Talajkapcsoló transzformátor védelmi hibaműködésének okainak elemzése

Kínai villamos rendszerben a 6 kV, 10 kV és 35 kV hálózatok általában főleg nem-középpontosan megföldözött módra működnek. A hálózat fő transzformátorainak elosztó feszültség oldala általában delta konfigurációban van csatlakoztatva, ami nincs középpontjának biztosítása a földövön kapcsolódó ellenállásokhoz. Egyetlen fázisú földkapcsolódási hiba esetén a fő transzformátor fázisfeszültségek háromszöge szimmetrikusan marad, ami minimálisan zavarja a felhasználói műveleteket. Továbbá, ha a kapacitív áram relatíve kicsi (kevesebb, mint 10 A), néhány átmeneti földkapcsolódási hiba önmagától megszűnik, ami nagyon hatékonyan javítja a villamos ellátás megbízhatóságát és csökkenti a leállások számát.

Azonban a villamos ipar folyamatos bővülésével és fejlődésével ez a egyszerű módszer már nem felel meg a jelenlegi igényeknek. A modern városi villamos hálózatokban a kábeles vezetékek növekvő használata jelentősen magasabb kapacitív áramokat (több, mint 10 A) eredményez. Ezek a feltételek mellett a földkapcsolódási ív nem tűrhető módon megszűnik, ami a következő következményekhez vezet:

• Az egyetlen fázisú földkapcsolódási ív időnkénti megszűnésével és újraindulásával az ív-földkapcsolódási túlfeszültségek amplitúdója akár 4U (ahol U a fázisfeszültség csúcsértéke) vagy annál is nagyobb lehet, hosszú ideig tartva. Ez komoly fenyegetést jelent a villamos berendezések izolációjára, gyenge pontokon történő meghibásodást okozhat, ami jelentős veszteségeket eredményezhet.

• A folyamatos ívionizáció rombolja a környező levegő izolációs tulajdonságait, emelkedik a fázis közötti rövidzárlatok valószínűsége.

• Ferromrezgő túlfeszültségek alakulhatnak ki, könnyen sérthetik a feszültségtranszformátorokat és a villámlásvédelmi berendezéseket – még akár robbanást is okozhatnak. Ezek a következmények súlyosan veszélyeztetik a hálózati berendezések izolációs integritását és fenyegetik a teljes villamos rendszer biztonságos működését.

Ezen események elkerülésére és elegendő nullsorozatú áram és feszültség biztosítására a földkapcsolódási védelem megbízható működéséhez, szükség van egy mesterséges középpont létrehozására, hogy a földövön kapcsolódó ellenállást csatlakoztassák. Ez a szükség vezetett a földkapcsolódási transzformátorok (általában "földkapcsolódási transzformátorok" vagy "földkapcsolódási egységek" néven ismertek) fejlesztéséhez. A földkapcsolódási transzformátor mesterségesen létrehoz egy középpontot, amelyhez egy ellenállást csatlakoztathatunk, általában nagyon alacsony ellenállású (általában kevesebb, mint 5 ohm).

Továbbá, elektromágneses jellemzői miatt, a földkapcsolódási transzformátor magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramokkal szemben, csak kis indítási áram haladhat át a tekercseiben. Minden alapbogarakon két ellentétes irányban tekert tekercs szakasz található. Amikor azonos nullsorozatú áramok áthaladják ezeket a tekerceket, alacsony ellenállást mutatnak, ami minimalista feszültségcsökkenést eredményez a tekerceken a nullsorozatú feltételek mellett.

Konkrétabban, a földkapcsolódási hiba során a tekercs pozitív-, negatív- és nullsorozatú áramokat visel. Magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramokkal szemben, de alacsony ellenállást a nullsorozatú árammal. Ez azért van, mert ugyanazon a fázison belül a két tekercs ellentétes polaritással van sorosan csatlakoztatva; indukált elektromotív erőik egyenlőek, de ellentétes irányúak, tehát hatásuk kiejti, így alacsony ellenállást mutat a nullsorozatú árammal szemben.

Számos alkalmazásban a földkapcsolódási transzformátorok kizárólag azzal a céllal használják, hogy egy kis ellenállású földkapcsolódást biztosítson, és nem szolgálnak másodlagos terhelésre. Ezért sok földkapcsolódási transzformátor nincs másodlagos tekercssel. A normál hálózati működés során a földkapcsolódási transzformátor lényegében üres állapotban működik. Azonban a hiba esetén rövid ideig visel hibákat. Alacsony ellenállású földkapcsolódás esetén, amikor a 10 kV oldalon egyetlen fázisú földkapcsolódási hiba történik, a nagyon érzékeny nullsorozatú védelem gyorsan felismeri és átmenetileg elkülöníti a hibás vezetőt. 

A földkapcsolódási transzformátor csak a hiba bekövetkezésének és a vezető nullsorozatú védelmének működésének rövid időköze alatt aktív. Ez alatt a nullsorozatú áram áthalad a középponti földövön ellenállón és a földkapcsolódási transzformátoron, a következő képlet szerint: I_R = U / (R₁ + R₂), ahol U a rendszer fázisfeszültsége, R₁ a középponti földövön ellenállás, és R₂ a hibahurok további ellenállása.

A fenti elemzés alapján a földkapcsolódási transzformátor működési jellemzői: hosszú távú üres állapotú működés és rövid távú túlterheltség a hibák során.

Összefoglalva, a földkapcsolódási transzformátor mesterségesen létrehoz egy középpontot, amelyhez egy ellenállást csatlakoztathatunk. Földkapcsolódási hiba esetén magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramokkal szemben, de alacsony ellenállást a nullsorozatú árammal, ezáltal biztosítva a földkapcsolódási védelem megbízható működését.

Jelenleg a telephelyeken telepített földkapcsolódási transzformátorok két fő célra szolgálnak:

• Alacsony feszültségű AC villamos energiát szolgáltat a telephely segédhasználatára;

• Mesterségesen létrehoz egy középpontot a 10 kV oldalon, amely, kombinálva egy ívkioltó címkkel (Petersen címke), a 10 kV egyetlen fázisú földkapcsolódási hiba esetén kompenzálja a kapacitív földkapcsolódási áramot, így kitöltve az ívot a hibaponton. A működési elv a következő:

A háromfázisú villamos hálózat teljes vezetésein, a fázisok között és minden fázis és a föld között létezik kapacitás. Ha a hálózat középpontja nem erősen földövön van, a hibás fázis földkapacitása nulla lesz egyetlen fázisú földkapcsolódási hiba esetén, miközben a másik két fázis feszültsége √3-szeresére emelkedik a normál fázisfeszültségen. Bár ez a növekedett feszültség a izolációs tervezési korlátokon belül marad, növeli a földkapacitásukat. Az egyetlen fázisú hiba során a kapacitív földkapcsolódási áram körülbelül háromszorosa a normál per fázis kapacitív áramnak. Amikor ez az áram nagy, könnyen fenntart intermitáló íveket, rezgések kiváltó inductív-kapacitív körben, és túlfeszültségeket generál, akár 2,5-3-szeresére a fázisfeszültség. Minél magasabb a hálózat feszültsége, annál nagyobb a veszély ezekből a túlfeszültségekből. Tehát csak 60 kV alatti rendszerek működhetnek nem földövön középponttal, mivel az egyetlen fázisú kapacitív földkapcsolódási áramai kisebbek. Magasabb feszültségű rendszerek esetén földkapcsolódási transzformátort kell használni, hogy ellenálláson keresztül csatlakoztassa a középpontot.

Amikor egy átalakító (pl. a 10 kV oldal) delta vagy csillag alakban van csatlakoztatva, anélkül, hogy a semleges ki lettene hozva, és a egyfázisú kapacitív talajáram nagy, nincs elérhető semleges pont a talajzatához. Ilyen esetekben alkalmazzák a talajzási transzformátort, amely egy mesterséges semleges pontot hoz létre, lehetővé téve az ívnyomló tekercs csatlakoztatását. Ez a mesterséges semleges pont lehetővé teszi a rendszer számára a kapacitív áram kompenzálását és a talajíves ívek kialsztását – ez a talajzási transzformátor alapvető funkciója.

A normál működés során a talajzási transzformátor egyensúlyban álló háromfázisú feszültséget lát, csak kis indítási áramot vezet, lényegében üresen működve. A semleges-pont és a talaj közötti potenciális különbség nulla (elhanyagolva a csekély semleges eltolódást, ami az ívnyomló tekercstől ered), és nem áramlik áram a tekercsen. Ha például a C fázison bekövetkezik talajhiba, a keletkező nullsorozatú feszültség (ami az aszimmetriából adódik) áramlik az ívnyomló tekercsen keresztül a talajig. A tekercs induktív áramot generál, amely kompenzálja a kapacitív talajhibájú áramot, ezzel megszünteti az ívet – funkcionálisan azonosan, mint egy önálló ívnyomló tekercs.

Az elmúlt években több helytelen működés történt a talajzási transzformátor védelmében 110 kV átalakítókban egy adott területen, súlyosan befolyásolva a hálózat stabilitását. A gyökér okok azonosítása érdekében végzett elemzések, korrekciós intézkedéseket hajtottak végre, és osztották meg a tanulságokat, hogy megelőzzék a felismétlődést, valamint iránymutatást adjanak más területeknek.

A 110 kV átalakító 10 kV hálózataiban a kábeles beszállítások növekvő használata miatt a egyfázisú kapacitív talajáram jelentősen emelkedett. A talajhiba során fellépő túlfeszültség mértékének csökkentése érdekében sok 110 kV átalakítóban telepítik a talajzási transzformátort, hogy alacsony-ellenállású talajzatot valósítsanak meg, és beállítsanak nullsorozatú áramút. Ez lehetővé teszi a választó nullsorozatú védelemmel a talajhiba elhelyezkedésének függvényében történő izolálását, megakadályozva az ív újragyúlását, és biztosítva a biztonságos energiaszállítást.

2008 óta egy adott régió 110 kV átalakító 10 kV rendszerei alacsony-ellenállású talajzáshoz kerültek, talajzási transzformátorok és hozzájuk tartozó védelmi eszközök telepítésével. Ez lehetővé teszi bármely 10 kV tápellátó hiba gyors elhelyezkedését, minimalizálva a hálózatra gyakorolt hatást. Azonban mostanában öt 110 kV átalakítóban a régióban ismétlődően történt a talajzási transzformátor védelmének helytelen működése, ami kimaradt, és fenyegette a hálózat stabilitását. Így az okok azonosítása és a megoldások végrehajtása alapvető fontosságú.

1. Az okok elemzése a talajzási transzformátor védelmének helytelen működéséhez

Ha egy 10 kV tápellátón talajhiba történik, az 110 kV átalakítóban a tápellátó nullsorozatú védelme először működik, hogy elhelyezze a hibát. Ha nem sikerül, a talajzási transzformátor háttérbeli nullsorozatú védelme utasítja a buszkapcsoló és a főtranszformátor átmeneteket a hiba tartalmazására. Tehát a 10 kV tápellátó védelmének és átmeneteknek helyes működése kulcsfontosságú. Az öt átalakítóban bekövetkezett helytelen működések statisztikai elemzése szerint a tápellátó védelmének sikertelensége az elsődleges ok.

A 10 kV tápellátó nullsorozatú védelme a következőképpen működik: nullsorozatú CT-mintavétel → védelem indítása → átmenetek lekapcsolása. A kulcsfontosságú komponensek a nullsorozatú CT, a védelmi relé és az átmenet. Az elemzés ezekre koncentrál:

1.1 Nullsorozatú CT-hibák a helytelen működés okai
Talajhiba esetén a hibás tápellátó nullsorozatú CT érzékelje a hibajáratot, aktiválva a védelmét. Ugyanakkor a talajzási transzformátor nullsorozatú CT is érzékelje a jelenlegi áramot. A selektivitás biztosításához a tápellátó védelmi beállítások (pl. 60 A, 1,0 s) alacsonyabbak, mint a talajzási transzformátor beállításai (pl. 75 A, 1,5 s a buszkapcsolóhoz, 2,5 s a főtranszformátorhoz). Azonban a CT-hibák (pl. -10% a talajzási transzformátor CT, +10% a tápellátó CT) miatt a tényleges rögzítési áramok majdnem egyenlőek lesznek (67,5 A vs. 66 A), csak az időkülönbségen alapuló. Ez növeli a talajzási transzformátor túlterjedésének kockázatát.

1.2 Helytelen kábelbemeleg talajzása a helytelen működés okai
A 10 kV tápellátók bemelegelt kábeleket használnak, amelyek mindkét végén talajzatosak – egy gyakori RFI-csökkentő gyakorlat. A nullsorozatú CT-k általában toroidálisak, a kábel körül vannak telepítve a kapcsolókészüléken. Talajhiba esetén az egyensúlytalan áram jelet eredményez a CT-ben. Ha azonban a bemeleg mindkét végén talajzatos, a cirkuláló bemeleg áramok is áthaladnak a CT-n, torzítva a mérést. Ha a bemeleg talajzati dróta helytelenül van telepítve (pl. a CT-on keresztül), a tápellátó védelme sikertelen lehet, ami a talajzási transzformátor túlterjedéséhez vezethet.

1.3 Tápellátó védelmi hiba a helytelen működés okai
Bár a mikroprocesszor-alapú relék magas teljesítményűek, a termékminőség változó. Gyakori hibák a tápellátás, a mintavétel, a CPU vagy a trip output modulok. Ha ezek felfedezetlenek maradnak, ezek védelmi hibákat okozhatnak, ami a talajzási transzformátor helytelen működéséhez vezethet.

1.4 Tápellátó átmeneti hiba a helytelen működés okai
Az öregedés, a gyakori működés, vagy a rossz minőségű átmenetek (különösen a vidéki területeken található régi GG-1A típusú) növelik a hibaelhelyezkedési arányt. A vezérlőkör hibái, különösen a szenvedélyes trip tekercsek, akadályozzák az átmenet működését, még akkor is, ha a védelem utasítja a tripot, ami a talajzási transzformátor háttérbeli működését eredményezi.

1.5 Magas-ellenállású talajhiba egy vagy két tápellátón a helytelen működés okai
Ha két tápellátón egyszerre magas-ellenállású talajhiba történik ugyanazon a fázison, az egyes nullsorozatú áramok (pl. 40 A és 50 A) alacsonyabbak, mint a tápellátó rögzítés (60 A), de az összegük (90 A) meghaladja a talajzási transzformátor beállítást (75 A), ami a túlterjedéshez vezethet. Még egyetlen súlyos magas-ellenállású hiba (pl. 58 A) kombinált a normál kapacitív árrammal (pl. 12–15 A) is közelítheti a 75 A-t. A rendszer zavarai ekkor aktiválhatják a helytelen működést.

2. Ellenző intézkedések a helytelen működés megelőzésére

2.1 CT-hibák kezelése

Használjon magas minőségű nullsorozatú CT-ket; utasítsa el a >5%-os hibával rendelkező egységeket a beüzemelés során; állítsa be a védelmi küszöbértékeket a primáris értékek alapján; ellenőrizze a beállításokat primáris behúzás teszteléssel.

2.2 Kábelbemeleg talajzás javítása

• Vezessen le a tápegység biztonsági kábeleit a nullsorozatú CT-n keresztül lefelé, és izolálja őket a kábelesztenyőktől; kerülje az érintkezést a CT előtt.

• Hagyjon kitett vezeték végűt vizsgálatra; izolálja a többit.

• Ha a tápegység biztonsági talajpontja alább helyezkedik, mint a CT, ne vezesse át a CT-n. Kerülje, hogy a talajpont legyen a CT ablakon belül.

• Oktassa meg a védelem- és kábelmunkásokat a megfelelő telepítésre vonatkozóan.

• Kényszerítsen közös elfogadási ellenőrzéseket a relé, műveleti és kábelcsoportok részéről.

2.3 A védelem megszakításának elkerülése

Használjon bevált, megbízható relék; cserélje le a régi vagy hibás egységeket; növelje a karbantartást; telepítse a hűtést/légcserét, hogy elkerülje a túlmelegedést.

2.4 A kapcsolók megszakításának elkerülése

Használjon megbízható, modern kapcsolókat (pl., rugó- vagy motorral feltöltött zárt típusú); fokozatosan szüntesse meg a régi GG-1A szekrényeket; fenntartsa a vezérlő áramköröket; használjon minőségi indító tekercsek.

2.5 A magas impedanciájú hiba kockázatának csökkentése

Gyorsan vizsgálja és tisztítsa a kifutóvonalakat, amikor földkapcsolási riasztások lépnek fel; csökkentse a kifutóvonalak hosszát; egyensúlyozza a fázis terheléseket, hogy minimalizálja a normális kapacitív áramot.

3. Összefoglalás

Bár a talajzat transzformátorok javítják a hálózati szerkezetet és stabilitást, a folyamatos hibás működés rejtett kockázatokat mutat. Ez a tanulmány elemzi a legfontosabb okokat, és praktikus megoldásokat javasol, hogy iránymutatást adjon azoknak a régióknak, amelyek már telepítettek vagy tervezik a talajzat transzformátorok telepítését.

Zigzag (Z-típus) talajzat transzformátorok

A 35 kV és 66 kV elosztási hálózatokban a transzformátor tekercsei általában wye-kapcsolattal rendelkeznek, neutral ponttal, ami kivitelezhető, anélkül, hogy talajzat transzformátorra lenne szükség. Azonban a 6 kV és 10 kV hálózatokban a delta-kapcsolt transzformátorok nincsenek neutral ponttal, így szükség van talajzat transzformátorra, hogy egyet biztosítsa—főleg arkusszűrési tekercsek összekapcsolásához.

A talajzat transzformátorok zigzag (Z-típus) tekercskapcsolatot használnak: minden fázis tekercsét két magkarcoló tagra osztják. A két tekercs nullsorozatú mágneses fluxusa ellensúlyoz, ami nagyon alacsony nullsorozatú impedanciát (általában <10 Ω), alacsony üresjárati veszteségeket és a nominális kapacitás 90%-ánál magasabb kihasználtságot eredményez. Ellenben a hagyományos transzformátorok sokkal magasabb nullsorozatú impedanciával rendelkeznek, ami az arkusszűrési tekercsek kapacitását ≤20%-ra korlátozza a transzformátor nominális értékéhez képest. Így a Z-típus transzformátorok optimálisak a talajzat alkalmazásokhoz.

Amikor a rendszer egyensúlytalansága nagy, akkor a kiegyensúlyozott Z-típus tekercsek elegendők a mérésekhez. Alacsony egyensúlytalanságú rendszerekben (pl., teljes kábeles hálózatokban) a neutral pont 30–70 V egyensúlytalanságot termel a mérésekhez.

A talajzat transzformátorok továbbá másodlagos terheléseket is elláthatnak, állomány-szolgálati transzformátorokként. Ilyen esetekben az elsődleges nominális érték az arkusszűrési tekercsek kapacitásának és a másodlagos terhelés kapacitásának összege.

A talajzat transzformátorok elsődleges funkciója a talajhiba kompenzációs áram szolgáltatása.

Az 1. és 2. ábra két gyakori Z-típus talajzat transzformátor kapcsolást mutat: ZNyn11 és ZNyn1. Az alacsony nullsorozatú impedancia elvét a következők jellemzik: minden magkarcoló tagon két azonos tekercs található, melyek különböző fázis feszültségekre vannak kapcsolva. Pozitív vagy negatív sorozatú feszültség esetén minden tagon a magnetomotív erő (MMF) a két fázis MMF vektorszummája. A három tag MMFe egyensúlyban vannak, és 120°-os szöggel vannak elhelyezve, ami zárt mágneses utat, alacsony ellenállást, magas fluxust, magas indukált feszültséget és magas polarizációs impedanciát eredményez.

Nullsorozatú feszültség esetén a két tekercs minden tagon ugyanakkora, de ellentétes MMF-t termel, ami nullát eredményez minden tagon. Nincs nullsorozatú fluxus a magban; inkább a tartályon és a környező közegben kering, ahol nagy ellenállást talál. Ennek eredményeként a nullsorozatú fluxus és impedancia nagyon alacsony.