Анализ на причините за грешки в защитата на трансформатора за заземяване
В китайката електроенергийна система, мрежите на 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ обикновено използват режим на работа с неизолирана нейтрална точка. Страната на разпределителното напрежение на главните трансформатори в мрежата обикновено е свързана в триъгълна конфигурация, което не предоставя нейтрална точка за свързване на заземящи резистори. Когато се случи единичен фазов дефект в системата с неизолирана нейтрална точка, триъгълникът на линейните напрежения остава симетричен, причинявайки минимално прекъсване на потребителската дейност. Освен това, когато капацитетният ток е относително малък (под 10 А), някои преходни заземени дефекти могат да се самоуспокоят, което е много ефективно за подобряване на надеждността на доставката на електроенергия и намаляване на случаите на прекъсвания.
Но, с непрекъснатото разширяване и развитие на електроенергийната индустрия, този прост метод вече не отговаря на настоящите изисквания. В съвременните градски електроенергийни мрежи, увеличаването на използването на кабелни вериги доведе до значително по-високи капацитетни токове (над 10 А). Под тези условия, дъгата при заземяване не може надеждно да бъде угасена, което води до следните последствия:
Прекъснато угасяване и повторно запалване на единичната фазова дъга при заземяване може да породи перенапрегвания с амплитуда, достигаща до 4U (където U е пиковото фазово напрежение) или дори повече, продължаващи за продължително време. Това представлява сериозна заплаха за изолацията на електрическото оборудване, потенциално причинавайки пробиви в слабите точки на изолацията и довежда до значителни загуби.
Постоянната дъга ионизира околната въздух, влошавайки неговите изолационни свойства и увеличавайки вероятността от фазови краткосрочни замыкания.
Могат да се появят ферорезонансни перенапрегвания, които лесно могат да повредят напреженични трансформатори и ограничители на перенапрегвания – потенциално дори да предизвикат експлозии на ограничителите. Тези последствия сериозно застрашават целостта на изолацията на оборудването в мрежата и опасността за безопасната работа на цялата електроенергийна система.
За да се предотвратят такива инциденти и да се осигури достатъчен нулев последователен ток и напрежение, за да се гарантира надеждната работа на защитата при заземяване, трябва да се създаде изкуствена нейтрална точка, за да може да се свърже заземящ резистор. Тази нужда доведе до развитието на заземящи трансформатори (често наричани "заземящи трансформатори" или "заземящи устройства"). Заземящият трансформатор изкуствено създава нейтрална точка с заземящ резистор, обикновено с много ниско съпротивление (обикновено под 5 ома).
Освен това, поради неговите електромагнитни характеристики, заземящият трансформатор представя високо импеданс към положителния и отрицателния последователни токове, позволявайки само малък екситационен ток да протече през неговите виткове. На всяка стойка на ядрото се намотяват две секции в противоположни посоки. Когато равни нулеви последователни токове протичат през тези виткове, те показват ниско импеданс, което води до минимално напрежение върху витковете при нулев последователен режим.
Специфично, при заземяване, витковете носят положителни, отрицателни и нулеви последователни токове. Те представят високо импеданс към положителните и отрицателните последователни токове, но ниско импеданс към нулевия последователен ток. Това е, защото, в същата фаза, двата витка са свързани последователно с обратна полярност; техните индуцирани електродвижели са равни по големина, но противоположни по посока, ефективно се компенсират, което представя ниско импеданс към нулевия последователен ток.
В много приложения, заземящите трансформатори се използват единствено за осигуряване на нейтрална точка с малък заземящ резистор и не доставят вторична нагрузка. Поради това, много заземящи трансформатори се проектират без вторичен виток. По време на нормалната работа на мрежата, заземящият трансформатор работи практически в безнагрузково състояние. Но, при дефект, той носи дефектен ток само за кратко време. В системата с ниско съпротивление при заземяване, когато се случи единичен фазов дефект на страната на 10 кВ, високочувствителната нулева последователна защита бързо разпознава и временна изолира дефектния преводач.
Заземящият трансформатор е активен само в краткия интервал между случването на дефект и действие на нулевата последователна защита на преводача. По време на този период, нулевият последователен ток протича през нейтралния заземящ резистор и заземящия трансформатор, след формулата: I_R = U / (R₁ + R₂), където U е фазовото напрежение на системата, R₁ е нейтралният заземящ резистор, а R₂ е допълнителното съпротивление в контура на дефекта при заземяване.
На основата на горния анализ, оперативните характеристики на заземящия трансформатор са: дългосрочно безнагрузково функциониране и краткосрочно перенагрузка при дефекти.
Обобщавайки, заземящият трансформатор изкуствено създава нейтрална точка, за да се свърже заземящ резистор. При заземяване, той представя високо импеданс към положителните и отрицателните последователни токове, но ниско импеданс към нулевия последователен ток, което осигурява надеждната работа на защитата при заземяване.
В момента, заземящите трансформатори, инсталирани в подстанциите, служат на две основни цели:
Доставяне на нисковолтно алтернативно напрежение за въспомогателно използване в подстанцията;
Създаване на изкуствена нейтрална точка на страната на 10 кВ, която, когато се комбинира с аркусна спирала (Петърсен спирала), компенсира капацитетния заземен дефектен ток при единичен фазов дефект на 10 кВ, като угасява дъгата в точката на дефект. Принципът е следния:
Във всички проводници в тримерна електроенергийна мрежа, има капацитет както между фазите, така и между всяка фаза и земята. Когато нейтралната точка на мрежата не е силно заземена, капацитетът на дефектната фаза към земята става нула при единичен фазов дефект, докато напреженията на другите две фази се повишават до √3 пъти нормалното фазово напрежение. Въпреки че това увеличено напрежение остава в рамките на проектните ограничения за изолация, то увеличава тяхната капацитетна проводимост към земята. Капацитетният дефектен ток при единичен фазов дефект е приблизително три пъти нормалния капацитетен ток на всяка фаза. Когато този ток стане голям, той лесно поддържа преходни дъги, възбудени от резонансни колебания в индуктивно-капацитетната верига на мрежата, и поражда перенапрегвания до 2,5–3 пъти фазовото напрежение. По-високото напрежение на мрежата, по-голямата е риска от такива перенапрегвания. Ето защо, само системи под 60 кВ могат да работят с неизолирана нейтрална точка, тъй като техните единични капацитетни дефектни токове остават малки. За високонапружени системи, трябва да се използва заземящ трансформатор, за да се свърже нейтралната точка чрез импеданс.
Когато едната страна на главния трансформатор на подстанция (например, страната на 10 кВ) е свързана в триъгълник или звезда без изведен нулев проводник, и единичният емисионен капацитивен ток е голям, няма наличен нулев точка за заземяване. В такива случаи се използва заземящ трансформатор, за да се създаде изкуствена нулева точка, позволяваща свързване с дугогасеща катушка. Тази изкуствена нулева точка позволява системата да компенсира капацитивния ток и да угаси дъжерските дъги – това е основната роля на заземящия трансформатор.
По време на нормална работа, заземящият трансформатор изпитва балансирано напрежение на три фази и пренася само малък възбудителен ток, работейки практически непременно. Потенциалната разлика между нулевата точка и земята е нула (пренебрегвайки малкото смещение на нулевата точка от дугогасещата катушка), и няма ток, който да протича през катушката. Ако, например, фазата C има дефект до земята, резултантното нулево последователно напрежение (изведено от асиметрията) протича през дугогасещата катушка към земята. Катушката генерира индуктивен ток, който компенсира капацитивния ток на дефекта до земята, по този начин унищожавайки дъгата – функционално идентично на самостоятелна дугогасеща катушка.
През последните години, в определен регион са се случили многобройни погрешни действия на защитата на заземящия трансформатор в 110 кВ подстанции, които сериозно са повлияли на стабилността на мрежата. За да се установят основните причини, са проведени анализи, приложени коректиращи мерки и споделени уроци, за да се предотврати повторение и да се насочат други региони.
С увеличаването на използването на кабели в 10 кВ мрежите на 110 кВ подстанции, единичните капацитивни токове до земята са нараснали значително. За да се намалят размерите на прекомерните напрежения при дефекти до земята, много 110 кВ подстанции сега инсталират заземящи трансформатори, за да реализират заземяване с ниско съпротивление, създавайки път за нулев последователен ток. Това позволява избирателна нулева последователна защита да изолира дефектите до земята в зависимост от местоположението, предотвратявайки повторно запалване на дъгата и осигурявайки безопасно доставяне на електроенергия.
От 2008 г., определен регион е модернизирал своите 10 кВ системи на 110 кВ подстанции към заземяване с ниско съпротивление чрез инсталация на заземящи трансформатори и съответни защитни устройства. Това позволява бързо изолиране на всеки дефект на 10 кВ линия до земята, минимизирайки влиянието върху мрежата. Обаче, недавно, пет 110 кВ подстанции в региона са преживели многократни погрешни действия на защитата на заземящия трансформатор, причинявайки прекъсвания и заплашвайки стабилността на мрежата. Ето защо, идентифицирането на причините и прилагането на решения е необходимо.
1. Анализ на причините за погрешни действия на защитата на заземящия трансформатор
Когато 10 кВ линия има дефект до земята, нулевата последователна защита на линията в 110 кВ подстанцията трябва да се активира първо, за да изолира дефекта. Ако не успее, резервната нулева последователна защита на заземящия трансформатор ще задейства аварийните контактори на шината и главния трансформатор, за да ограничи дефекта. Следователно, правилната работа на защитата и контактните механизми на 10 кВ линии е критична. Статистическият анализ на погрешните действия в пет подстанции показва, че отказът на защитата на линията е основната причина.
Нулевата последователна защита на 10 кВ линията работи по следния начин: пробиране на нулевата последователна трансформаторна катушка → активиране на защитата → задействане на контактните механизми. Ключовите компоненти са нулевата последователна трансформаторна катушка, реле за защита и контактните механизми. Анализът се фокусира върху тези:
1.1 Грешки на нулевата последователна трансформаторна катушка, причиняващи погрешни действия
По време на дефект до земята, нулевата последователна трансформаторна катушка на дефектната линия детектира дефектния ток, активирайки защитата. Едновременно, нулевата последователна трансформаторна катушка на заземящия трансформатор също усеща тока. За да се осигури избирателност, настройките на защитата на линията (например, 60 А, 1.0 с) са по-ниски от настройките на заземящия трансформатор (например, 75 А, 1.5 с за задействане на аварийните контактори на шината, 2.5 с за задействане на главния трансформатор). Обаче, грешки на трансформаторната катушка (например, -10% за трансформаторната катушка на заземящия трансформатор, +10% за трансформаторната катушка на линията) могат да направят реалните токове почти равни (67.5 А против 66 А), зависейки само от времеви интервали. Това увеличава риска от надвишаване на заземящия трансформатор.
1.2 Неправилно заземяване на кабелна обвивка, причиняващо погрешни действия
10 кВ линиите използват кабели с обвивка, заземени на двата края – обикновена практика за намаляване на ЕМИ. Нулевите последователни трансформаторни катушки обикновено са торовидни, инсталирани около кабела при изхода на апаратурата. По време на дефект до земята, несбалансиран ток индуцира сигнал в трансформаторната катушка. Но ако обвивката е заземена на двата края, циркулиращите токове в обвивката също минават през трансформаторната катушка, искажавайки измерването. Без правилна инсталация (например, заземящата жица на обвивката минава правилно през трансформаторната катушка), защитата на линията може да не успее, причинявайки надвишаване на заземящия трансформатор.
1.3 Отказ на защитата на линията, причиняващ погрешни действия
Макар че микропроцесорните реле предлагат високо качество, качеството на продуктите варира. Често срещани откази включват проблеми със захранването, пробирането, CPU или модулите за задействане. Ако останат незабелязани, тези могат да причинят отказ на защитата, водейки до погрешни действия на заземящия трансформатор.
1.4 Отказ на контактните механизми на линията, причиняващ погрешни действия
Стареене, често използване или ниско качество на контактните механизми (особено по-старите типове GG-1A в селските райони) увеличават вероятността за отказ. Проблеми в контролния контур – особено изгорели контактни катушки – попречават на контактните механизми да действат дори когато защитата ги командира, принуждавайки резервната защита на заземящия трансформатор да действа.
1.5 Високосъпротивни дефекти до земята на една или две линии, причиняващи погрешни действия
Ако две линии изпитват едновременно високосъпротивни дефекти до земята на една и съща фаза, индивидуалните нулеви последователни токове (например, 40 А и 50 А) могат да останат под настрояването на линията (60 А), но техният сбор (90 А) надвишава настрояването на заземящия трансформатор (75 А), причинявайки надвишаване. Дори един тежък високосъпротивен дефект (например, 58 А) комбиниран с нормалния капацитивен ток (например, 12–15 А) може да достигне 75 А. Възмутенията в системата тогава могат да причинят погрешни действия.
2. Мерки за предотвратяване на погрешни действия
2.1 Решаване на грешки на трансформаторната катушка
Използване на висококачествени нулеви последователни трансформаторни катушки; отхвърляне на единици с грешка >5% по време на въвеждане в експлоатация; настройване на праговете на защитата въз основа на основни стойности; проверка на настройките чрез тестове с основни проби.
2.2 Коригиране на заземяването на кабелна обвивка
Проведете защитните земни жици надолу през нулевия последователен трансформатор (CT) и изолирайте ги от кабелните трасета; избегнете контакт преди CT.
Оставете открити краища на проводниците за тестове; изолирайте останалата част.
Ако точката за земно свързване е под CT, не я прокарвайте през CT. Избегнете разполагането на точка за земно свързване в прозореца на CT.
Обучавайте персонала по защита и кабели за правилна инсталация.
Осигурявайте общи проверки при приемане от екипи за реле, операции и кабели.
2.3 Предотвратяване на отказ на защитата
Използвайте доказани, надеждни реле; заменяйте стареещи или дефектни единици; подобрявайте поддръжката; инсталирайте охлаждане/вентилация, за да се предотврати прекомерно затопляне.
2.4 Предотвратяване на отказ на брекера
Използвайте надеждни, модерни брекери (например, зареждащи се с пружина или мотор); изтегляйте старите шкафове GG-1A; поддържайте контролните контури; използвайте висококачествени катушки за спускане.
2.5 Освеняне на рискове от високимпедансни дефекти
Бързо разследвайте и изчиствайте фидери, когато се случват сигнали за земно свързване; намалявайте дължините на фидерите; балансирайте фазовите натоварвания, за да се минимизира нормалната щупова тока.
3. Заключение
Въпреки че земните трансформатори подобряват структурата и стабилността на мрежата, повторящите се погрешни операции подчертават скрити рискове. Тази статия анализира ключови причини и предлага практически решения, за да насочи регионите, които са инсталирали или планират да инсталират земни трансформатори.
Зигзаг (Z-тип) земни трансформатори
В разпределителните мрежи на 35 kV и 66 kV, обикновено се използват трансформатори с Y-свързване с налична нейтрална точка, което елиминира нуждата от земни трансформатори. Във 6 kV и 10 kV мрежи, дельта-свързаните трансформатори липсват на нейтрална точка, което налага използването на земен трансформатор, за да се предостави такава – главно за свързване с арко-погасители.
Земните трансформатори използват зигзаг (Z-тип) свързания на обмотките: всяка фазова обмотка е разделена между две ядра. Нулевите последователни магнитни потоци от двата витка се компенсират, водещ до много нисък нулев последователен импеданс (обикновено <10 Ω), ниски загуби при празна работа и използване на повече от 90% от номиналната мощност. В сравнение, стандартните трансформатори имат много по-висок нулев последователен импеданс, ограничавайки капацитета на арко-погасителя до ≤20% от мощността на трансформатора. Следователно, Z-тип трансформатори са оптимални за земни приложения.
Когато системното несбалансирано напрежение е голямо, балансираните Z-тип обмотки са достатъчни за измерване. В мрежи с ниско несбалансирано напрежение (например, всички кабелни мрежи), нейтралната точка е проектирана да произвежда 30–70 V несбалансирано напрежение за нужди на измерване.
Земните трансформатори могат също да доставят вторични натоварвания, служейки като станционни трансформатори. В такива случаи, основната мощност е равна на сумата от капацитета на арко-погасителя и вторичния натоварващ капацитет.
Основната функция на земния трансформатор е да доставя компенсираща тока при земен дефект.
Фигура 1 и Фигура 2 показват две общи свързания на Z-тип земни трансформатори: ZNyn11 и ZNyn1. Принципът на ниския нулев последователен импеданс е следния: всяко ядро съдържа две идентични обмотки, свързани с различни фазови напрежения. При положително или отрицателно последователно напрежение, магнитната сила (MMF) на всяко ядро е векторна сума от два фазови MMF. Триякта MMF са балансирана и 120° разделени, формирайки затворен магнитен път с ниско съпротивление, висок поток, високо индуцирано напрежение и следователно висок магнитен импеданс.
При нулево последователно напрежение, двата витка на всяко ядро произвеждат равни, но противоположни MMF, водещ до нулева нетна MMF на всяко ядро. Няма нулев последователен поток в ядрото; вместо това, той циркулира през резервоара и околната среда, срещайки високо съпротивление. Следователно, нулевият последователен поток и импеданс са много ниски.
