Maanvyörytysmuuntajan suojalaitteen epäasianmukaisen toiminnan syyt

Kiinan sähköjärjestelmässä 6 kV, 10 kV ja 35 kV verkkotasoissa yleensä sovelletaan neutraalipistettä ei-yhdistettyä toimintatapaa. Verkon päämuuntajien jakelujännitepuoli on yleensä yhdistetty kolmikulmiokonfiguraatiossa, mikä ei tarjoa neutraalipistettä maareaktorin yhdistämiseen. Kun neutraalipistettä ei-yhdistetyssä järjestelmässä tapahtuu yksivaiheinen maavirhe, vaihevälijännitetri pysyy symmetrisenä, mikä aiheuttaa vähän häiriöitä käyttäjien toiminnalle. Lisäksi, kun kapasitiivinen virta on suhteellisen pieni (alle 10 A), jotkut väliaikaiset maavirheet voivat suljeta itsestään, mikä on tehokasta sähköntoimituksen luotettavuuden parantamisessa ja sähkökatkojen vähentämisessä.

Kuitenkin, kun sähköalan jatkuva laajentuminen ja kehitys, tämä yksinkertainen menetelmä ei enää vastaa nykyisiä vaatimuksia. Nykyaikaisissa kaupunkiverkoissa kabeliverkostojen lisääntyvä käyttö on johtanut huomattavasti suurempiin kapasitiivisiin virtoihin (yli 10 A). Näissä olosuhteissa maanarkki ei voi suljeta luotettavasti, mikä johtaa seuraaviin seurauksiin:

• Yksivaiheisen maanarkin välittömät sulkeutumiset ja uudelleen syttyminen voivat tuottaa maanarkkiyhdistettyjä ylivirtauksia, joiden amplitudi saattaa nousta jopa 4U:hen (missä U on vaihejännitteen huippuarvo) tai jopa korkeampaan, jatkuvana pitkään. Tämä aiheuttaa vakavia uhkia sähkölaitteiden eristykselle, mikä voi aiheuttaa purkautumisia heikoissa eristyksen pisteissä ja johtaa merkittäviin tappioihin.

• Jatkuvan arkin ionisaatio ympäröivää ilmaa heikentää sen eristysominaisuuksia ja lisää vaiheväliyhdistysten todennäköisyyttä.

• Ferroresonanssiyhdistettyjä ylivirtauksia voi ilmetä, jotka helposti vahingoittavat jännitevaihtelumuuntajia ja surgesuojauslaitteita – jopa aiheuttavat suojalaitepurkautumisia. Nämä seuraukset uhkaavat vakavasti verkon laitteiden erityskokonaisuutta ja koko sähköjärjestelmän turvallista toimintaa.

Tällaisten tapausten estämiseksi ja riittävän nollajärjestysvirran ja -jännitteen varmistamiseksi maavirheen suojauskäytännön luotettavaa toimintaa varten, on luotava tekoisesti neutraalipiste, johon voidaan yhdistää maareaktori. Tämä tarve johti maamuuntajien (yleisemmin tunnetaan "maamuuntajina" tai "maayksikköinä") kehittymiseen. Maamuuntaja luo tekoisesti neutraalipisteen maareaktorilla, jolla on yleensä hyvin alhainen vastus (yleensä alle 5 ohmia).

Lisäksi sen sähkömagneettisten ominaisuuksien vuoksi, maamuuntaja esittää korkean impedanssin positiiviseen ja negatiiviseen järjestysvirtaan, sallien vain pieniä viritysvirtauksia kulkea sen kytkentöissä. Jokaisella ytimen jäsenellä on kytketty kaksi kytkentäosaa päinvastaisiin suuntiin. Kun näiden kytkentöjen läpi kulkee yhtä suuret nollajärjestysvirrat, ne esittävät alhaisen impedanssin, mikä johtaa pieniin jännittpudotuksiin kytkentöissä nollajärjestysolosuhteissa.

Erityisesti maavirheen aikana kytkentä kantaa positiivisia, negatiivisia ja nollajärjestysvirtoja. Se esittää korkean impedanssin positiiviseen ja negatiiviseen järjestysvirtaan, mutta alhaisen impedanssin nollajärjestysvirtaan. Tämä johtuu siitä, että samassa vaiheessa kaksi kytkentää on kytketty sarjatasa päinvastaiseilla napoilla; niiden indusoimat sähkömoottorivoimat ovat yhtä suuret mutta päinvastaiset suuntaan, mikä tehokkaasti peruuttaa toisensa, esittäen alhaisen impedanssin nollajärjestysvirtaa varten.

Monissa sovelluksissa maamuuntajia käytetään pelkästään tarjoamaan neutraalipiste pienellä maareaktorilla eikä ne tarjoa mitään toissijaisia kuormia. Siksi monet maamuuntajat on suunniteltu ilman toissijaisia kytkentöjä. Normaalissa verkon toiminnassa maamuuntaja toimii pääasiassa tyhjällä kuormalla. Kuitenkin virheen aikana se kantaa virhevirtaa vain lyhyen ajan. Matalaresistanssin maayhdistettyssä järjestelmässä, kun 10 kV puolella tapahtuu yksivaiheinen maavirhe, erittäin herkkä nollajärjestys suojaus nopeasti tunnistaa ja tilapäisesti eristää virheellisen tarjontalinjan. 

Maamuuntaja on aktiivinen vain lyhyen ajanjakson aikana virheen syttymisen ja tarjontalinjan nollajärjestys suojauksen toiminnan välillä. Tässä ajassa nollajärjestysvirta kulkee neutraalimaareaktorin ja maamuuntajan läpi, seuraavan kaavan mukaan: I_R = U / (R₁ + R₂), missä U on järjestelmän vaihejännite, R₁ on neutraalimaareaktori, ja R₂ on lisävastus maavirheen silmukassa.

Edellä mainitun analyysin perusteella, maamuuntajan toimintamääritykset ovat: pitkäaikainen tyhjä kuorma ja lyhytaikainen ylikuormitus virheen aikana.

Yhteenvetona, maamuuntaja luo tekoisesti neutraalipisteen maareaktorin yhdistämiseksi. Maavirheen aikana se esittää korkean impedanssin positiiviseen ja negatiiviseen järjestysvirtaan, mutta alhaisen impedanssin nollajärjestysvirtaan, mikä taataan maavirheen suojauksen luotettavan toiminnan.

Nykyisin, muuntamotasoissa asennetut maamuuntajat palvelevat kahdella ensisijaisella tarkoituksella:

• Tarjoavat alhaisjännitteistä vaihtovirtaa muuntamopuolen apukäyttöön;

• Luovat tekoisen neutraalipisteen 10 kV puolelle, joka yhdistettynä arkipoistoarvon kanssa (Petersen-kierre) kompensoi kapasitiivista maavirhevirtaa 10 kV yksivaiheisissa maavirheissä, mikä sulkeearkin virheen paikassa. Periaate on seuraava:

Kolmivaiheisen sähköverkon johtojen koko pituudessa on kapasiteetti sekä vaiheiden välillä että jokaisen vaiheen ja maan välillä. Kun verkon neutraali ei ole kiinteästi maayhdistetty, maavirheen vaiheen maakapasiteetti tulee nollaksi yksivaiheisen maavirheen aikana, kun taas muut kahden vaiheen jännitteet nousevat √3 kertaiseksi normaalia vaihejännitteestä. Vaikka tämä kasvattunut jännite pysyy eristyksen suunnittelurajoissa, se lisää niiden maakapasiteetin. Yksivaiheisen maavirheen aikana kapasitiivinen maavirhevirta on noin kolme kertaa normaali vaihekapasitiivinen virta. Kun tämä virta tulee suureksi, se helposti ylläpitää väliaikaista arkkia, joka innostaa resonanssilohdintoja verkon induktiivisessa-kapasitiivisessa piirissä ja tuottaa ylivirtauksia jopa 2,5–3 kertaiseksi vaihejännitteeseen. Mitä korkeampi verkon jännite, sitä suurempi riski tällaisista ylivirtauksista. Siksi vain järjestelmät, jotka ovat alle 60 kV, voivat toimia neutraalipistettä ei-yhdistetyssä, koska niiden yksivaiheiset kapasitiiviset maavirhevirtat pysyvät pieninä. Korkeamman jännitteen järjestelmille on käytettävä maamuuntajaa, joka yhdistää neutraalipisteen impedanssin kautta.

Kun sähköaseman päämuuntajan yksi puoli (esim. 10 kV -puoli) on kytketty kolmio- tai tähtikäyttöön ilman tuotua neutraaliapistettia ja yksivaiheinen kapasitiivinen maajätevirta on suuri, ei ole käytettävissä neutraalipistettä maayhteydelle. Tällaisissa tapauksissa käytetään maayhdistinmuuntajaa luodakseen tekoisen neutraalipisteen, joka mahdollistaa yhteyden kaarien tukahduttamiseen tarkoitettuun kaaritukahduttajaan. Tämä tekoisen neutraalipisteen avulla järjestelmä voi korvata kapasitiivisen virtan ja sammuttaa maakaaret – tämä on maayhdistinmuuntajan perustavanlaatuinen rooli.

Normaalissa toiminnassa maayhdistinmuuntajalla on tasapainoinen kolmivirta ja se kuljettaa vain pieniä viritysvirtoja, toimien lähes lataamattomana. Neutraali-maan potentiaalin erotus on nolla (huomioiden pieni neutraalipisteen siirtymävirta kaaritukahduttajasta), eikä virtaa kulje kytkentään. Jos esimerkiksi vaihe C saa maavian, tuloksena oleva nollajärjestysjännite (joka johtuu epätasapainosta) kulkee kaaritukahduttajasta maahan. Kytkentä tuottaa induktiivisen virtan, joka korvaa kapasitiivisen maajätevirtan, mikä poistaa kaaren – toiminnallisesti identtisesti erilliseen kaaritukahduttajaan verrattuna.

Viime vuosina tietyssä alueella 110 kV sähköasemissa on tapahtunut useita maayhdistinmuuntajan suojauksen vääräksi toimintoja, mikä on vakavasti vaikuttanut verkon vakautukseen. Syiden selvittämiseksi, korjaustoimiin ryhdytty ja opetuksia jaettu estääksemme uudelleenilmiöt ja ohjataksemme muita alueita.

Kun 110 kV sähköasemissa 10 kV-verkostoihin käytetään yhä enemmän kaapelijohtoja, yksivaiheiset kapasitiiviset maajätevirrat ovat nousseet huomattavasti. Maavian aikana syntyvien ylivolttiarvojen tukahduttamiseksi monet 110 kV sähköasemat asennavat maayhdistinmuuntajia toteuttamaan matalaresistanssin maayhdistämisen, joka luo nollajärjestysvirtan polun. Tämä mahdollistaa valikoivan nollajärjestys-suojauksen erottaa maaviat sijainnin perusteella, estää kaaren uudelleensytymisen ja varmistaa turvallisen sähkönjakelun.

Vuodesta 2008 lähtien tietyllä alueella 110 kV sähköasemien 10 kV-järjestelmiin on asennettu maayhdistinmuuntajia ja liittyviä suojauslaitteita matalaresistanssin maayhdistämiseksi. Tämä mahdollistaa nopean erottamisen 10 kV-johtoa maavialta, vähentäen verkon vaikutusta. Kuitenkin hiljattain viidessä 110 kV sähköasemassa alueella on toistuvasti tapahtunut maayhdistinmuuntajan suojauksen vääräksi toimintoja, aiheuttaen sähkökatkoksia ja uhkaamassa verkon vakautta. Siksi syiden tunnistaminen ja ratkaisujen toteuttaminen on olennaista.

1. Maayhdistinmuuntajan suojauksen vääräksi toiminnon syiden analyysi

Kun 10 kV-johto saa maavia, 110 kV sähköaseman 10 kV-johtosuojauksen pitäisi toimia ensimmäisenä erottaakseen vian. Jos se epäonnistuu, maayhdistinmuuntajan varasuojauksen nollajärjestys toimii katkaiseva bus-tie ja päämuuntajan katkaisimet sisältämään vian. Siksi 10 kV-johtosuojauksen ja katkaisimien oikea toiminta on kriittistä. Viiden sähköaseman väärästä toiminnosta tehdyssä tilastollisessa analyysissä osoitetaan, että johtosuojauksen epäonnistuminen on pääasiallinen syy.

10 kV-johton nollajärjestys-suojauksen toiminta on seuraava: nollajärjestys CT-näytteistäminen → suojauksen käynnistys → katkaisimen katkaisu. Avainsisäiset komponentit ovat nollajärjestys CT, suojarele ja katkaisin. Analyysi keskittyy näihin:

1.1 Nollajärjestys CT-virheet aiheuttavat vääräksi toiminnon
Maavion aikana viallinen johto havaitsee nollajärjestys CT:n avulla vian virtan, mikä aktivoi sen suojauksen. Samalla maayhdistinmuuntajan nollajärjestys CT myös havaitsee virtan. Valikoivuuden varmistamiseksi johtosuojauksen asetukset (esim. 60 A, 1,0 s) ovat alempia kuin maayhdistinmuuntajan asetukset (esim. 75 A, 1,5 s bus-tie katkaisu, 2,5 s päämuuntaja katkaisu). Kuitenkin CT-virheet (esim. -10 % maayhdistinmuuntajan CT:lle, +10 % johto-CT:lle) voivat tehdä todelliset ottovirtat lähes yhtä suuriksi (67,5 A vs. 66 A), riippuen vain aikaviiveestä. Tämä lisää maayhdistinmuuntajan ylikulkuriskin.

1.2 Väärä kaapelinvaihtokappaleen maayhteys aiheuttaa vääräksi toiminnon
10 kV-johtoissa käytetään vaihtokappeleita, joiden vaihtokappaleet on maanjäteet molemmilla päissä – yleinen EMI-puolustusmenetelmä. Nollajärjestys CT:t ovat yleensä toroida, asennettu kaapelille kytkentälaiteulostuksessa. Maavion aikana epätasapainoinen virta indusoiva signaali CT:hen. Mutta jos vaihtokappale on maanjäteet molemmilla päissä, kiertovat vaihtokappaleenvirtat kulkevat myös CT:n läpi, vääristelemällä mittausdataa. Ilman oikeaa asennusta (esim. vaihtokappaleen maajohde kulkee oikein CT:n läpi), johtosuojauksen toiminta voi epäonnistua, aiheuttaen maayhdistinmuuntajan ylikulku.

1.3 Johtosuojauksen epäonnistuminen aiheuttaa vääräksi toiminnon
Vaikka mikroprosessoriperäiset relit tarjoavat korkeaa suorituskykyä, tuotteen laatu vaihtelee. Yleisiä epäonnistumisia ovat voima, näyte, CPU tai katkaisu ulostulo moduulit. Jos nämä jäädään huomaamatta, ne voivat aiheuttaa suojauksen kieltäytymisen, mikä johtaa maayhdistinmuuntajan väärään toimintaan.

1.4 Johtokatkaisimen epäonnistuminen aiheuttaa vääräksi toiminnon
Iki, usein toiminta ja huono laatukatkaisimet (erityisesti vanhat GG-1A tyypit maaseudulla) lisäävät epäonnistumisriskiä. Ohjauskierroksen vikat – erityisesti palaneet katkaisu pyyhkät – estävät katkaisimen toimintaa, vaikka suojauksen pitäisi katkaista, pakottaen maayhdistinmuuntajan varasuojauksen toimimaan.

1.5 Yksi tai kaksi johtoa korkean impedanssin maavion aiheuttama vääräksi toiminnon
Jos kaksi johtoa kokee samafaseisen korkean impedanssin maavion, yksittäiset nollajärjestysvirtat (esim. 40 A ja 50 A) voivat pysyä alle johtosuojauksen ottovirtan (60 A), mutta niiden summa (90 A) ylittää maayhdistinmuuntajan asetuksen (75 A), aiheuttaen ylikulun. Jopa yksi vakava korkean impedanssin maavio (esim. 58 A) yhdistettynä normaaliin kapasitiiviseen virtaan (esim. 12–15 A) voi lähestyä 75 A. Järjestelmän häiriöt voivat sitten aiheuttaa vääräksi toiminnon.

2. Toimenpiteet vääräksi toiminnon estämiseksi

2.1 Korjaa CT-virheet

Käytä korkealaatuisia nollajärjestys CT:itä; hylkää yli 5 % virheen osoittavat yksiköt otton aikana; aseta suojauksen rajat perusarvojen mukaan; vahvista asetukset ensimmäisen asteen syöttötestauksella.

2.2 Korjaa kaapelinvaihtokappaleen maayhteys

• Johtaa suojalevyn maajohdot nollajäristyksen läpi alaspäin ja eristä ne kabeleista; vältä kosketusta ennen järistyksen.

• Jätä johdin pääte ilman eristystä testausta varten; eristä muut osat.

• Jos maapiste on järistyksen alapuolella, älä johtaa sitä järistyksen läpi. Vältä sijoittamista maapistettä järistyksen ikkunaan.

• Kouluta suojauksia ja kaapelihenkilökuntaa oikeaan asennukseen.

• Vahvista yhteiset hyväksyntävalvontat relen, toiminnan ja kaapelijoukkueiden kanssa.

2.3 Estä suojauksen kieltäytyminen

Käytä todistettuja, luotettavia releitä; korvaa ikäneet tai vikaiset yksiköt; paranna huoltoa; asenna jähmitys/ventilaatio ylikuumenemisen estämiseksi.

2.4 Estä katkaisimen kieltäytyminen

Käytä luotettavia, modernia katkaisimia (esim. kehys- tai moottorilla varustettuja suljettuja tyyppejä); poista vanhat GG-1A-kabinetit käytöstä; ylläpidä ohjauspiirejä; käytä laadukkaita trippikoileja.

2.5 Vähennä korkean impedanssin sähkövirheiden riskiä

Tutki ja selvitä syöttöjä nopeasti, kun maavirhehälytys tapahtuu; lyhennä syöttöjen pituuksia; tasapainota vaihekuormat minimoidaksesi normaalin kapasitiivisen virran.

3. Johtopäätös

Vaikka maatransformatoimet parantavat verkkostruktuuria ja vakautta, toistuvat väärätoiminnat osoittavat piiloryhmien olemassaoloa. Tässä artikkelissa analysoidaan tärkeitä syytä ja ehdotetaan käytännön ratkaisuja alueille, jotka ovat asentaneet - tai aikovat asentaa - maatransformaattoreita.

Zigzag (Z-tyyppinen) Maatransformatorit

35 kV ja 66 kV jakeluverkoissa transformatorien kytkentät ovat yleensä wye-yhdistettyjä, joissa on neutraalipiste saatavilla, mikä poistaa tarpeen maatransformaattoreille. Kuitenkin 6 kV ja 10 kV verkoissa deltayhdistetyillä transformaattoreilla ei ole neutraalipistettä, minkä vuoksi maatransformatorin tarvitaan luomaan yksi - pääasiassa arkkipyhdytinvoimakoneiden yhdistämiseksi.

Maatransformoimissa käytetään zigzag (Z-tyyppistä) kytkentämuotoja: jokainen vaihekytkentä on jaettu kahdelle ytimen jalalle. Kaksi kytkentän nollajärjestys magnetivirta kumoavat toisensa, mikä johtaa hyvin alhaiseen nollajärjestys impedanssiin (yleensä <10 Ω), alhaisiin tyhjiömenetyksiin ja yli 90% nominaalikapasiteetin käyttöasteeseen. Toisin kuin perinteisillä transformaattoreilla, joilla on paljon korkeampi nollajärjestys impedanssi, rajoittaa arkkipyhdytinvoimakoneen kapasiteetin ≤20% transformaattorin arvosta. Siksi Z-tyyppiset transformaattorit ovat optimaalisia maatransformoimiseen.

Kun järjestelmän epätasapainoja voimavirta on suuri, tasapainoinen Z-tyyppinen kytkentä riittää mittauksessa. Alhaisessa epätasapainossa (esim. kaikki kaapeleet verkoissa), neutraali on suunniteltu tuottamaan 30–70 V epätasapainoja voimavirtaa mittausvaatimuksiin.

Maatransformoimet voivat myös toimittaa toissijaisia kuormia, toimimalla aseman palvelustransformoimina. Tällaisissa tapauksissa ensisijainen arviointi on yhtä suuri kuin arkkipyhdytinvoimakoneen kapasiteetti ja toissijaisen kuorman kapasiteetti.

Maatransformoimen päärunko on toimittaa maavirhekompensointivirta.

Kuva 1 ja Kuva 2 näyttävät kaksi yleistä Z-tyyppistä maatransformoimien kytkentöä: ZNyn11 ja ZNyn1. Matalan nollajärjestys impedanssin periaate on seuraava: jokaisella ytimen jalalla on kaksi identtistä kytkentää, jotka yhdistetään eri vaihevoimiin. Positiivi- tai negatiivijärjestys voimassa kukin jalka on vektorisumma kahdesta vaihevoiman MMF. Kolme jalan MMF:t ovat tasapainossa ja 120° erossa, muodostamassa suljetun magneettisen polun, jolla on matala vastarinta, korkea flux, korkea aiheutettu jännite ja siten korkea magneuttava impedanssi.

Nollajärjestys voimassa kaksi kytkentää jokaisella jalalla tuottavat yhtäsuuret mutta vastakkaiset MMF:t, mikä johtaa nollaan netto-MMF joka jalalle. Ei nollajärjestys flux virtaa ytimeen; sen sijaan se liikkuu tankissa ja ympäröivässä mediassa, jossa kohtaa korkean vastarinnan. Siksi nollajärjestys flux ja impedanssi ovat hyvin alhaiset.