارات الدائرية للدرع تمر أيضًا عبر التحويلة، مما يشوّه القياس. دون التركيب الصحيح (مثل سلك تأريض الدرع يمر بشكل صحيح عبر التحويلة)، قد تفشل حماية الخط التغذية، مما يؤدي إلى التداخل الزائد لمحول التأريض.
1.3 فشل حماية الخط التغذية يسبب الخلل
على الرغم من أن أجهزة الحماية المعتمدة على المعالجات توفر أداءً عاليًا، إلا أن جودة المنتجات تختلف. تتضمن الأعطال الشائعة الوحدات المرتبطة بالطاقة، والتجميع، ومعالج الوحدة المركزية، أو وحدات الإخراج. إذا لم يتم اكتشافها، يمكن أن تؤدي هذه الأعطال إلى رفض الحماية، مما يؤدي إلى خلل في محول التأريض.
1.4 فشل المفتاح التغذية يسبب الخلل
يزداد معدل الفشل في المفاتيح القديمة، التي يتم تشغيلها بشكل متكرر، أو ذات جودة رديئة (خاصة النوع GG-1A في المناطق الريفية). الأعطال في الدائرة التحكمية - خاصة الملفات المحترقة - تمنع تشغيل المفتاح حتى عندما تأمر الحماية بفصله، مما يدفع حماية محول التأريض الاحتياطية للعمل.
1.5 العطل الأرضي عالي المقاومة في خط تغذية واحد أو اثنين يسبب الخلل
إذا حدث عطل أرضي عالي المقاومة في وقت واحد في خطين للغذية على نفس الطور، فقد يبقى التيار الثلاثي غير المتوازن لكل خط (مثل 40 أمبير و50 أمبير) أقل من قيمة التقاط الخط (60 أمبير)، ولكن مجموعهما (90 أمبير) يتجاوز إعدادات محول التأريض (75 أمبير)، مما يؤدي إلى التداخل الزائد. حتى العطل الأرضي العالي المقاومة الشديد (مثل 58 أمبير) بالإضافة إلى التيار السعوي الطبيعي (مثل 12-15 أمبير) يمكن أن يصل إلى 75 أمبير. قد تؤدي الاضطرابات في النظام بعد ذلك إلى الخلل.
2. الإجراءات الوقائية لمنع الخلل
2.1 معالجة أخطاء التحويلة الثلاثية غير المتوازنة
استخدم التحويلات الثلاثية غير المتوازنة عالية الجودة؛ رفض الوحدات ذات الخطأ أكبر من 5٪ أثناء التشغيل الأولي؛ ضبط عتبات الحماية بناءً على القيم الأساسية؛ التحقق من الإعدادات عن طريق اختبار الحقن الأولي.
2.2 تصحيح تأريض درع الكابل
قم بتوجيه أسلاك الأرض المحمية للأسفل عبر جهاز قياس التيار الصفر وعزل电缆托盘；在零序CT之前避免接触。
将裸露的导体端留出以供测试；其余部分绝缘。
如果屏蔽接地位置低于CT，则不要通过CT布线。避免将接地点放在CT窗口内。
培训保护和电缆人员正确安装。
强制继电器、操作和电缆团队进行联合验收检查。
2.3 防止保护拒动
使用经过验证的可靠继电器；更换老化或故障单元；加强维护；安装冷却/通风设备以防过热。
2.4 防止断路器拒动
使用可靠的现代断路器（例如，弹簧或电机充电密封型）；淘汰旧的GG-1A柜；维护控制电路；使用高质量的跳闸线圈。
2.5 减轻高阻抗故障风险
当接地报警发生时，及时调查并清除馈线；减少馈线长度；平衡相负载以最小化正常电容电流。
3. 结论
虽然接地变压器改善了电网结构和稳定性，但反复误操作突显了隐藏的风险。本文分析了关键原因，并提出了实际解决方案，以指导已安装或计划安装接地变压器的地区。
Zigzag (Z型) 接地变压器
在35 kV和66 kV配电网络中，变压器绕组通常采用星形连接，具有中性点，因此不需要接地变压器。然而，在6 kV和10 kV网络中，三角形连接的变压器缺乏中性点，需要一个接地变压器来提供一个中性点——主要用于连接消弧线圈。
接地变压器使用Zigzag (Z型) 绕组连接：每个相绕组分布在两个铁芯肢上。来自两个绕组的零序磁通相互抵消，导致非常低的零序阻抗（通常<10 Ω），空载损耗低，并利用超过90%的额定容量。相比之下，传统变压器的零序阻抗要高得多，限制消弧线圈容量≤变压器额定值的20%。因此，Z型变压器是接地应用的最佳选择。
当系统不平衡电压较大时，平衡的Z型绕组足以用于测量。在低不平衡系统（如全电缆网络）中，中性点被设计为产生30-70 V的不平衡电压以满足测量需求。
接地变压器还可以供应二次负荷，作为站用变压器。在这种情况下，初级额定值等于消弧线圈容量和二次负荷容量之和。
接地变压器的主要功能是提供接地故障补偿电流。
图1和图2显示了两种常见的Z型接地变压器连接方式：ZNyn11和ZNyn1。低零序阻抗的原理如下：每个铁芯肢包含两个相同的绕组，连接到不同的相电压。在正序或负序电压下，每个肢上的磁动势（MMF）是两个相MMF的矢量和。三个肢的MMF平衡且相隔120°，形成闭合磁路，具有低磁阻、高磁通、高感应电压，从而具有高励磁阻抗。
在零序电压下，每个肢上的两个绕组产生相等但相反的MMF，导致每个肢的净MMF为零。没有零序磁通流经铁芯；相反，它在油箱和周围介质中循环，遇到高磁阻。因此，零序磁通和阻抗非常低。
