Analiza uzroka pogrešnog funkcioniranja zaštite zasićenja nultim vodom

U kineskom sustavu snabdijevanja električnom strujom, mreže na 6 kV, 10 kV i 35 kV općenito koriste način rada s nezarađenim neutralnim točkama. Distribucijska strana glavnih transformatora u mreži obično je spojena u delta konfiguraciju, što ne pruža neutralnu točku za priključivanje otpornika zemljanja. Kada se pojavi jednofazni zemljani otkaz u sustavu s nezarađenim neutralnim točkama, trofazni napon ostaje simetričan, što minimalno ometa rad korisnika. Također, kada je kapacitivni struja relativno mala (manja od 10 A), neki privremeni zemljani otkazi mogu se samostalno ugasi, što je vrlo učinkovito za poboljšanje pouzdanosti snabdijevanja strujom i smanjenje incidenta prekida.

Međutim, s neprekidnim proširenjem i razvojem elektroenergetske industrije, ovaj jednostavan način više ne ispunjava trenutne potrebe. U modernim gradske mrežama, povećano korištenje kabelskih krugova dovelo je do znatno većih kapacitivnih struja (preko 10 A). Pod takvim uvjetima, zemljanska lukica se ne može pouzdano ugasi, što dovodi do sljedećih posljedica:

• Intermitentno gašenje i ponovno zapaljivanje jednofazne zemljanske luke može generirati prenapone zemljanske luke s amplitudama do 4U (gdje je U vrhunski fazni napon) ili čak veće, trajući dugo. To predstavlja ozbiljnu prijetnju izolaciji električnog opreme, mogući propad na slabim točkama izolacije i dovodeći do značajnih gubitaka.

• Trajna lukica ionizira okružni zrak, smanjujući njegove dielektrične svojstva i povećavajući vjerojatnost međufaznih kraćenja.

• Može doći do ferorazonantnih prenapona, lako oštećujući transformatore napona i ograničivače prenapona—potencijalno čak i eksplozije ograničivača. Ove posljedice ozbiljno ugrožavaju integritet izolacije opreme mreže i prijeti sigurnom radu cijelog elektroenergetskog sustava.

Za sprečavanje takvih incidenta i osiguranje dovoljne nultofazne struje i napona kako bi se osigurala pouzdana operacija zaštite od zemljanskog otkaza, mora se stvoriti umjetna neutralna točka kako bi se mogao priključiti otpornik zemljanja. Ta potreba dovela je do razvoja transformatora zemljanja (obično se nazivaju "transformatori zemljanja" ili "zemljačke jedinice"). Transformator zemljanja umjetno stvara neutralnu točku s otpornikom zemljanja, obično s vrlo niskim otporom (obično manjim od 5 ohma).

Dodatno, zbog svojih elektromagnetskih karakteristika, transformator zemljanja predstavlja visok impedans pozitivnoj i negativnoj sekvenčnoj struji, dopuštajući da samo mala struja pobude prolazi kroz njegovu namotanu. Na svakom jezgru su namotane dvije sekcije namota suprotnim smjerovima. Kada jednak nultofazne struje prolazi kroz te namote, one pokazuju niski impedans, rezultirajući minimalnim padom napona na namotu pod nultofaznim uvjetima.

Posebno, tijekom zemljanskog otkaza, namot pokriva pozitivne, negativne i nultofazne struje. On predstavlja visok impedans pozitivnoj i negativnoj sekvenčnoj struji, ali niski impedans nultofaznoj struji. To je zato što unutar iste faze, dvije namote su serijski spojene suprotnim polarnošću; njihovi inducirani elektromotorni sili su jednake magnitudne, ali suprotni smjeru, efektivno se anuliraju, tako predstavljajući niski impedans nultofaznoj struji.

U mnogim primjenama, transformatori zemljanja koriste se isključivo za pružanje neutralne točke s malim otpornikom zemljanja i ne pružaju nikakvu sekundarnu opterećenja. Stoga su mnogi transformatori zemljanja dizajnirani bez sekundarne namote. Tijekom normalnog rada mreže, transformator zemljanja radi gotovo bez opterećenja. Međutim, tijekom otkaza, nosi otkaznu struju samo kratko vrijeme. U sustavu s niskim otpornikom zemljanja, kada se dogodi jednofazni zemljanski otkaz na strani 10 kV, vrlo osjetljiva nultofazna zaštita brzo prepoznaje i privremeno izolira grešku.

Transformator zemljanja aktiviran je samo tijekom kratkog vremenskog intervala između pojavljivanja otkaza i radnje nultofazne zaštite. Tijekom tog vremena, nultofazna struja teče kroz neutralni otpornik zemljanja i transformator zemljanja, slijedeći formulu: I_R = U / (R₁ + R₂), gdje je U fazonapon sustava, R₁ neutralni otpornik zemljanja, a R₂ dodatni otpor u petlji zemljanskog otkaza.

Na temelju gore navedene analize, operativne karakteristike transformatora zemljanja su: dugoročni rad bez opterećenja i kratkoročno preopterećenje tijekom otkaza.

Ukratko, transformator zemljanja umjetno stvara neutralnu točku za priključivanje otpornika zemljanja. Tijekom zemljanskog otkaza, on predstavlja visok impedans pozitivnoj i negativnoj sekvenčnoj struji, ali niski impedans nultofaznoj struji, time osiguravajući pouzdanu operaciju zaštite od zemljanskog otkaza.

Trenutno, transformatori zemljanja instalirani u pretvorama služe dvije glavne svrhe:

• Pružanje niskonaponske AC struje za pomoćnu upotrebu u pretvorama;

• Stvaranje umjetne neutralne točke na strani 10 kV, koja, kombinirana s arčkim duhom (Petersen duh), kompenzira kapacitivnu zemljansku struju tijekom jednofaznih zemljanskih otkaza na 10 kV, time gašeći lukicu na točki otkaza. Princip je sljedeći:

Duž cijele duljine vodilaca u trofaznom elektroenergetskom sustavu, postoji kapacitet između faza i između svake faze i zemlje. Kada neutralna točka mreže nije čvrsto zarađena, kapacitet prema zemlji otkazane faze postaje nula tijekom jednofaznog zemljanskog otkaza, dok se naponi druge dvije faze povećavaju na √3 puta normalni fazni napon. Iako je ovaj povećani napon još u granicama dizajnerskih limita izolacije, povećava njihov kapacitet prema zemlji. Kapacitivna zemljanska struja tijekom jednofaznog otkaza iznosi otprilike tri puta normalnu faznu kapacitivnu struju. Kada ta struja postane velika, lako održava intermitentne luke, uzbuđujući rezonantne oscilacije u induktivno-kapacitivnom krugu mreže i generirajući prenapone do 2,5–3 puta fazni napon. Što je naponski nivo mreže veći, veća je rizika od takvih prenapona. Stoga, samo sustavi ispod 60 kV mogu raditi s nezarađenim neutralnim točkama, jer su njihove jednofazne kapacitivne zemljanske struje male. Za sustave s višim naponskim nivoima, mora se koristiti transformator zemljanja kako bi se neutralna točka povezala kroz impedans.

Kada je jedna strana glavnog transformatora podstajnice (npr. 10 kV strana) spojena u delta ili zvjezdano bez neutralne točke, a jednofazni kapacitivni zemljni tok je velik, nema dostupne neutralne točke za zemljenje. U takvim slučajevima koristi se zemljni transformator kako bi se stvorila umjetna neutralna točka, omogućujući povezivanje s košom za potiskivanje lukova. Ova umjetna neutralna točka dozvoljava sustavu kompenzaciju kapacitivnog toka i ugašanje zemljnih luka - to je fundamentalna uloga zemljnog transformatora.

Tijekom normalnog rada, zemljni transformator iskusi ravnotežu trofaznog napona i nosi samo mali pobudni tok, operativno suštinski neopterećen. Razlika potencijala između neutralne točke i zemlje je nula (zanemarujući malu pomaknu tu neutralnu napetost od koše za potiskivanje luka), a niti jedan tok ne teče kroz košu. Ako, na primjer, faza C trpi zemljni grešku, rezultirajući nul-točkasti napon (izveden iz asimetrije) teče kroz košu za potiskivanje luka prema zemlji. Koša generira induktivni tok koji kompenzira kapacitivni zemljni grešku, time eliminirajući luk - funkcionalno identično samostalnoj koši za potiskivanje luka.

U posljednjih godina, dogodilo se nekoliko pogrešnih radnji zaštite zemljnog transformatora u 110 kV podstajnicama u određenoj regiji, ozbiljno utjecajući na stabilnost mreže. Radi identifikacije temeljnih uzroka, provedene su analize, implementirane su korektivne mjere, a iskustva su podijeljena kako bi se spriječilo ponavljanje i uputilo druge regije.

S porastom korištenja kabelskih priključaka u 10 kV mrežama 110 kV podstajnica, jednofazni kapacitivni zemljni tokovi su značajno porasli. Za potiskivanje magnituda pretoponaponosti tijekom zemljnih grešaka, mnoge 110 kV podstajnice sada instaliraju zemljne transformatore kako bi se implementiralo nisko-otporno zemljenje, stvarajući put nul-točkastog toka. To omogućuje selektivnu nul-točkastu zaštitu da izolira zemljne greške ovisno o lokaciji, spriječavajući ponovno zapaljenje luka i osiguravajući siguran opskrbu električnom snagom.

Od 2008. godine, određena regija nadogradila je svoje 10 kV sustave 110 kV podstajnica na nisko-otporno zemljenje instaliranjem zemljnih transformatora i pridruženih zaštitnih uređaja. To omogućuje brzo izoliranje bilo koje zemljne greške 10 kV priključka, minimizirajući utjecaj na mrežu. Međutim, nedavno, pet 110 kV podstajnica u regiji doživjelo je ponavljajuće pogrešne radnje zaštite zemljnog transformatora, uzrokujući prekide i ugrožavajući stabilnost mreže. Stoga je ključno identificirati uzroke i implementirati rješenja.

1. Analiza uzroka pogrešnih radnji zaštite zemljnog transformatora

Kada 10 kV priključak trpi zemljnu grešku, nul-točkasta zaštita priključka u 110 kV podstajnici trebala bi prvo djelovati kako bi izolirala grešku. Ako to ne uspije, rezervna nul-točkasta zaštita zemljnog transformatora aktivira prekidnike vezanja štita i glavnog transformatora kako bi ograničila grešku. Stoga je ključno pravilno funkcioniranje zaštite 10 kV priključka i prekidnika. Statistička analiza pogrešnih radnji u pet podstajnica pokazuje da je najveći uzrok neuspjeh zaštite priključka.

Nul-točkasta zaštita 10 kV priključka radi na sljedeći način: uzorak nul-točkastog CT-a → inicijacija zaštite → prekidnik se prekida. Ključne komponente su nul-točkasti CT, relé zaštite i prekidnik. Analiza se fokusira na ove:

1.1 Pogreške nul-točkastog CT-a uzrokuju pogrešnu radnju
Tijekom zemljne greške, nul-točkasti CT grešnog priključka detektira grešku, pokrećući njegovu zaštitu. Istodobno, nul-točkasti CT zemljnog transformatora također oseća tok. Da bi se osigurala selektivnost, postavke zaštite priključka (npr. 60 A, 1,0 s) su niže od postavki zemljnog transformatora (npr. 75 A, 1,5 s za prekid vezanja štita, 2,5 s za prekid glavnog transformatora). Međutim, pogreške CT-a (npr. -10% za CT zemljnog transformatora, +10% za CT priključka) mogu činiti da su stvarni tokovi gotovo jednaki (67,5 A vs. 66 A), oslanjajući se samo na vremensku kašnjenje. To povećava rizik od prevlake zemljnog transformatora.

1.2 Pogrešno zemljenje štita kabela uzrokuje pogrešnu radnju
10 kV priključci koriste kable sa štitom, koji su zemljeni na obje strane - uobičajena praksa za smanjenje EMI. Nul-točkasti CT-ovi obično su toroidalni, instalirani oko kabela na izlazu sklopne. Tijekom zemljne greške, nebalansirani tok inducira signal u CT-u. Međutim, ako je štit zemljen na obje strane, cirkulišući tokovi štita također prolaze kroz CT, distorzirajući mjerenje. Bez pravilne instalacije (npr. zemljeni vod štita pravilno prolazi kroz CT), zaštita priključka može propasti, uzrokujući prevlaku zemljnog transformatora.

1.3 Neuspjeh zaštite priključka uzrokuje pogrešnu radnju
Iako mikroprocesorska relé-ova nude visoku performansu, kvaliteta proizvoda varira. Uobičajeni neuspjehi uključuju module snage, uzorkovanja, CPU-a ili izlaz za prekid. Ako nisu otkriveni, ti mogu uzrokovati odbijanje zaštite, što dovodi do pogrešne radnje zemljnog transformatora.

1.4 Neuspjeh prekidnika priključka uzrokuje pogrešnu radnju
Starenje, česta korištenja ili loša kvaliteta prekidnika (posebno starije tipove GG-1A u ruralnim područjima) povećavaju stopu neuspjeha. Greške u kontrolnoj mreži - posebno popaljene bobine za prekid - sprječavaju rad prekidnika čak i kada zaštita naredi prekid, prisiljavajući rezervnu zaštitu zemljnog transformatora da djeluje.

1.5 Visokootporne zemljne greške na jednom ili dva priključka uzrokuju pogrešnu radnju
Ako dva priključka istovremeno trpe visokootporne zemljne greške na istoj fazi, pojedinačni nul-točkasti tokovi (npr. 40 A i 50 A) možda ostaju ispod prihvatljivog priključka (60 A), ali njihov zbroj (90 A) prelazi postavku zemljnog transformatora (75 A), uzrokujući prevlaku. Čak i jedna teška visokootporna greška (npr. 58 A) kombinirana s normalnim kapacitivnim tokom (npr. 12-15 A) može se približiti 75 A. Perturbacije sustava tada mogu pokrenuti pogrešnu radnju.

2. Protumjere za sprečavanje pogrešnih radnji

2.1 Rješavanje pogrešaka CT-a

Koristite visokokvalitetne nul-točkaste CT-e; odbacujte jedinice s pogreškom većom od 5% tijekom komisije; postavite pragove zaštite na osnovu primarnih vrijednosti; provjerite postavke putem testiranja primarnog ubrizgavanja.

2.2 Ispravljanje pogrešnog zemljenja štita kabela

• Uputeite zaštitne žice oklopljenih kabela prema dolje kroz nulti CT i izolirajte ih od kabelskih postolja; izbjegavajte kontakt prije CT-a.

• Ostavite odsječene krajeve vodiča izloženima radi testiranja; ostatak izolirajte.

• Ako je točka uzemljenja oklopa ispod CT-a, nemojte ju provoditi kroz CT. Izbjegavajte postavljanje točke uzemljenja unutar prozora CT-a.

• Obučite osoblje za zaštitu i kabelske radove na ispravnu instalaciju.

• Provode zajednička prihvatna ispitivanja timova releja, operacija i kabela.

2.3 Sprječavanje neaktiviranja zaštite

Koristite dokazano pouzdane releje; zamijenite zastarjele ili neispravne uređaje; poboljšajte održavanje; instalirajte hlađenje/ventilaciju kako biste spriječili pregrijavanje.

2.4 Sprječavanje neotvaranja prekidača

Koristite pouzdane, moderne prekidače (npr. opružno- ili motorom punjene hermetičke tipove); povucite stare ormare GG-1A; održavajte upravljačke krugove; koristite visokokvalitetne trip zavojnice.

2.5 Smanjenje rizika visokoimpedantnih kvarova

Brzo istražujte i uklonite napajanje kada dođe do alarma uzemljenja; smanjite duljinu dalekovoda; uravnotežite faze kako biste smanjili normalnu kapacitivnu struju.

3. Zaključak

Iako transformatori za uzemljenje poboljšavaju strukturu i stabilnost mreže, ponavljajuće pogrešne operacije ukazuju na skrivene rizike. Ovaj dokument analizira ključne uzroke i predlaže praktična rješenja kako bi se vodile regije koje su instalirale – ili planiraju instalirati – transformatore za uzemljenje.

Transformatori za uzemljenje sa zigzag (Z-tip) spojem

U 35 kV i 66 kV distribucijskim mrežama, namotaji transformatora obično su spojeni u zvijezdu s dostupnom neutralnom točkom, što eliminira potrebu za transformatorima za uzemljenje. Međutim, u 6 kV i 10 kV mrežama, transformatori s trokutnim spojem nemaju neutralnu točku, pa je potreban transformator za uzemljenje koji je pruža – uglavnom za priključivanje kalema za gušenje luka.

Transformatori za uzemljenje koriste zigzag (Z-tip) spoj namotaja: svaki fazni namotaj podijeljen je na dva dijela na jezgru. Nulte magnetske fluksne komponente s dva namotaja poništavaju jedna drugu, što rezultira vrlo niskom nultom impedansom (obično <10 Ω), niskim gubicima u praznom hodu i iskorištenjem više od 90% nazivne snage. Nasuprot tome, konvencionalni transformatori imaju mnogo veću nultu impedansu, ograničavajući kapacitet kalema za gušenje luka na ≤20% naziva transformatora. Stoga su Z-tip transformatori optimalni za primjenu u uzemljenju.

Kada je napon nestabilnosti sustava velik, uravnoteženi Z-tip namotaji su dovoljni za mjerenje. U sustavima s malom nestabilnošću (npr. isključivo kabelske mreže), neutralna točka je dizajnirana tako da proizvede 30–70 V napona nestabilnosti radi potreba mjerenja.

Transformatori za uzemljenje mogu također napajati sekundarne potrošače, služeći kao transformatori za vlastitu potrošnju stanice. U takvim slučajevima, primarna snaga jednaka je zbroju snage kalema za gušenje luka i snage sekundarnih opterećenja.

Primarna funkcija transformatora za uzemljenje je dostaviti kompenzacijsku struju za uzemljeno kvarno stanje.

Slika 1 i Slika 2 prikazuju dva uobičajena spoja Z-tip transformatora za uzemljenje: ZNyn11 i ZNyn1. Načelo niske nulte impedanse je sljedeće: svaki dio jezgre sadrži dva identična namotaja spojena na različite fazne napone. Pod pozitivnim ili negativnim naponom redoslijeda, magnetna sila (MMF) na svakom dijelu je vektorski zbroj dviju faznih MMF-ova. Tri MMF-a na dijelovima su uravnotežena i razmaknuta za 120°, formirajući zatvorenu magnetsku stazu s niskom reluktancijom, visokim tokom, visokim induciranim naponom i time visokom magnetizacijskom impedansom.

Pod nultim naponom, dva namotaja na svakom dijelu proizvode jednake ali suprotne MMF-ove, što rezultira nultom neto MMF-om po dijelu. Nulti magnetski tok ne teče kroz jezgru; umjesto toga cirkulira kroz kućište i okolni medij, nailazeći na visoku reluktanciju. Prema tome, nulti magnetski tok i impedansa su vrlo niski.