Analýza příčin nesprávného spuštění ochrany zazemňovacího transformátoru

V čínském elektrickém systému obecně síť 6 kV, 10 kV a 35 kV používá režim provozu s nezazeměným neutrálním bodem. Distribuční strana hlavních transformátorů v síti je obvykle spojena v trojúhelníkové konfiguraci, což nedovoluje připojení zazemňovacích odporníků. Když dojde k jednofázové zemní chybě v systému s nezazeměným neutrálním bodem, trojúhelník fázových napětí zůstává symetrický, což minimálně narušuje operace uživatelů. Navíc, když je kapacitní proud relativně malý (menší než 10 A), některé přechodné zemní chyby se mohou samočinně vyhasit, což je velmi efektivní pro zlepšení spolehlivosti dodávky elektřiny a snížení výpadků.

Nicméně, s neustálým rozšiřováním a rozvojem elektroenergetického průmyslu tato jednoduchá metoda již nesplňuje současné požadavky. V moderních městských elektrických sítích rostoucí používání kabelových okruhů vedlo k výrazně vyššímu kapacitnímu proudu (překračujícímu 10 A). Za těchto podmínek nelze spolehlivě vyhasit zemní oblouk, což má následující důsledky:

• Pravidelné vyhasování a znovuzapalování jednofázového zemního oblouku může vygenerovat nadnapětí zemního oblouku dosahující až 4U (kde U je vrcholové fázové napětí) nebo dokonce vyšší, trvající dlouhou dobu. To představuje vážné hrozby pro izolaci elektrického zařízení, které mohou vést k průběhu na místech slabší izolace a způsobit významné ztráty.

• Trvalý oblouk ionizuje okolní vzduch, snižuje jeho izolační vlastnosti a zvyšuje pravděpodobnost mezfázových krátkých spojení.

• Mohou nastat ferrorezonanční nadnapětí, která snadno poškozují napěťové transformátory a ochranné prvky—potenciálně dokonce k explozi ochranných prvků. Tyto důsledky vážně ohrožují integritu izolace zařízení sítě a hrozí bezpečnému provozu celého elektrického systému.

Aby bylo možné zabránit takovým incidentům a poskytnout dostatečný nulový sekvencový proud a napětí pro spolehlivý provoz ochrany před zemními chybami, musí být vytvořen umělý neutrální bod, aby se mohl připojit zazemňovací odporník. Tato potřeba vedla k vývoji zazemňovacích transformátorů (obvykle označovaných jako "zazemňovací transformátory" nebo "zazemňovací jednotky"). Zazemňovací transformátor uměle vytváří neutrální bod s zazemňovacím odporníkem, obvykle s velmi nízkým odporom (obvykle menším než 5 ohm).

Díky svým elektromagnetickým vlastnostem zazemňovací transformátor nabízí vysoký impedancí pro pozitivní a negativní sekvencové proudy, umožňující průchod pouze malým excitovacím proudem skrz své cívky. Na každé noze jádra jsou navinuty dvě sekce cívek v opačných směrech. Když stejné nulové sekvencové proudy protékají těmito cívkami, ukazují nízký impedancí, což vede k minimálnímu poklesu napětí na cívkách za podmínek nulové sekvence.

Konkrétně, během zemní chyby cívka nese pozitivní, negativní a nulové sekvencové proudy. Nabízí vysoký impedancí pro pozitivní a negativní sekvencové proudy, ale nízký impedancí pro nulový sekvencový proud. To je proto, že v rámci stejné fáze jsou dvě cívky spojeny v řadu s opačnou polaritou; jejich indukované elektromotorické síly jsou stejné v hodnotě, ale opačné ve směru, což efektivně kompenzuje jeden druhého, takže nabízejí nízký impedancí pro nulový sekvencový proud.

V mnoha aplikacích jsou zazemňovací transformátory používány pouze k poskytnutí neutrálního bodu s malým zazemňovacím odporníkem a nezajišťují žádný sekundární zátěž. Proto jsou mnohé zazemňovací transformátory navrženy bez sekundární cívky. Během normálního provozu sítě zazemňovací transformátor pracuje prakticky bez zátěže. Nicméně, během poruchy, nese poruchový proud pouze krátkou dobu. V systému s nízkým odporom zazemnění, když dojde k jednofázové zemní chybě na straně 10 kV, velmi citlivá nulová sekvencová ochrana rychle identifikuje a dočasně izoluje vadnou vodič.

Zazemňovací transformátor je aktivní pouze během krátkého intervalu mezi vznikem poruchy a provedením nulové sekvencové ochrany vodiče. Během této doby nulový sekvencový proud protéká neutrálním zazemňovacím odporníkem a zazemňovacím transformátorem, podle vzorce: I_R = U / (R₁ + R₂), kde U je fázové napětí systému, R₁ je neutrální zazemňovací odporník a R₂ je dodatečný odpor v zemním poruchovém okruhu.

Na základě výše uvedené analýzy jsou provozní charakteristiky zazemňovacího transformátoru: dlouhodobý provoz bez zátěže a krátkodobý přetížení během poruch.

Zhruba řečeno, zazemňovací transformátor uměle vytváří neutrální bod pro připojení zazemňovacího odporníku. Během zemní chyby nabízí vysoký impedancí pro pozitivní a negativní sekvencové proudy, ale nízký impedancí pro nulový sekvencový proud, což zajišťuje spolehlivý provoz ochrany před zemními chybami.

Aktuálně slouží zazemňovací transformátory nainstalované v elektrárnách dvěma hlavním účelům:

• Poskytování nízkého střídavého napětí pro pomocný provoz elektrárny;

• Vytváření umělého neutrálního bodu na straně 10 kV, který, v kombinaci s rezonanční cívkou (Petersenova cívka), kompenzuje kapacitní zemní proud během jednofázových zemních chyb 10 kV, čímž vyhasí oblouk v místě poruchy. Princip je následující:

Po celé délce vodičů v třífázové elektrické síti existuje kapacita mezi fázemi i mezi každou fází a zemí. Když je neutrální bod sítě nesolidně zazemněn, kapacita ke zemi vadné fáze během jednofázové zemní chyby se stane nulovou, zatímco napětí na ostatních dvou fázích stoupne na √3 krát normální fázové napětí. Ačkoli toto zvýšené napětí zůstává v rámci limitů izolačního návrhu, zvyšuje jejich kapacitu ke zemi. Kapacitní zemní proud během jednofázové chyby je přibližně třikrát větší než normální kapacitní proud každé fáze. Když tento proud stane velký, snadno udržuje pravidelné oblouky, vyvolává rezonanční oscilace v induktivní-kapacitním obvodu sítě a generuje nadnapětí až 2,5–3 krát fázové napětí. Čím vyšší je napětí sítě, tím větší je riziko způsobené těmito nadnapětím. Proto mohou systémy pod 60 kV fungovat s nezazemněným neutrálním bodem, protože jejich jednofázové kapacitní zemní proudy zůstávají malé. Pro vyšší napěťové systémy musí být použit zazemňovací transformátor k připojení neutrálního bodu skrze impedanci.

Když je jedna strana hlavního transformátoru podstanice (např. strana 10 kV) připojena v trojúhelníkovém nebo hvězdicovém způsobu bez vyvedené neutrální spojky a jednofázový kapacitivní zemný proud je velký, není k dispozici žádný neutrální bod pro zazemlení. V takových případech se používá zazemňovací transformátor k vytvoření umělého neutrálního bodu, což umožňuje připojení k doutnáči. Tento umělý neutrální bod umožňuje systému kompenzovat kapacitivní proud a uhasit zemné oblouky – toto je základní role zazemňovacího transformátoru.

Během normálního provozu zaznamenává zazemňovací transformátor vyvážené třífázové napětí a nese pouze malý excitační proud, funguje tedy téměř nezatěžovaně. Rozdíl potenciálů mezi neutrálem a zemí je nulový (bez ohledu na malé posunutí neutrálu způsobené doutnáčem) a žádný proud neproudí dutnáčem. Pokud dojde například k zemné chybě fáze C, vzniklá nulová sekvence napětí (odvozena z asymetrie) poteče dutnáčem k zemi. Dutnáč generuje induktivní proud, který kompenzuje kapacitivní zemný chybový proud, čímž eliminuje oblouk – funkčně identické s samostatným doutnáčem.

V nedávné době došlo v určitém regionu v 110 kV podstanicích k několika nesprávným operacím ochrany zazemňovacího transformátoru, což závažně ovlivnilo stabilitu sítě. Pro identifikaci základních příčin byly provedeny analýzy, implementovány opravné opatření a sdíleny zkušenosti, aby se zabránilo opakování a vedly další oblasti.

S rostoucím využitím kabelových vedení v 10 kV sítích 110 kV podstanic dochází k výraznému nárůstu jednofázových kapacitivních zemných proudů. Aby se potlačila výše přepětí během zemných chyb, nyní mnoho 110 kV podstanic instaluje zazemňovací transformátory k implementaci nízkoodporového zazemlení, což vytváří cestu pro nulovou sekvenci proudu. To umožňuje selektivní ochranu nulové sekvence izolovat zemné chyby podle polohy, prevence znovuvznícení oblouků a zajištění bezpečné dodávky energie.

Od roku 2008 určitý region modernizoval své 10 kV systémy 110 kV podstanic na nízkoodporové zazemlení instalací zazemňovacích transformátorů a souvisejících ochranných zařízení. To umožňuje rychlé izolování jakékoli zemné chyby vedení 10 kV, minimalizace dopadu na síť. Avšak nedávno v pěti 110 kV podstanicích v regionu došlo k opakujícím se nesprávným operacím ochrany zazemňovacího transformátoru, což způsobilo výpadky a hrozilo stabilitě sítě. Je proto klíčové identifikovat příčiny a implementovat řešení.

1. Analýza příčin nesprávného chování ochrany zazemňovacího transformátoru

Když dojde k zemné chybě vedení 10 kV, měla by se nejdříve aktivovat ochrana nulové sekvence vedení 10 kV v 110 kV podstanici, aby izolovala chybu. Pokud selže, zapne se zálohová ochrana nulové sekvence zazemňovacího transformátoru, která odpojí spojku sběrnice a hlavního transformátoru, aby omezila chybu. Proto je klíčové správné fungování ochrany vedení 10 kV a spínačů. Statistická analýza nesprávných operací v pěti podstanicích ukazuje, že selhání ochrany vedení je hlavní příčinou.

Ochrana nulové sekvence vedení 10 kV funguje následovně: vzorkování nulové sekvence CT → aktivace ochrany → odpojení spínače. Klíčové komponenty jsou nulová sekvence CT, relé ochrany a spínač. Analýza se zaměřuje na tyto:

1.1 Chyby nulové sekvence CT způsobující nesprávnou operaci
Při zemné chybě detekuje nulová sekvence CT vadného vedení chybový proud, což aktivuje jeho ochranu. Současně nulová sekvence CT zazemňovacího transformátoru také zaznamenává proud. Aby se zajistila selektivita, jsou nastavení ochrany vedení (např. 60 A, 1,0 s) nižší než nastavení zazemňovacího transformátoru (např. 75 A, 1,5 s pro odpojení spojky sběrnice, 2,5 s pro odpojení hlavního transformátoru). Nicméně, chyby CT (např. -10% u CT zazemňovacího transformátoru, +10% u CT vedení) mohou udělat skutečné aktivační proudy téměř stejné (67,5 A vs. 66 A), což zvyšuje riziko překročení zazemňovacího transformátoru.

1.2 Nesprávné zazemlení štítu kabelu způsobující nesprávnou operaci
Vedení 10 kV používají kabely s štítem, které jsou zazemleny na obou koncích – běžná praxe ke snížení EMI. Nulové sekvence CT jsou obvykle toroidální, instalované kolem kabelu na výstupu rozdělovače. Při zemné chybě nevyvážený proud vyvolá signál v CT. Pokud je štít zazemlen na obou koncích, obvodové proudy štítu také procházejí CT, což zkresluje měření. Bez správné instalace (např. zemnicový drát štítu správně prochází CT) může ochrana vedení selhat, což způsobí překročení zazemňovacího transformátoru.

1.3 Selhání ochrany vedení způsobující nesprávnou operaci
I když mikroprocesorová relé nabízejí vysoký výkon, kvalita produktů se liší. Běžná selhání se týkají zdroje napájení, vzorkování, CPU nebo modulu výstupu pro odpojení. Pokud nejsou zjištěna, mohou způsobit odmítnutí ochrany, což vede k nesprávné operaci zazemňovacího transformátoru.

1.4 Selhání spínače vedení způsobující nesprávnou operaci
Zastaralé, často používané nebo špatné kvality spínače (zejména starší typy GG-1A v venkovských oblastech) mají vyšší míru selhání. Chyby v kontrolním obvodu – zejména spálené cívečky odpojení – brání spínači v práci, i když ochrana dává příkaz k odpojení, což nutí zálohovou ochranu zazemňovacího transformátoru k akci.

1.5 Vysokoodporové zemné chyby na jednom nebo dvou vedeních způsobující nesprávnou operaci
Pokud dojde na stejnou fázi současně k vysokoodporovým zemným chybám na dvou vedeních, individuální nulové sekvence proudy (např. 40 A a 50 A) mohou zůstat pod hodnotou aktivačního prahu vedení (60 A), ale jejich součet (90 A) přesahuje nastavení zazemňovacího transformátoru (75 A), což způsobí překročení. I jedna závažná vysokoodporová chyba (např. 58 A) kombinovaná s normálním kapacitivním proudem (např. 12–15 A) může blížit 75 A. Perturbace systému pak mohou vyvolat nesprávnou operaci.

2. Opatření k prevenci nesprávného chování

2.1 Řešení chyb CT

Použijte vysokokvalitní nulové sekvence CT; odmítněte jednotky s chybou >5% během zavedení; nastavte prahy ochrany na základě primárních hodnot; ověřte nastavení pomocí primárního vstřikování testu.

2.2 Oprava zazemlení štítu kabelu

• Vedení zemnících vodičů směřujte dolů přes nulové sekvence CT a izolujte je od kabelových kolejnic; před CT se s nimi nedotýkejte.

• Pro testování nechte expozované koncovky vodičů; zbytek izolujte.

• Pokud je bod zemnícího spojení pod CT, neprovedete ho přes CT. Nepořádejte bod zemnícího spojení uvnitř okna CT.

• Zapojte pracovníky na ochranu a kabely do školení pro správnou instalaci.

• Upřetěžujte společné přijímací kontroly týmy relé, provozu a kabelů.

2.3 Předcházení odmítání ochrany

Používejte osvědčené, spolehlivé relé; nahraďte stárnuté nebo vadné jednotky; zlepšujte údržbu; instalujte chlazení/ventilaci, aby se zabránilo přetopení.

2.4 Předcházení odmítání spínacích zařízení

Používejte spolehlivá, moderní spínací zařízení (např. pružinové nebo motorově nabíjené uzavřené typy); vyřaďte staré skříně GG-1A; udržujte ovládací obvody; používejte vysokokvalitní cívky pro vypnutí.

2.5 Zmírnění rizik spojených s vysokou impedancí

Rychle vyšetřujte a uvolňujte vývod, když dojde k poplachům ohledně zemnice; zkrácujte délku vývodů; vyvažujte fázové zatížení, aby byl minimalizován normální kapacitní proud.

3. Závěr

I když transformátory zemnící zlepšují strukturu a stabilitu sítě, opakující se nesprávné operace ukazují skrytá rizika. Tento článek analyzuje klíčové příčiny a navrhuje praktická řešení, která mají vést oblasti, které již nainstalovaly nebo plánují nainstalovat transformátory zemnící.

Transformátory zemnící typu Zigzag (Z-typ)

V distribučních sítích 35 kV a 66 kV jsou cívkové vinutí transformátorů obvykle spojeny ve hvězdici s dostupným neutrálním bodem, což eliminuje potřebu transformátorů zemnících. V sítích 6 kV a 10 kV však delta-spojené transformátory nemají neutrální bod, což vyžaduje transformátor zemnící k jeho poskytnutí – primárně pro připojení tlumičů oblouků.

Transformátory zemnící používají spojení cívkových vinutí typu zigzag (Z-typ): každé fázové vinutí je rozděleno mezi dvě nožičky jádra. Nulové sekvence magnetického toku z obou vinutí se navzájem ruší, což vede k velmi nízké nulové sekvenci impedance (typicky <10 Ω), nízkým ztrátám bez zátěže a využití více než 90 % nominální kapacity. Naopak, tradiční transformátory mají mnohem vyšší nulovou sekvenci impedance, což omezuje kapacitu tlumičů oblouků na ≤20% nominální kapacity transformátoru. Proto jsou transformátory typu Z optimální pro aplikace zemnící.

Když je nesrovnalost napětí systému velká, stačí vyvážená vinutí typu Z pro měření. V systémech s nízkou nesrovnalostí (např. síť s pouze kabely) je neutrální bod navržen tak, aby produkoval 30–70 V nesrovnalosti napětí pro potřeby měření.

Transformátory zemnící mohou také dodávat sekundární zátěž, slouží jako stanice transformátorů. V těchto případech je hlavní nominální hodnota rovna součtu kapacity tlumiče oblouků a kapacity sekundární zátěže.

Hlavní funkcí transformátoru zemnícího je poskytovat kompenzační proud při zemním závadě.

Obrázek 1 a Obrázek 2 ukazují dva běžné spoje transformátorů zemnících typu Z: ZNyn11 a ZNyn1. Princip nízké nulové sekvence impedance je následující: každá nožička jádra obsahuje dvě identická vinutí připojená k různým fázovým napětím. Pod kladnou nebo zápornou sekvencí napětí je magnetická síla (MMF) na každé nožičce vektorovým součtem dvou fázových MMF. Tři MMF na nožičkách jsou vyváženy a od sebe jsou odlehlelé o 120°, tvoří uzavřenou magnetickou cestu s nízkou odporovostí, vysokým magnetickým tokem, vysokým indukovaným napětím a tedy vysokou magnetizační impedancí.

Pod nulovou sekvenci napětí dva vinuti na každé nožičce produkují stejnou, ale opačnou MMF, což vede k nulové celkové MMF na každé nožičce. Nulový magnetický tok v jádru nepramení; místo toho se pohybuje skrz nádrž a okolní prostředí, kde setkává s vysokou odporovostí. V důsledku toho je nulový magnetický tok a impedancia velmi nízké.