Analisis ng mga Dahilan para sa Maliit na Pagsasagawa ng Proteksyon ng Grounding Transformer
Sa sistema ng kuryente sa Tsina, ang mga grid na 6 kV, 10 kV, at 35 kV ay karaniwang gumagamit ng mode ng operasyon na walang pinagmulan ng neutral-point. Ang distribusyon voltage side ng pangunahing transformers sa grid ay karaniwang konektado sa delta configuration, na hindi nagbibigay ng neutral point para sa koneksyon ng grounding resistors. Kapag may nangyaring single-phase ground fault sa isang sistemang walang pinagmulan ng neutral-point, ang line-to-line voltage triangle ay nananatiling simetriko, na nagdudulot lamang ng kaunti na pagkakalabas sa operasyon ng user. Bukod dito, kapag ang capacitive current ay relatibong maliit (baba pa sa 10 A), ang ilang mga transient ground faults ay maaaring mawala nang sarili, na napakaepektibo sa pagpapataas ng reliabilidad ng suplay ng kuryente at pagsusuporta sa pagbawas ng insidente ng pagkawala ng kuryente.
Gayunpaman, dahil sa patuloy na paglaki at pag-unlad ng industriya ng kuryente, ang simpleng pamamaraan na ito ay hindi na sapat sa kasalukuyang pangangailangan. Sa modernong urban power grids, ang paglalawak ng paggamit ng cable circuits ay nagresulta sa mas mataas na capacitive currents (lumampas sa 10 A). Sa mga kondisyong ito, ang ground arc ay hindi maaaring mapagtiwalaang mawala, na nagresulta sa mga sumusunod na banta:
Ang intermitenteng pagkawala at pagbabalik ng single-phase ground arc ay maaaring maglikha ng arc-ground overvoltages na may amplitudes na umabot sa 4U (kung saan ang U ay ang peak phase voltage) o kahit mas mataas pa, na tumatagal ng mahabang panahon. Ito ay nagdudulot ng malubhang banta sa insulation ng electrical equipment, na maaaring magdulot ng breakdown sa mga mahinang puntos ng insulation at nagdudulot ng malaking pagkawala.
Ang patuloy na arcing ay ionizes ang paligid na hangin, na nagdudulot ng pagbagsak ng kanyang insulating properties at nagdudulot ng pagtaas ng posibilidad ng phase-to-phase short circuits.
Maaaring mangyari ang ferroresonant overvoltages, na madaling nagdudulot ng pinsala sa voltage transformers at surge arresters—na maaaring humantong sa explosion ng arrester. Ang mga resulta na ito ay lubhang nagdudulot ng panganib sa integrity ng insulation ng grid equipment at nagbubugbog sa ligtas na operasyon ng buong sistema ng kuryente.
Upang maiwasan ang mga insidente na ito at ibigay ang sapat na zero-sequence current at voltage upang tiyakin ang maasahan na operasyon ng ground-fault protection, kailangang lumikha ng isang artipisyal na neutral point upang maaaring ikonekta ang grounding resistor. Ito ang nag-udyok sa pagbuo ng grounding transformers (karaniwang tinatawag na "grounding transformers" o "grounding units"). Ang grounding transformer ay artipisyal na lumilikha ng isang neutral point na may grounding resistor, na karaniwang may napakababang resistance (karaniwang mas mababa pa sa 5 ohms).
Bukod dito, dahil sa kanyang electromagnetic characteristics, ang grounding transformer ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents, na pinapayagan lamang ang maliit na excitation current na lumipad sa kanyang windings. Sa bawat core limb, dalawang winding sections ang nakawind sa kabaligtarang direksyon. Kapag ang equal zero-sequence currents ang lumipad sa mga windings, sila ay nagpapakita ng mababang impedance, na nagreresulta sa minimong voltage drop sa mga windings sa ilalim ng zero-sequence conditions.
Kapwa, sa panahon ng ground fault, ang winding ay nagdadala ng positive-, negative-, at zero-sequence currents. Ito ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents ngunit mababang impedance sa zero-sequence current. Ito ay dahil, sa parehong phase, ang dalawang windings ay konektado sa series sa kabaligtarang polarity; ang kanilang induced electromotive forces ay pantay sa magnitude ngunit kabaligtaran sa direksyon, na efektibong nagcacancel sa bawat isa, kaya nagpapakita ng mababang impedance sa zero-sequence current.
Sa maraming aplikasyon, ang grounding transformers ay ginagamit lamang upang ibigay ang isang neutral point na may maliit na grounding resistor at hindi nagbibigay ng anumang secondary load. Kaya, maraming grounding transformers ang disenyo ng walang secondary winding. Sa normal na operasyon ng grid, ang grounding transformer ay operasyon sa halos walang-load state. Gayunpaman, sa panahon ng fault, ito ay nagdadala ng fault current lamang sa maikling panahon. Sa isang low-resistance grounded system, kapag may nangyaring single-phase ground fault sa 10 kV side, ang highly sensitive zero-sequence protection ay mabilis na nakakakilala at pansamantalang iniihiwalay ang faulty feeder.
Ang grounding transformer ay aktibo lamang sa maikling interval sa pagitan ng pagkakaroon ng fault at ang operasyon ng zero-sequence protection ng feeder. Sa panahong ito, ang zero-sequence current ay lumilipad sa pamamagitan ng neutral grounding resistor at ang grounding transformer, na sinusunod ang formula: I_R = U / (R₁ + R₂), kung saan ang U ay ang sistema phase voltage, ang R₁ ay ang neutral grounding resistor, at ang R₂ ay ang additional resistance sa ground fault loop.
Batay sa analisis na ito, ang operational characteristics ng grounding transformer ay: matagal na walang-load operation at maikling panahon ng overload sa panahon ng fault.
Sa kabuuan, ang grounding transformer ay artipisyal na lumilikha ng isang neutral point upang ikonekta ang grounding resistor. Sa panahon ng ground fault, ito ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents ngunit mababang impedance sa zero-sequence current, na nagpapataas ng maasahan na operasyon ng ground-fault protection.
Kasalukuyan, ang mga grounding transformers na naka-install sa mga substation ay may dalawang pangunahing layunin:
Pagsuplay ng mababang-voltage AC power para sa auxiliary use ng substation;
Paglikha ng isang artipisyal na neutral point sa 10 kV side, na kapag ipinagsama sa isang arc suppression coil (Petersen coil), nagbibigay ng kompensasyon para sa capacitive ground-fault current sa panahon ng 10 kV single-phase ground faults, na nagreresulta sa pagkawala ng arc sa fault point. Ang prinsipyong ito ay gaya ng sumusunod:
Sa buong haba ng mga conductor sa three-phase power grid, ang capacitance ay umiiral sa pagitan ng mga phase at sa pagitan ng bawat phase at ground. Kapag ang grid neutral ay hindi solidly grounded, ang capacitance to ground ng faulted phase ay naging zero sa panahon ng single-phase ground fault, samantalang ang voltages ng iba pang dalawang phases ay tumaas sa √3 beses ang normal phase voltage. Bagama't ang taas na ito ng voltage ay nananatiling nasa limit ng disenyo ng insulation, ito ay nagpapataas ng kanilang capacitance to ground. Ang capacitive ground-fault current sa panahon ng single-phase fault ay humigit-kumulang tatlong beses ang normal per-phase capacitive current. Kapag ang current na ito ay naging malaki, ito ay madaling nagpapanatili ng intermitenteng arcs, na nag-iinduce ng resonant oscillations sa inductive-capacitive circuit ng grid at naggagawa ng overvoltages na umabot sa 2.5–3 beses ang phase voltage. Ang mas mataas ang grid voltage, ang mas malaking panganib mula sa mga overvoltages. Kaya, ang mga sistema lang na nasa ibaba ng 60 kV ang maaaring mag-operate na walang grounded neutral, dahil ang kanilang single-phase capacitive ground-fault currents ay nananatiling maliit. Para sa mas mataas na voltage systems, kailangan ng grounding transformer upang i-connect ang neutral point sa pamamagitan ng impedance.
Kapag ang isang bahagi ng pangunahing transformer ng substation (halimbawa, ang bahaging 10 kV) ay naka-ugnay sa delta o wye nang walang neutral na inilabas, at ang single-phase capacitive ground current ay malaki, wala ring magagamit na punto ng neutral para sa grounding. Sa mga kaso gaya nito, ginagamit ang grounding transformer upang lumikha ng isang artipisyal na punto ng neutral, na nagbibigay-daan sa koneksyon sa arc suppression coil. Ang artipisyal na neutral na ito ay nagpapahintulot sa sistema na makapag-compensate ng capacitive current at mawala ang ground arcs—ito ang pundamental na tungkulin ng grounding transformer.
Sa normal na operasyon, ang grounding transformer ay nakakaranas ng balanced three-phase voltage at nagdadala lamang ng kaunti na excitation current, na gumagana nang halos walang load. Ang potensyal na pagkakaiba ng neutral-to-ground ay zero (balewalain ang kaunting displacement voltage ng neutral mula sa arc suppression coil), at walang current na dumaan sa coil. Kung, halimbawa, ang phase C ay may ground fault, ang resultang zero-sequence voltage (galing sa asymmetry) ay dadaan sa arc suppression coil patungo sa ground. Ang coil ay naglalabas ng inductive current na nag-compensate sa capacitive ground-fault current, na nagwawala ng arc—functional na kapareho ng isang standalone arc suppression coil.
Sa mga nakaraang taon, maraming mali sa operasyon ng protection ng grounding transformer ang nangyari sa 110 kV substations sa isang tiyak na rehiyon, na malubhang nakakaapekto sa grid stability. Upang matukoy ang mga ugat ng problema, ginawa ang mga analisis, ipinatupad ang mga pamamaraan ng pag-aayos, at ibinahagi ang mga aral upang maprevent ang pag-uulit at gabayan ang ibang rehiyon.
Dahil sa pagtaas ng paggamit ng cable feeders sa 110 kV substation 10 kV networks, ang single-phase capacitive ground currents ay lubhang tumaas. Upang supilin ang magnitudes ng overvoltage sa panahon ng ground faults, maraming 110 kV substations ang ngayon ay nag-install ng grounding transformers upang maisagawa ang low-resistance grounding, na nagtatatag ng zero-sequence current path. Ito ay nagbibigay-daan sa selective zero-sequence protection na ma-isolate ang ground faults batay sa lokasyon, na nagpapahinto sa pagbabalik ng arc at nagpapatiyak ng ligtas na supply ng kuryente.
Simula noong 2008, ang isang tiyak na rehiyon ay nag-retrofit ng 110 kV substation 10 kV systems sa low-resistance grounding sa pamamagitan ng pagsasangguni ng grounding transformers at kasamang mga protective device. Ito ay nagpapahintulot ng mabilis na isolation ng anumang 10 kV feeder ground fault, na mininimiso ang impact sa grid. Gayunpaman, kamakailan, limang 110 kV substations sa rehiyon ay naranasan ang paulit-ulit na mali sa operasyon ng protection ng grounding transformer, na nagdudulot ng brownouts at nagpapanganib sa grid stability. Kaya, mahalaga ang pagtukoy ng mga sanhi at pag-implement ng mga solusyon.
1. Analisis ng Mga Sanhi ng Mali sa Operasyon ng Protection ng Grounding Transformer
Kapag ang 10 kV feeder ay may ground fault, ang zero-sequence protection ng feeder sa 110 kV substation ang dapat unawang gumana upang mailayo ang fault. Kung ito'y nabigo, ang backup zero-sequence protection ng grounding transformer ang mag-trip ng bus tie at main transformer breakers upang mailayo ang fault. Kaya, mahalaga ang tama na operasyon ng 10 kV feeder protection at breakers. Ang statistical analysis ng mali sa limang substation ay nagpapakita na ang failure ng feeder protection ang pangunahing sanhi.
Ang operasyon ng 10 kV feeder zero-sequence protection ay ganyan: zero-sequence CT samples → protection initiates → breaker trips. Ang mga pangunahing bahagi ay ang zero-sequence CT, protection relay, at breaker. Ang analisis ay nakatuon sa mga ito:
1.1 Mga error ng zero-sequence CT na nagdudulot ng mali sa operasyon
Kapag may ground fault, ang zero-sequence CT ng faulty feeder ay nadetect ang fault current, na nag-trigger ng protection nito. Samantalang, ang zero-sequence CT ng grounding transformer din ay nagsense ng current. Upang matiyak ang selectivity, ang settings ng feeder protection (halimbawa, 60 A, 1.0 s) ay mas mababa kaysa sa settings ng grounding transformer (halimbawa, 75 A, 1.5 s to trip bus tie, 2.5 s to trip main transformer). Gayunpaman, ang mga error ng CT (halimbawa, -10% para sa grounding transformer CT, +10% para sa feeder CT) ay maaaring gawing halos pantay ang aktwal na pickup currents (67.5 A vs. 66 A), na nagpapataas ng panganib ng overreach ng grounding transformer.
1.2 Mali sa grounding ng cable shield na nagdudulot ng mali sa operasyon
Ang 10 kV feeders ay gumagamit ng shielded cables na may shields na grounded sa parehong dulo—isa sa mga karaniwang practice para sa EMI mitigation. Ang mga zero-sequence CTs ay karaniwang toroidal, na ininstall sa paligid ng cable sa switchgear outlet. Kapag may ground fault, ang unbalanced current ay nag-induce ng signal sa CT. Gayunpaman, kung ang shield ay grounded sa parehong dulo, ang circulating shield currents din ay dadaan sa CT, na nagdistort ng measurement. Kung hindi tama ang installation (halimbawa, ang shield ground wire ay dumaan nang tama sa CT), ang feeder protection maaaring mabigo, na nagdudulot ng overreach ng grounding transformer.
1.3 Failure ng feeder protection na nagdudulot ng mali sa operasyon
Kahit na ang microprocessor-based relays ay nagbibigay ng mataas na performance, ang kalidad ng produkto ay nag-iiba. Ang mga karaniwang failures ay kinasasangkutan ng power, sampling, CPU, o trip output modules. Kung hindi ito natutuklasan, maaaring magresulta ito sa refusal ng protection, na nagdudulot ng mali sa operasyon ng grounding transformer.
1.4 Failure ng feeder breaker na nagdudulot ng mali sa operasyon
Ang pagtanda, madalas na operasyon, o mababang kalidad ng breakers (lalo na ang mas matandang GG-1A types sa rural areas) ay nagpapataas ng rate ng failure. Ang mga control circuit faults—lalo na ang burnt trip coils—ay nagpapahinto ng operasyon ng breaker kahit na ang protection ay nag-command ng trip, na nagpapakialam ng backup ng grounding transformer.
1.5 Mga high-impedance ground faults sa isang o dalawang feeders na nagdudulot ng mali sa operasyon
Kapag ang dalawang feeders ay may simultaneous high-impedance ground faults sa parehong phase, ang individual na zero-sequence currents (halimbawa, 40 A at 50 A) maaaring manatili pa rin sa ilalim ng feeder pickup (60 A), ngunit ang kanilang sum (90 A) ay lumampas sa setting ng grounding transformer (75 A), na nagdudulot ng overreach. Kahit isang severe na high-impedance fault (halimbawa, 58 A) na pinagsama sa normal na capacitive current (halimbawa, 12–15 A) ay maaaring lumapit sa 75 A. Ang mga disturbance sa sistema ay maaaring magtrigger ng mali sa operasyon.
2. Mga Kontra-Measure upang Maprevent ang Mali sa Operasyon
2.1 Tugunan ang mga error ng CT
Gumamit ng high-quality zero-sequence CTs; i-reject ang mga unit na may >5% error sa panahon ng commissioning; i-set ang mga threshold ng protection batay sa primary values; i-verify ang settings sa pamamagitan ng primary injection testing.
2.2 Tama ang grounding ng cable shield
Ilagay ang mga shield ground wire pababa sa pamamagitan ng zero-sequence CT at insulate mula sa cable trays; iwasan ang pagkakasalubong bago ang CT.
Iwanan ang mga exposed conductor ends para sa testing; insulate ang iba pa.
Kung ang shield ground point ay nasa ilalim ng CT, huwag ilagay ito sa pamamagitan ng CT. Iwasan ang paglalagay ng ground point sa loob ng CT window.
Ituro ang tamang installation sa mga tauhan ng protection at cable.
Ipakilala ang joint acceptance inspections sa pamamagitan ng relay, operations, at cable teams.
2.3 Iwasan ang pagtutol ng protection
Gamitin ang proven, reliable relays; palitan ang aging o faulty units; palakasin ang maintenance; mag-install ng cooling/ventilation upang iwasan ang overheating.
2.4 Iwasan ang pagtutol ng breaker
Gamitin ang reliable, modern breakers (halimbawa, spring- o motor-charged sealed types); phase out ang lumang GG-1A cabinets; maintain ang control circuits; gamitin ang high-quality trip coils.
2.5 Bawasan ang mga risk ng high-impedance fault
Agad na imbestigahan at linisin ang mga feeders kapag may ground alarms; bawasan ang lengths ng feeders; balance ang phase loads upang mabawasan ang normal capacitive current.
3. Conclusion
Bagama't ang grounding transformers ay nagpapabuti ng grid structure at stability, ang paulit-ulit na misoperations ay nagpapakita ng hidden risks. Ang paper na ito ay analisa ang key causes at nagpopropona ng practical solutions upang gabayan ang mga rehiyon na may installed o planong i-install ang grounding transformers.
Zigzag (Z-Type) Grounding Transformers
Sa 35 kV at 66 kV distribution networks, ang mga winding ng transformer ay karaniwang wye-connected na may available neutral point, na nag-eeliminate ng pangangailangan para sa grounding transformers. Gayunpaman, sa 6 kV at 10 kV networks, ang mga delta-connected transformers ay walang neutral point, kaya kinakailangan ang grounding transformer upang magbigay ng isa—primarily para sa pag-connect ng arc suppression coils.
Ang mga grounding transformers ay gumagamit ng zigzag (Z-type) winding connections: ang bawat phase winding ay nahahati sa dalawang core limbs. Ang mga zero-sequence magnetic fluxes mula sa dalawang windings ay nakakansela ng isa't isa, na nagreresulta sa napakababang zero-sequence impedance (karaniwang <10 Ω), mababang no-load losses, at utilization ng higit sa 90% ng rated capacity. Sa katunayan, ang conventional transformers ay may mas mataas na zero-sequence impedance, na naglimita ng arc suppression coil capacity sa ≤20% ng transformer rating. Kaya, ang Z-type transformers ay optimal para sa grounding applications.
Kapag malaki ang system unbalance voltage, sapat ang balanced Z-type windings para sa measurement. Sa low-unbalance systems (halimbawa, all-cable networks), ang neutral ay idinisenyo upang makagawa ng 30–70 V unbalance voltage para sa measurement needs.
Maaari rin ang mga grounding transformers na magbigay ng secondary loads, na nagse-serve bilang station service transformers. Sa mga kaso na ito, ang primary rating ay katumbas ng sum ng arc suppression coil capacity at secondary load capacity.
Ang pangunahing tungkulin ng grounding transformer ay magbigay ng ground-fault compensation current.
Ang Figure 1 at Figure 2 ay nagpapakita ng dalawang common Z-type grounding transformer connections: ZNyn11 at ZNyn1. Ang prinsipyong nasa likod ng mababang zero-sequence impedance ay ang sumusunod: ang bawat core limb ay may dalawang identical windings na konektado sa iba't ibang phase voltages. Sa ilalim ng positive- o negative-sequence voltage, ang magnetomotive force (MMF) sa bawat limb ay ang vector sum ng dalawang phase MMFs. Ang tatlong limb MMFs ay balanced at 120° apart, na nagpapabuo ng saradong magnetic path na may mababang reluctance, mataas na flux, mataas na induced voltage, at kaya mataas na magnetizing impedance.
Sa ilalim ng zero-sequence voltage, ang dalawang windings sa bawat limb ay nagpapabuo ng equal pero opposite MMFs, na nagreresulta sa zero net MMF per limb. Walang zero-sequence flux ang umuusbong sa core; sa halip, ito ay umuusbong sa pamamagitan ng tank at surrounding medium, na nakakalabas ng mataas na reluctance. Bilang resulta, ang zero-sequence flux at impedance ay napakababa.
