در سیستم برق چین، شبکههای ۶ کیلوولت، ۱۰ کیلوولت و ۳۵ کیلوولت معمولاً از حالت عملیاتی بدون زمینگذاری نقطه میانی استفاده میکنند. طرف ولتاژ توزیع در ترانسفورماتورهای اصلی شبکه معمولاً به صورت مثلثی متصل میشود که هیچ نقطه میانی برای اتصال مقاومتهای زمینگذاری فراهم نمیکند. وقتی خطا یکفازی در یک سیستم بدون زمینگذاری نقطه میانی رخ میدهد، مثلث ولتاژ دو-فازی متقارن باقی میماند که به حداقل رساندن اختلال در عملیات کاربران میپردازد. علاوه بر این، وقتی جریان ظرفیتی نسبتاً کوچک است (کمتر از ۱۰ آمپر)، برخی از خطاها موقتاً خودباز میشوند که بسیار مؤثر در افزایش قابلیت اطمینان تأمین برق و کاهش حوادث قطع برق است.
با این حال، با گسترش و توسعه مداوم صنعت برق، این روش ساده دیگر قادر به پاسخگویی به نیازهای فعلی نیست. در شبکههای برق شهری مدرن، استفاده رو به افزایش از مدارهای کابلی منجر به افزایش قابل توجه جریان ظرفیتی (بیش از ۱۰ آمپر) شده است. در این شرایط، قوس زمینی نمیتواند به طور مطمئن خاموش شود، که منجر به نتایج زیر میشود:
خاموش و روشن شدن متناوب قوس یکفازی میتواند ولتاژهای بیش از اندازه با دامنه تا ۴U (که U ولتاژ فازی است) یا حتی بیشتر ایجاد کند که به مدت طولانی به طول میانجامد. این وضعیت تهدید جدی برای عایق بندی تجهیزات الکتریکی است که ممکن است به تخریب نقاط ضعیف عایق بندی منجر شود و خسارات قابل توجهی ایجاد کند.
قوس زمینی مداوم هوا را یونیزه میکند و خصوصیات عایق بندی آن را کاهش میدهد و احتمال قطع بین فازی را افزایش میدهد.
ولتاژهای بیش از اندازه فرورنزونی ممکن است رخ دهد که به راحتی میتواند ترانسفورماتورهای ولتاژ و محافظهای برقآبی را خراب کند - حتی ممکن است منجر به انفجار محافظهای برقآبی شود. این نتایج تهدید جدی برای تمامیت عایق بندی تجهیزات شبکه و عملیات ایمن کل سیستم برق را میکند.
برای جلوگیری از چنین حوادثی و فراهم کردن جریان و ولتاژ دنباله صفر کافی برای عملکرد مطمئن محافظهای خطا زمینی، لازم است یک نقطه میانی مصنوعی ایجاد شود تا یک مقاومت زمینی به آن متصل شود. این نیاز منجر به توسعه ترانسفورماتورهای زمینگذاری (معروف به "ترانسفورماتورهای زمینگذاری" یا "واحد زمینگذاری") شد. یک ترانسفورماتور زمینگذاری نقطه میانی مصنوعی با یک مقاومت زمینی ایجاد میکند که معمولاً مقاومت بسیار کمی دارد (معمولاً کمتر از ۵ اهم).
علاوه بر این، به دلیل ویژگیهای الکترومغناطیسی، ترانسفورماتور زمینگذاری مقاومت بالایی به جریانهای دنباله مثبت و منفی ارائه میدهد، که فقط اجازه میدهد جریان تحریک کوچکی از طریق پیچههای آن جریان یابد. در هر دندانه هسته، دو بخش پیچه به جهتهای مخالف پیچیده شدهاند. وقتی جریانهای دنباله صفر برابر از طریق این پیچهها جریان مییابند، آنها مقاومت کمی ارائه میدهند، که منجر به کاهش کم ولتاژ در پیچهها در شرایط دنباله صفر میشود.
به طور خاص، در زمان خطا، پیچه جریانهای دنباله مثبت، منفی و صفر را منتقل میکند. آن مقاومت بالایی به جریانهای دنباله مثبت و منفی ارائه میدهد اما مقاومت کمی به جریان دنباله صفر ارائه میدهد. این به این دلیل است که در همان فاز، دو پیچه به صورت سری با قطبیت مخالف متصل شدهاند؛ القای الکتروموتوری آنها از نظر اندازه برابر اما از نظر جهت مخالف هستند، بنابراین یکدیگر را خنثی میکنند و بدین ترتیب مقاومت کمی به جریان دنباله صفر ارائه میدهند.
در بسیاری از کاربردها، ترانسفورماتورهای زمینگذاری تنها برای ایجاد یک نقطه میانی با مقاومت زمینی کوچک استفاده میشوند و هیچ بار ثانویهای را تأمین نمیکنند. بنابراین، بسیاری از ترانسفورماتورهای زمینگذاری بدون پیچه ثانویه طراحی شدهاند. در طول عملیات معمول شبکه، ترانسفورماتور زمینگذاری به طور اساسی در حالت بدون بار عمل میکند. با این حال، در زمان خطا، فقط برای مدت کوتاهی جریان خطا را منتقل میکند. در یک سیستم زمینگذاری با مقاومت کم، وقتی خطا یکفازی در سمت ۱۰ کیلوولت رخ میدهد، محافظهای دنباله صفر با حساسیت بالا خطا را به سرعت تشخیص میدهند و موقتاً خط خطا را جدا میکنند.
ترانسفورماتور زمینگذاری فقط در بازه کوتاه بین وقوع خطا و عملکرد محافظهای دنباله صفر خط فعال است. در این زمان، جریان دنباله صفر از طریق مقاومت زمینی و ترانسفورماتور زمینگذاری جریان مییابد، که به فرمول I_R = U / (R₁ + R₂) پیروی میکند، که در آن U ولتاژ فازی سیستم، R₁ مقاومت زمینی و R₂ مقاومت اضافی در حلقه خطا است.
بر اساس تحلیل فوق، ویژگیهای عملیاتی یک ترانسفورماتور زمینگذاری عبارتند از: عملیات بدون بار در طول مدت و بار موقتی در زمان خطا.
به طور خلاصه، یک ترانسفورماتور زمینگذاری نقطه میانی مصنوعی ایجاد میکند تا یک مقاومت زمینی به آن متصل شود. در زمان خطا، آن مقاومت بالایی به جریانهای دنباله مثبت و منفی ارائه میدهد اما مقاومت کمی به جریان دنباله صفر ارائه میدهد، که بدین ترتیب عملکرد مطمئن محافظهای خطا زمینی را تضمین میکند.
در حال حاضر، ترانسفورماتورهای زمینگذاری نصب شده در زیرстанسیونها دو هدف اصلی دارند:
تأمین برق متناوب ولتاژ پایین برای استفاده کمکی زیرستانسیون؛
ایجاد یک نقطه میانی مصنوعی در سمت ۱۰ کیلوولت که با ترکیب با یک سیمپیچ خاموشکننده قوس (سیمپیچ پیترسن) جریان خطا ظرفیتی را در خطا یکفازی ۱۰ کیلوولت جبران میکند و بدین ترتیب قوس خطا را خاموش میکند. اصل کار به شرح زیر است:
در طول کل مسیر رسانهها در یک شبکه برق سهفاز، ظرفیت بین فازها و بین هر فاز و زمین وجود دارد. وقتی نقطه میانی شبکه به طور محکم زمینگذاری نشده است، ظرفیت زمینی فاز خطا در زمان خطا یکفازی به صفر میرسد، در حالی که ولتاژ فازهای دیگر به √3 برابر ولتاژ فازی معمولی افزایش مییابد. اگرچه این افزایش ولتاژ همچنان در محدوده طراحی عایق بندی است، اما ظرفیت زمینی آنها را افزایش میدهد. جریان خطا ظرفیتی در زمان خطا یکفازی تقریباً سه برابر جریان ظرفیتی هر فاز معمولی است. وقتی این جریان بزرگ شود، به راحتی میتواند قوسهای متناوب را حفظ کند، ارتعاشات رزونانسی را در مدار القایی-ظرفیتی شبکه تحریک کند و ولتاژهای بیش از اندازه تا ۲.۵-۳ برابر ولتاژ فازی ایجاد کند. هر چه ولتاژ شبکه بیشتر باشد، خطر از این ولتاژهای بیش از اندازه بیشتر خواهد بود. بنابراین، فقط سیستمهای زیر ۶۰ کیلوولت میتوانند با نقطه میانی بدون زمینگذاری عمل کنند، زیرا جریانهای خطا ظرفیتی یکفازی آنها کوچک میماند. برای سیستمهای با ولتاژ بالاتر، باید از یک ترانسفورماتور زمینگذاری برای اتصال نقطه میانی از طریق امپدانس استفاده شود.
هنگامی که یک طرف ترانسفورماتور اصلی زیراستانسیون (مثلاً طرف ۱۰ کیلوولت) به صورت دلتا یا ستاره بدون نوتروال خروجی متصل میشود و جریان ظرفیتی تکفاز بزرگ است، نقطه نوتروال برای زمینبندی در دسترس نیست. در این شرایط، از یک ترانسفورماتور زمینبندی برای ایجاد یک نقطه نوتروال مصنوعی استفاده میشود که امکان اتصال به سیم پیچ خنثیکننده قوس را فراهم میکند. این نقطه نوتروال مصنوعی به سیستم اجازه میدهد تا جریان ظرفیتی را جبران کند و قوس زمینی را خاموش کند—این نقش اساسی ترانسفورماتور زمینبندی است.
در حالت عملکرد عادی، ترانسفورماتور زمینبندی با ولتاژ سهفاز تعادلی مواجه میشود و فقط جریان برانگیزه کوچکی را منتقل میکند و عملاً بدون بار کار میکند. اختلاف پتانسیل بین نقطه نوتروال و زمین صفر است (به غیر از ولتاژ کوچک جابجایی نوتروال از سیم پیچ خنثیکننده)، و هیچ جریانی از طریق سیم پیچ عبور نمیکند. اگر مثلاً فاز C دچار خرابی زمینی شود، ولتاژ دنباله صفر (از نامتقارن بودن) از طریق سیم پیچ خنثیکننده به زمین میرود. سیم پیچ جریان القایی تولید میکند که جریان خرابی زمینی ظرفیتی را جبران میکند و بدین ترتیب قوس را خاموش میکند—که عملکردی مشابه با سیم پیچ خنثیکننده مستقل است.
در سالهای اخیر، عملکردهای اشتباه متعددی از محافظ ترانسفورماتور زمینبندی در زیراستانسیونهای ۱۱۰ کیلوولت در منطقهای خاص رخ داده است که به شدت بر پایداری شبکه تأثیر گذاشته است. برای شناسایی دلایل اساسی، تحلیلها انجام شدند، اقدامات اصلاحی اعمال شدند و درسها به اشتراک گذاشته شدند تا از تکرار آن جلوگیری شود و مناطق دیگر را هدایت کند.
با افزایش استفاده از خطوط فیدر کابلی در شبکههای ۱۰ کیلوولت زیراستانسیونهای ۱۱۰ کیلوولت، جریانهای ظرفیتی تکفاز به طور قابل توجهی افزایش یافته است. برای کاهش میزان ولتاژ بیش از حد در مواقع خرابی زمینی، بسیاری از زیراستانسیونهای ۱۱۰ کیلوولت اکنون ترانسفورماتورهای زمینبندی را برای اجرای زمینبندی مقاومت کم نصب میکنند که مسیر جریان دنباله صفر را ایجاد میکند. این امر امکان محافظت دنباله صفر انتخابی برای جدا کردن خرابیهای زمینی بر اساس مکان را فراهم میکند، که باعث خاموش شدن مجدد قوس و تأمین برق ایمن میشود.
از سال ۲۰۰۸، یک منطقه خاص سیستمهای ۱۰ کیلوولت زیراستانسیونهای ۱۱۰ کیلوولت خود را با نصب ترانسفورماتورهای زمینبندی و دستگاههای محافظت مرتبط به زمینبندی مقاومت کم تبدیل کرده است. این امر امکان جدا کردن سریع هر خرابی زمینی فیدر ۱۰ کیلوولت و کاهش تأثیر بر شبکه را فراهم میکند. با این حال، اخیراً، پنج زیراستانسیون ۱۱۰ کیلوولت در منطقه عملکردهای اشتباه مکرر محافظ ترانسفورماتور زمینبندی را تجربه کردهاند که باعث قطع برق و تهدید پایداری شبکه شده است. بنابراین، شناسایی دلایل و اجرای راهحلها ضروری است.
۱. تحلیل دلایل عملکرد اشتباه محافظ ترانسفورماتور زمینبندی
وقتی یک فیدر ۱۰ کیلوولت دچار خرابی زمینی میشود، محافظ دنباله صفر فیدر در زیراستانسیون ۱۱۰ کیلوولت باید ابتدا عمل کند تا خرابی را جدا کند. اگر این اتفاق نیفتاد، محافظ دنباله صفر پشتیبان ترانسفورماتور زمینبندی میترکد تا مدارکننده میانسوئیچ و ترانسفورماتور اصلی را باز کند تا خرابی را محدود کند. بنابراین، عملکرد صحیح محافظ فیدر ۱۰ کیلوولت و مدارکنندهها بسیار مهم است. تحلیل آماری عملکردهای اشتباه در پنج زیراستانسیون نشان میدهد که شکست محافظ فیدر عامل اصلی است.
محافظ دنباله صفر فیدر ۱۰ کیلوولت به این صورت عمل میکند: نمونهبرداری CT دنباله صفر → شروع محافظ → باز شدن مدارکننده. مؤلفههای کلیدی شامل CT دنباله صفر، رله محافظ و مدارکننده هستند. تحلیل بر روی این مؤلفهها متمرکز است:
۱.۱ خطاهای CT دنباله صفر که باعث عملکرد اشتباه میشوند
در حین خرابی زمینی، CT دنباله صفر فیدر خرابی جریان خرابی را تشخیص میدهد و محافظ آن را فعال میکند. همزمان، CT دنباله صفر ترانسفورماتور زمینبندی نیز جریان را تشخیص میدهد. برای تضمین انتخابی بودن، تنظیمات محافظ فیدر (مثلاً ۶۰ آمپر، ۱.۰ ثانیه) کمتر از تنظیمات ترانسفورماتور زمینبندی (مثلاً ۷۵ آمپر، ۱.۵ ثانیه برای میانسوئیچ، ۲.۵ ثانیه برای ترانسفورماتور اصلی) هستند. با این حال، خطاهای CT (مثلاً -۱۰٪ برای CT ترانسفورماتور زمینبندی، +۱۰٪ برای CT فیدر) میتوانند جریانهای واقعی تقریباً یکسان (۶۷.۵ آمپر در مقابل ۶۶ آمپر) را ایجاد کنند و فقط به تأخیر زمانی وابسته باشند. این امر خطر تجاوز ترانسفورماتور زمینبندی را افزایش میدهد.
۱.۲ زمینبندی اشتباه سیمپیچ کابل باعث عملکرد اشتباه میشود
فیدرهای ۱۰ کیلوولت از کابلهای سیمپیچ شده با سیمپیچهای زمینبندی شده در هر دو سر استفاده میکنند—که یک روش معمول برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی است. CTهای دنباله صفر معمولاً حلقوی هستند و در اطراف کابل در محل خروجی دستگاه نصب میشوند. در حین خرابی زمینی، جریان نامتوازن سیگنالی را در CT القا میکند. با این حال، اگر سیمپیچ در هر دو سر زمینبندی شده باشد، جریانهای دورانی سیمپیچ نیز از طریق CT عبور میکنند و اندازهگیری را تحریف میکنند. بدون نصب صحیح (مثلاً سیم زمینبندی سیمپیچ به درستی از طریق CT عبور کند)، محافظ فیدر ممکن است شکست بخورد و باعث تجاوز ترانسفورماتور زمینبندی شود.
۱.۳ شکست محافظ فیدر باعث عملکرد اشتباه میشود
اگرچه رلههای مبتنی بر میکروپروسسور عملکرد بالایی دارند، کیفیت محصولات متفاوت است. شکستهای معمول شامل مدولهای تغذیه، نمونهبرداری، CPU یا خروجی مدارکننده هستند. اگر این شکستها شناسایی نشوند، میتوانند باعث عدم عملکرد محافظ شوند و باعث عملکرد اشتباه ترانسفورماتور زمینبندی شوند.
۱.۴ شکست مدارکننده فیدر باعث عملکرد اشتباه میشود
افت سالانه، عملیات مکرر یا کیفیت ضعیف مدارکنندهها (به ویژه مدارکنندههای قدیمی GG-1A در مناطق روستایی) نرخ شکست را افزایش میدهند. خرابیهای مدار کنترل—به ویژه سوزاندن لیموی مدارکننده—مدارکننده را حتی وقتی محافظ دستور مدارکننده میدهد، از کار میاندازند و باعث عملکرد محافظ پشتیبان ترانسفورماتور زمینبندی میشوند.
۱.۵ خرابیهای زمینی با مقاومت بالا در یک یا دو فیدر باعث عملکرد اشتباه میشوند
اگر دو فیدر همزمان خرابیهای زمینی با مقاومت بالا در یک فاز را تجربه کنند، جریانهای دنباله صفر فردی (مثلاً ۴۰ آمپر و ۵۰ آمپر) ممکن است زیر حد قبولی فیدر (۶۰ آمپر) باقی بمانند، اما مجموع آنها (۹۰ آمپر) بیش از تنظیم ترانسفورماتور زمینبندی (۷۵ آمپر) است و باعث تجاوز میشود. حتی یک خرابی زمینی با مقاومت بالا شدید (مثلاً ۵۸ آمپر) با جریان ظرفیتی عادی (مثلاً ۱۲–۱۵ آمپر) میتواند به ۷۵ آمپر نزدیک شود. اختلالات سیستم میتوانند باعث عملکرد اشتباه شوند.
۲. اقدامات برای جلوگیری از عملکرد اشتباه
۲.۱ رفع خطاهای CT
استفاده از CTهای دنباله صفر با کیفیت بالا؛ رد CTهایی با خطای بیش از ۵٪ در مرحله راهاندازی؛ تنظیم آستانههای محافظ بر اساس مقادیر اصلی؛ تأیید تنظیمات از طریق تست تزریق اصلی.
۲.۲ رفع زمینبندی اشتباه سیمپیچ کابل
سیمهای زمینرسان را از طریق CT دنبالهای صفر به سمت پایین هدایت کرده و از ترکیب با قابهای کابل جدا نگه دارید؛ قبل از CT تماس بگیرید.
انتهاي رسانههای عریان را برای آزمون باقی بگذارید؛ بقیه را عایق کنید.
اگر نقطه زمینرسانی زیر CT باشد، آن را از طریق CT هدایت نکنید. جایگذاری نقطه زمینرسانی در داخل پنجره CT را اجتناب دهید.
پرسنل حفاظت و کابل را در مورد نصب صحیح آموزش دهید.
بررسیهای مشترک توسط تیمهای رله، عملیات و کابل را اجرا کنید.
۲.۳ جلوگیری از عدم پاسخ حفاظت
از رلههای اثبات شده و قابل اعتماد استفاده کنید؛ واحدهای قدیمی یا خراب را تعویض کنید؛ نگهداری را افزایش دهید؛ سیستم خنکسازی/تهویه را نصب کنید تا از گرم شدن اضافی جلوگیری شود.
۲.۴ جلوگیری از عدم پاسخ برشکن
از برشکنهای قابل اعتماد و مدرن (مانند انواع موتوری یا فنری) استفاده کنید؛ قفسههای قدیمی GG-1A را منسوخ کنید؛ مدارهای کنترلی را نگهداری کنید؛ از کواترهای با کیفیت بالا استفاده کنید.
۲.۵ کاهش ریسکهای خطاهای مقاومت بالا
هنگامی که هشدارهای زمینی رخ میدهند، فیدرهای مربوطه را به سرعت بررسی و پاک کنید؛ طول فیدرها را کاهش دهید؛ بارهای فازی را متعادل کنید تا جریان ظرفیتی عادی کاهش یابد.
۳. نتیجهگیری
در حالی که ترانسفورماتورهای زمینی ساختار و پایداری شبکه را بهبود میبخشند، عملیات نادرست مکرر وجود خطرات پنهان را نشان میدهند. این مقاله علل کلیدی را تحلیل کرده و راهحلهای عملی را برای راهنمایی مناطقی که ترانسفورماتورهای زمینی را نصب کردهاند یا قصد نصب آنها را دارند، پیشنهاد میکند.
ترانسفورماتورهای زمینی نوع Z (Zigzag)
در شبکههای توزیع ۳۵ کیلوولت و ۶۶ کیلوولت، پیچههای ترانسفورماتور معمولاً به صورت ستارهای متصل میشوند و نقطه نیمهمرکزی موجود است، بنابراین نیازی به ترانسفورماتور زمینی نیست. اما در شبکههای ۶ کیلوولت و ۱۰ کیلوولت، ترانسفورماتورهای متصل به صورت دلتا نقطه نیمهمرکزی ندارند و به یک ترانسفورماتور زمینی برای ایجاد آن نیاز دارند—به طور اصلی برای اتصال قطعات خنثیکننده قوس.
ترانسفورماتورهای زمینی از اتصالات پیچهای نوع Z (Zigzag) استفاده میکنند: هر پیچه فازی به دو بخش روی دو پایه تقسیم میشود. جریانهای مغناطیسی دنبالهای صفر از دو پیچه یکدیگر را خنثی میکنند که منجر به مقاومت دنبالهای صفر بسیار کم (معمولاً <۱۰ اهم)، تلفات بدون بار کم و استفاده از بیش از ۹۰٪ ظرفیت اسمی میشود. در مقابل، ترانسفورماتورهای معمولی مقاومت دنبالهای صفر بسیار بیشتری دارند که ظرفیت قطعات خنثیکننده قوس را به ≤۲۰٪ ظرفیت ترانسفورماتور محدود میکند. بنابراین، ترانسفورماتورهای نوع Z برای کاربردهای زمینی بهینه هستند.
وقتی ولتاژ نامتوازن سیستم زیاد است، پیچههای نوع Z متعادل برای اندازهگیری کافی هستند. در سیستمهای با نامتوازن کم (مانند شبکههای کامل کابلی)، نیمهمرکزی طراحی شده است تا ولتاژ نامتوازن ۳۰-۷۰ ولت برای نیازهای اندازهگیری تولید کند.
ترانسفورماتورهای زمینی میتوانند همچنین بارهای ثانویه را تأمین کنند و به عنوان ترانسفورماتورهای خدماتی ایستگاه عمل کنند. در چنین مواردی، ظرفیت اصلی برابر با مجموع ظرفیت قطعات خنثیکننده قوس و ظرفیت بار ثانویه است.
وظیفه اصلی یک ترانسفورماتور زمینی ارائه جریان جبرانی خطای زمین است.
شکل ۱ و شکل ۲ دو اتصال معمول ترانسفورماتور زمینی نوع Z را نشان میدهند: ZNyn11 و ZNyn1. اصل پشت مقاومت دنبالهای صفر کم به شرح زیر است: هر پایه شامل دو پیچه یکسان متصل به ولتاژهای فاز مختلف است. تحت ولتاژ دنبالهای مثبت یا منفی، نیروی مغناطیسی (MMF) روی هر پایه برابر است با مجموع برداری دو MMF فاز. سه MMF پایه متعادل هستند و ۱۲۰ درجه با یکدیگر اختلاف دارند، مسیر مغناطیسی بستهای با مقاومت کم، جریان مغناطیسی بالا، ولتاژ القایی بالا و در نتیجه مقاومت مغناطیسی بالا را تشکیل میدهند.
تحت ولتاژ دنبالهای صفر، دو پیچه روی هر پایه MMFهای برابر اما مخالف تولید میکنند که منجر به MMF خالص صفر روی هر پایه میشود. جریان مغناطیسی دنبالهای صفر در هسته جریان نمییابد؛ بلکه از طریق ظرف و محیط اطراف میچرخد و با مقاومت بالا مواجه میشود. بنابراین، جریان مغناطیسی دنبالهای صفر و مقاومت بسیار کم هستند.
