Analyse af årsager til fejlagtig udtagning af jordforbindelsestransformatorbeskyttelse

I Kinas elektriske system anvender 6 kV, 10 kV og 35 kV-netværk generelt en driftsform med ujordet neutralpunkt. Hovedtransformatorernes fordelingsvoltageside i netværket er normalt forbundet i trekantskonfiguration, hvilket ikke giver nogen neutralpunkt til at forbinde jordningsmodstand. Når der opstår en enefase jordfejl i et system med ujordet neutralpunkt, bliver spændingstrianglen mellem ledene symmetrisk, hvilket påvirker brugernes drift minimalt. Desuden kan nogle kortvarige jordfejl slukke sig selv, når kapacitivstrømmen er relativt lille (mindre end 10 A), hvilket er meget effektivt for at forbedre strømforsyningsreliabiliteten og reducere afbrydelsesfremkomsten.

Men med den kontinuerlige udvikling af energisektoren opfylder denne simple metode ikke længere de aktuelle krav. I moderne bymæssige elektriske netværk har øget brug af kabelkredsløb ført til betydeligt højere kapacitive strømme (der overstiger 10 A). Under disse forhold kan jordbuen ikke pålideligt slukkes, hvilket fører til følgende konsekvenser:

• Intermittent slukning og genopblusning af enefase jordbue kan generere buedriftsoverspændinger med amplituder, der når op til 4U (hvor U er spidsfaset-spændingen) eller endda højere, og vare i lang tid. Dette udgør alvorlige trusler mod isoleringen af elektrisk udstyr, potentielt forårsager nedbrud i svage isoleringspunkter og fører til betydelige tab.

• Varig bue ioniserer omgivende luft, forringede dens isolerende egenskaber og øger risikoen for fase-fase kortslutninger.

• Ferroresonante overspændinger kan opstå, der let skader spændingstransformatorer og overspændingsbeskyttelser - potentielt endda forårsager eksplosioner af beskyttelser. Disse konsekvenser truer alvorligt integriteten af nettets udstyr og sikkerheden ved drift af hele strømsystemet.

For at forhindre sådanne hændelser og give tilstrækkelig nulrækkefølgestrøm og -spænding for at sikre pålidelig drift af jordfejlbeskyttelse, skal der oprettes et kunstigt neutralpunkt, så en jordningsmodstand kan forbindes. Dette behov førte til udviklingen af jordetransformatorer (ofte omtalt som "jordetransformatorer" eller "jordeenheder"). En jordetransformator opretter et kunstigt neutralpunkt med en jordningsmodstand, typisk med meget lav modstand (normalt under 5 ohm).

Desuden præsenterer jordetransformatorerne på grund af deres elektromagnetiske egenskaber høj impedans for positive- og negative-rækkefølgestrømme, hvilket kun tillader, at en lille anslagsstrøm løber gennem dens vindinger. På hver kerneled er to vindingssektioner windet i modsat retning. Når lige store nulrækkefølgestrømme løber gennem disse vindinger, viser de lav impedans, hvilket resulterer i minimal spændingsfald over vindingerne under nulrækkefølgeforhold.

Specifikt, under en jordfejl, bærer vindingen positive-, negative- og nulrækkefølgestrømme. Den præsenterer høj impedans for positive- og negative-rækkefølgestrømme, men lav impedans for nulrækkefølgestrøm. Dette skyldes, at inden for samme fase er de to vindinger forbundet i serie med modsat polaritet; deres inducerede elektromotoriske kraft er lige store, men modsat rettet, hvilket effektivt nulstiller hinanden, og dermed præsenterer lav impedans for nulrækkefølgestrøm.

I mange anvendelser bruges jordetransformatorer udelukkende til at give et neutralpunkt med en lille jordningsmodstand og leverer ingen sekundær belastning. Derfor er mange jordetransformatorer designet uden sekundær vindings. Under normal drift opererer jordetransformatoren i princippet i en ubelasted tilstand. Men under en fejl bærer den kun fejlstrøm i en kort periode. I et lavmodstands-jordet system, når der opstår en enefase jordfejl på 10 kV-siden, identificerer en høj sensitiv nulrækkefølgesbeskyttelse hurtigt og isolerer midlertidigt den defekte feeder. 

Jordetransformatoren er aktiv kun i den korte periode mellem fejlindtrædelsen og operationen af feeders nulrækkefølgesbeskyttelse. I dette tidsrum løber nulrækkefølgestrøm gennem den neutrale jordningsmodstand og jordetransformator, ifølge formlen: I_R = U / (R₁ + R₂), hvor U er systemets fasespænding, R₁ er den neutrale jordningsmodstand, og R₂ er den yderligere modstand i jordfejlsløbet.

Baseret på ovenstående analyse er driftsegenskaberne for en jordetransformator: langtids ubelasted drift og korttids overbelastning under fejl.

Samlet set opretter en jordetransformator et kunstigt neutralpunkt for at forbinde en jordningsmodstand. Under en jordfejl viser den høj impedans for positive- og negative-rækkefølgestrømme, men lav impedans for nulrækkefølgestrøm, hvilket sikrer pålidelig drift af jordfejlbeskyttelse.

I øjeblikket tjener jordetransformatorer, der er installeret i transformatorstationer, to primære formål:

• Levering af lavspændings AC-strøm til hjælpebrug i transformatorstationer;

• Oprettelse af et kunstigt neutralpunkt på 10 kV-siden, som i kombination med en buedempende spole (Petersen spole) kompenserer for kapacitiv jordfejlstrøm under enefase jordfejl på 10 kV, hvilket slukker bue i fejlpunktet. Principperne er følgende:

Langs hele længden af ledere i et trefase strømnet findes kapacitance både mellem faser og mellem hver fase og jord. Når netværkets neutralpunkt ikke er solidt jordet, bliver kapacitancen til jord for den defekte fase nul under en enefase jordfejl, mens spændingerne for de to andre faser stiger til √3 gange den normale fasespænding. Selvom denne øgede spænding forbliver inden for isoleringsdesigngrænser, øger den deres kapacitance til jord. Kapacitiv jordfejlstrøm under en enefase fejl er cirka tre gange den normale per-fase kapacitive strøm. Når denne strøm bliver stor, vedligeholder den let intermittente buer, stimulerer resonanssvingninger i netværkets induktive-kapacitive kredsløb og genererer overspændinger op til 2,5–3 gange fasespændingen. Jo højere netværks-spændingen, jo større risiko fra sådanne overspændinger. Derfor må kun systemer under 60 kV drives med et ujordet neutralpunkt, da deres enefase kapacitive jordfejlstrømme forbliver små. For højere-spændingssystemer skal en jordetransformator bruges til at forbinde neutralpunktet gennem impedans.

Når en side af en hovedtransformator i et understation (f.eks. den 10 kV-side) er forbundet i trekant eller stjerne uden en neutral ledning, og den enefasede kapacitive jordstrøm er stor, er der ingen tilgængelig neutralpunkt til jordforbindelse. I sådanne tilfælde anvendes en jordtransformator for at oprette et kunstigt neutralpunkt, hvilket gør det muligt at forbinde en bueafslukningsbobin. Dette kunstige neutralpunkt tillader systemet at kompensere for kapacitive strømme og slukke jordbuer - dette er den grundlæggende funktion af jordtransformatorer.

Under normal drift oplever jordtransformatoren en balanceret trefas-spænding og bærer kun en lille anspændingsstrøm, og den fungerer næsten ubelasted. Spændingsforskellen mellem neutralpunktet og jorden er nul (bortset fra mindre neutrale forskydningsspændinger fra bueafslukningsbobinen), og der løber ingen strøm gennem bobinen. Hvis f.eks. fase C rammes af en jordfejl, vil den resulterende nulsekvensspænding (afledt fra asymmetrien) løbe gennem bueafslukningsbobinen til jorden. Bobinen genererer en induktiv strøm, der kompenserer for den kapacitive jordfejlstrøm, hvilket eliminerer buen - funktionsmæssigt identisk med en selvstændig bueafslukningsbobin.

I de senere år har der været flere fejloperationer af jordtransformatorbeskyttelsen i 110 kV-understationsfaciliteter i et bestemt område, hvilket alvorligt har påvirket nettets stabilitеть. For at identificere de grundlæggende årsager blev analyser udført, korrektive foranstaltninger implementeret, og erfaringer delt for at forhindre gentagelse og vejlede andre regioner.

Med den øgede brug af kabelforbrugere i 110 kV-understations 10 kV-netværk er enefasede kapacitive jordstrømme steget betydeligt. For at dæmpe overspændingens størrelse under jordfejl installerer mange 110 kV-understationer nu jordtransformatorer for at implementere lav-resistans-jordforbindelse, hvilket skaber en nulsekvensstrøm-bane. Dette gør det muligt for selektiv nulsekvensbeskyttelse at isolere jordfejl baseret på placering, forebygger genoplysning af buer og sikrer sikker strømforsyning.

Siden 2008 har et bestemt område moderniseret dets 110 kV-understations 10 kV-systemer til lav-resistans-jordforbindelse ved installation af jordtransformatorer og relaterede beskyttelsesenheder. Dette gør det muligt at hurtigt isolere enhver 10 kV-forbrugerjordfejl, hvilket minimerer netvirkets påvirkning. Imidlertid har fem 110 kV-understationer i området for nyligt oplevet gentagne fejloperationer af jordtransformatorbeskyttelsen, hvilket har forårsaget nedbrud og truet nettets stabilitet. Derfor er det afgørende at identificere årsager og implementere løsninger.

1. Analyse af årsager til fejloperation af jordtransformatorbeskyttelse

Når en 10 kV-forbruger rammes af en jordfejl, skal forbrugerens nulsekvensbeskyttelse i 110 kV-understationen først fungere for at isolere fejlen. Hvis dette mislykkes, aktiverer jordtransformatorens backup nulsekvensbeskyttelse buskoplings- og hovedtransformatorbrydere for at indskrænke fejlen. Derfor er korrekt drift af 10 kV-forbrugerbeskyttelse og -brydere afgørende. Statistik over fejloperationer i fem understationer viser, at fejl i forbrugerbeskyttelsen er den primære årsag.

Den 10 kV-forbruger nulsekvensbeskyttelse fungerer som følger: nulsekvens CT-prøver → beskyttelse aktiveres → bryder springer. De vigtigste komponenter er nulsekvens CT, beskyttelsesrelæ og bryder. Analyse fokuserer på disse:

1.1 Fejl i nulsekvens CT, der forårsager fejloperation
Under en jordfejl opdager den defekte forbrugers nulsekvens CT fejlstrømmen, hvilket aktiverer dens beskyttelse. Samtidig registrerer jordtransformatorens nulsekvens CT også strømmen. For at sikre selektivitet er forbrugerbeskyttelsesindstillingerne (f.eks. 60 A, 1,0 s) lavere end jordtransformatorindstillingerne (f.eks. 75 A, 1,5 s til spring i buskobling, 2,5 s til spring i hovedtransformator). Men fejl i CT (f.eks. -10% for jordtransformator CT, +10% for forbruger CT) kan gøre de faktiske opstartstrømme næsten ens (67,5 A vs. 66 A), hvilket kun afhænger af tidsforskydning. Dette øger risikoen for overtrædelse af jordtransformator.

1.2 Forkert kabelskild jordforbindelse, der forårsager fejloperation
10 kV-forbrugere bruger skjoldede kabler, hvor skjoldene er jordforbundet i begge ender - en almindelig praksis for at mindske EMI. Nulsekvens CT'er er typisk toroidale, installeret omkring kablet ved udstykningen. Under en jordfejl inducerer ubalanceret strøm et signal i CT. Men hvis skjoldet er jordforbundet i begge ender, passer cirkulerende skjoldstrømmer også gennem CT, hvilket forvrider målingen. Uden korrekt installation (f.eks. skjoldjordeledning passer korrekt gennem CT) kan forbrugerbeskyttelsen mislykkes, hvilket forårsager overtrædelse af jordtransformator.

1.3 Fejl i forbrugerbeskyttelse, der forårsager fejloperation
Selvom mikroprocessorbaserede relæer tilbyder høj ydeevne, varierer produktkvaliteten. Almindelige fejl vedrører strøm, sampling, CPU eller trip-udgangsmoduler. Hvis de ikke opdages, kan de forårsage nej til beskyttelse, hvilket fører til fejloperation af jordtransformator.

1.4 Fejl i forbrugerbryder, der forårsager fejloperation
Forældelse, ofte operationer eller dårlige kvalitetsbrydere (især ældre GG-1A typer i landlige områder) øger fejlprocenten. Kontrolkredsløbsfejl - især brændte trip-spiraler - forhindrer bryderoperation, selv når beskyttelsen beordrer en trip, hvilket tvinger jordtransformatorbackuptil at virke.

1.5 Højimpedans jordfejl på en eller to forbrugere, der forårsager fejloperation
Hvis to forbrugere oplever samtidige højimpedans jordfejl på samme fase, kan individuelle nulsekvensstrømme (f.eks. 40 A og 50 A) blive under forbrugerpickup (60 A), men deres sum (90 A) overstiger jordtransformatorindstilling (75 A), hvilket forårsager overtrædelse. Endda en enkelt alvorlig højimpedansfejl (f.eks. 58 A) kombineret med normal kapacitiv strøm (f.eks. 12-15 A) kan nærme sig 75 A. Systemstyringer kan derefter udløse fejloperation.

2. Foranstaltninger til forebyggelse af fejloperation

2.1 Behandling af CT-fejl

Brug højkvalitets nulsekvens CT'er; forkast enheder med >5% fejl under kommissionering; sæt beskyttelsetærskler baseret på primære værdier; verificer indstillinger via primærinjektionstest.

2.2 Korrigér kabelskild jordforbindelse

• Før skjold jordledninger nedad gennem nul-sekvens CT og isoler fra kabelkanaler; undgå kontakt inden for CT.

• Lad eksponerede ledningsender være til test; isoler resten.

• Hvis skjold jordpunkt er under CT, førs ikke det gennem CT. Undgå at placere jordpunktet inden for CT-vinduet.

• Uddan personale i beskyttelse og kabelinstallation i korrekt installation.

• Gennemfør fælles acceptinspektioner af relæ, drifts- og kabelhold.

2.3 Forebygg beskyttelsesafvisning

Brug bevist, pålidelige relæer; erstat ældre eller defekte enheder; forbedr vedligeholdelse; installér køling/ventilation for at forebygge overophedning.

2.4 Forebygg bryderafvisning

Brug pålidelige, moderne brydere (f.eks. fjeder- eller motor-opladede type); udfase gamle GG-1A skabe; vedligehold styringskredsløb; brug højkvalitets trip spoler.

2.5 Nedsæt risikoen for høj impedans fejl

Undersøg og ryd hurtigt fodere, når jordalarm opstår; reducér foderlængder; balancefaselast for at minimere normal kapacitiv strøm.

3. Konklusion

Selvom jordtransformatorer forbedrer netstruktur og -stabilitet, viser gentagne misoperationer skjulte risici. Denne artikel analyserer nøgleårsager og foreslår praktiske løsninger til vejledning for regioner, der har installeret eller planlægger at installere jordtransformatorer.

Zigzag (Z-type) Jordtransformatorer

I 35 kV og 66 kV distributionsnet, er transformatorvindinger typisk stjernet forbundet med et neutralpunkt til rådighed, hvilket eliminerer behovet for jordtransformatorer. Imidlertid i 6 kV og 10 kV net, mangler deltaforbundne transformatorer et neutralpunkt, hvilket gør det nødvendigt at anvende en jordtransformator for at levere et – primært for at forbinde buelukningsspoiler.

Jordtransformatorer bruger zigzag (Z-type) vindingsforbindelser: hver fasevinding er delt over to kerneben. Nul-sekvens magnetiske flux fra de to vindinger neutraliserer hinanden, hvilket resulterer i meget lav nul-sekvens impedans (typisk <10 Ω), lave tomgangstab og udnyttelse af over 90% af den anslåede kapacitet. I modsætning hertil har konventionelle transformatorer meget højere nul-sekvens impedans, hvilket begrænser buelukningsspoilkapaciteten til ≤20% af transformatorens kapacitet. Derfor er Z-type transformatorer optimale til jordbrug.

Når systemets ubalance spænding er stor, er balancerede Z-type vindinger tilstrækkelige til måling. I lav-ubalanceringssystemer (f.eks. alle-kabel-net), er neutralen designet til at producere 30–70 V ubalance spænding til målingsbehov.

Jordtransformatorer kan også levere sekundære belastninger, som stationsservice-transformatorer. I sådanne tilfælde er den primære kapacitet lig med summen af buelukningsspoilkapacitet og sekundær belastningskapacitet.

Den primære funktion af en jordtransformator er at levere jordfejl kompensationsstrøm.

Figur 1 og Figur 2 viser to almindelige Z-type jordtransformatorforbindelser: ZNyn11 og ZNyn1. Principperne bag lav nul-sekvens impedans er følgende: hvert kerneben indeholder to identiske vindinger forbundet til forskellige fase spændinger. Under positiv- eller negativ-sekvens spænding, er magnetisk drevende kraft (MMF) på hvert ben vektor-summen af to fase MMFs. De tre ben-MMFs er balanceret og 120° fra hinanden, danner en lukket magnetisk sti med lav modstand, høj flux, høj induceret spænding, og dermed høj magnetisering impedans.

Under nul-sekvens spænding, producerer de to vindinger på hvert ben lige store, men modsatte MMFs, hvilket resulterer i nul netto MMF pr. ben. Ingen nul-sekvens flux flyder i kernen; i stedet cirkulerer den gennem tanken og omkringliggende medium, hvor den møder høj modstand. Som følge heraf er nul-sekvens flux og impedans meget lave.