Analisi delle Cause di Malfunzionamento della Protezione del Trasformatore di Terra
Nel sistema elettrico cinese, le reti a 6 kV, 10 kV e 35 kV adottano generalmente un sistema di funzionamento con il punto neutro non collegato a terra. Il lato della tensione di distribuzione dei trasformatori principali nella rete è solitamente connesso in configurazione triangolare, che non fornisce un punto neutro per la connessione di resistenze di terra. Quando si verifica un guasto monofase in un sistema con punto neutro isolato, il triangolo delle tensioni tra fasi rimane simmetrico, causando un minimo disturbo alle operazioni degli utenti. Inoltre, quando la corrente capacitiva è relativamente piccola (inferiore a 10 A), alcuni guasti temporanei possono estinguersi spontaneamente, il che è altamente efficace per migliorare l'affidabilità dell'energia elettrica e ridurre gli incidenti di interruzione del servizio.
Tuttavia, con l'espansione e lo sviluppo continuo dell'industria elettrica, questo metodo semplice non soddisfa più le esigenze attuali. Nelle moderne reti elettriche urbane, l'aumento dell'uso di circuiti a cavo ha portato a correnti capacitiche significativamente più elevate (superiori a 10 A). In queste condizioni, l'arco di terra non può essere estinto in modo affidabile, determinando le seguenti conseguenze:
L'estinzione intermittente e la riaccesa dell'arco monofase possono generare sovratensioni di arco a terra con ampiezze che raggiungono fino a 4U (dove U è la tensione di picco tra fase) o anche superiori, durando per periodi prolungati. Questo rappresenta una grave minaccia per l'isolamento degli apparecchi elettrici, potenzialmente causando guasti nei punti di isolamento deboli e portando a perdite significative.
L'arco sostenuto ionizza l'aria circostante, degradandone le proprietà isolanti e aumentando la probabilità di cortocircuiti tra fasi.
Possono verificarsi sovratensioni ferroresonanti, danneggiando facilmente i trasformatori di tensione e i parafulmini—potenzialmente causando esplosioni dei parafulmini. Queste conseguenze mettono gravemente a rischio l'integrità dell'isolamento degli apparecchi della rete e minacciano la sicura operatività dell'intero sistema elettrico.
Per prevenire tali incidenti e fornire una corrente e tensione zero-sequence sufficienti per garantire il funzionamento affidabile della protezione contro i guasti a terra, è necessario creare un punto neutro artificiale in modo da poter collegare una resistenza di terra. Questo bisogno ha portato allo sviluppo di trasformatori di terra (comunemente noti come "trasformatori di terra" o "unità di terra"). Un trasformatore di terra crea artificialmente un punto neutro con una resistenza di terra, solitamente caratterizzata da una resistenza molto bassa (di solito inferiore a 5 ohm).
Inoltre, a causa delle sue caratteristiche elettromagnetiche, il trasformatore di terra presenta un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, consentendo solo una piccola corrente di eccitazione di fluire attraverso le sue avvolgimenti. Su ogni braccio del nucleo, due sezioni di avvolgimento sono avvolte in direzioni opposte. Quando correnti zero-sequence uguali fluiscono attraverso questi avvolgimenti, presentano un'impedenza bassa, risultando in una caduta di tensione minima attraverso gli avvolgimenti in condizioni di zero-sequence.
Specificamente, durante un guasto a terra, l'avvolgimento trasporta correnti di sequenza positiva, negativa e zero. Presenta un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, ma un'impedenza bassa alla corrente di sequenza zero. Questo perché, all'interno della stessa fase, i due avvolgimenti sono connessi in serie con polarità opposta; le loro forze elettromotrici indotte sono uguali in ampiezza ma opposte in direzione, annullandosi reciprocamente, quindi presentando un'impedenza bassa alla corrente di sequenza zero.
In molte applicazioni, i trasformatori di terra vengono utilizzati esclusivamente per fornire un punto neutro con una piccola resistenza di terra e non forniscono alcuna carica secondaria. Pertanto, molti trasformatori di terra sono progettati senza un avvolgimento secondario. Durante l'operazione normale della rete, il trasformatore di terra opera essenzialmente in uno stato a vuoto. Tuttavia, durante un guasto, trasporta corrente di guasto solo per un breve periodo. In un sistema a terra a bassa resistenza, quando si verifica un guasto monofase sul lato a 10 kV, la protezione zero-sequence altamente sensibile identifica rapidamente e isola temporaneamente il ramo difettoso.
Il trasformatore di terra è attivo solo durante il breve intervallo tra la comparsa del guasto e l'attivazione della protezione zero-sequence del ramo. Durante questo periodo, la corrente zero-sequence fluisce attraverso la resistenza di terra del punto neutro e il trasformatore di terra, seguendo la formula: I_R = U / (R₁ + R₂), dove U è la tensione di fase del sistema, R₁ è la resistenza di terra del punto neutro e R₂ è la resistenza aggiuntiva nel circuito di guasto a terra.
Basandosi sull'analisi sopra, le caratteristiche operative di un trasformatore di terra sono: operazione a lungo termine a vuoto e sovraccarico a breve termine durante i guasti.
In sintesi, un trasformatore di terra crea artificialmente un punto neutro per connettere una resistenza di terra. Durante un guasto a terra, presenta un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, ma un'impedenza bassa alla corrente di sequenza zero, garantendo così il funzionamento affidabile della protezione contro i guasti a terra.
Attualmente, i trasformatori di terra installati nelle sottostazioni servono due scopi principali:
Fornire energia AC a bassa tensione per l'uso ausiliario della sottostazione;
Creare un punto neutro artificiale sul lato a 10 kV, che, unito a una bobina di soppressione d'arco (bobina di Petersen), compensa la corrente di guasto a terra capacitiva durante i guasti monofase a 10 kV, estinguendo l'arco al punto di guasto. Il principio è il seguente:
Lungo tutta la lunghezza dei conduttori in una rete trifase, esiste una capacità sia tra le fasi sia tra ciascuna fase e terra. Quando il neutro della rete non è solidamente collegato a terra, la capacità a terra della fase difettosa diventa zero durante un guasto monofase, mentre le tensioni delle altre due fasi aumentano a √3 volte la tensione di fase normale. Anche se questa tensione aumentata rimane entro i limiti di progettazione dell'isolamento, aumenta la loro capacità a terra. La corrente di guasto a terra capacitiva durante un guasto monofase è approssimativamente tre volte la corrente capacitiva per fase normale. Quando questa corrente diventa grande, mantiene facilmente archi intermittenti, eccitando oscillazioni risonanti nel circuito induttivo-capacitivo della rete e generando sovratensioni fino a 2,5-3 volte la tensione di fase. Più alta è la tensione della rete, maggiore è il rischio da tali sovratensioni. Pertanto, solo i sistemi al di sotto dei 60 kV possono operare con un neutro non collegato a terra, poiché le loro correnti di guasto a terra capacitiva monofase rimangono piccole. Per i sistemi ad alta tensione, deve essere utilizzato un trasformatore di terra per collegare il punto neutro attraverso impedenza.
Quando un lato del trasformatore principale di una sottostazione (ad esempio, il lato 10 kV) è connesso in delta o stella senza neutro portato fuori, e la corrente capacitiva monofase a terra è elevata, non c'è un punto neutro disponibile per il collegamento a terra. In tali casi, viene impiegato un trasformatore di messa a terra per creare un punto neutro artificiale, consentendo la connessione a una bobina di soppressione dell'arco. Questo punto neutro artificiale permette al sistema di compensare la corrente capacitiva ed estinguere gli archi a terra - questo è il ruolo fondamentale del trasformatore di messa a terra.
Durante il funzionamento normale, il trasformatore di messa a terra sperimenta una tensione trifase bilanciata e porta solo una piccola corrente di eccitazione, operando sostanzialmente scarico. La differenza di potenziale tra neutro e terra è zero (trascurando la leggera tensione di spostamento del neutro dalla bobina di soppressione dell'arco), e nessuna corrente scorre attraverso la bobina. Se, ad esempio, la fase C subisce un guasto a terra, la tensione di sequenza zero risultante (derivata dall'asimmetria) scorre attraverso la bobina di soppressione dell'arco a terra. La bobina genera una corrente induttiva che compensa la corrente di guasto a terra capacitiva, eliminando così l'arco - funzionalmente identico a una bobina di soppressione dell'arco autonoma.
Negli ultimi anni, in una certa regione, si sono verificati diversi malfunzionamenti della protezione dei trasformatori di messa a terra nelle sottostazioni a 110 kV, influendo gravemente sulla stabilità della rete. Per identificare le cause radicate, sono stati condotti analisi, implementate misure correttive e condivise lezioni per prevenire la ricorrenza e guidare altre regioni.
Con l'aumento dell'uso di alimentatori a cavo nelle reti 10 kV delle sottostazioni a 110 kV, le correnti monofasi a terra capacitive sono aumentate significativamente. Per ridurre le ampiezze di sovratensione durante i guasti a terra, molte sottostazioni a 110 kV ora installano trasformatori di messa a terra per implementare la messa a terra a bassa resistenza, stabilendo un percorso di corrente di sequenza zero. Ciò consente una protezione selettiva di sequenza zero per isolare i guasti a terra in base alla posizione, prevenendo la riaccesione degli archi e assicurando un fornitura di energia sicura.
Dal 2008, una certa regione ha retrofittato i suoi sistemi 10 kV delle sottostazioni a 110 kV con la messa a terra a bassa resistenza, installando trasformatori di messa a terra e dispositivi di protezione associati. Questo permette l'isolamento rapido di qualsiasi guasto a terra sulle linee 10 kV, minimizzando l'impatto sulla rete. Tuttavia, recentemente, cinque sottostazioni a 110 kV nella regione hanno subito ripetuti malfunzionamenti della protezione dei trasformatori di messa a terra, causando interruzioni e minacciando la stabilità della rete. Pertanto, è essenziale identificare le cause e implementare soluzioni.
1. Analisi delle cause del malfunzionamento della protezione del trasformatore di messa a terra
Quando una linea 10 kV subisce un guasto a terra, la protezione di sequenza zero della linea nella sottostazione a 110 kV dovrebbe attivarsi per prima per isolare il guasto. Se fallisce, la protezione di backup di sequenza zero del trasformatore di messa a terra attiva i disgiuntori del bus tie e del trasformatore principale per contenere il guasto. Pertanto, il corretto funzionamento della protezione e dei disgiuntori delle linee 10 kV è cruciale. L'analisi statistica dei malfunzionamenti in cinque sottostazioni mostra che il fallimento della protezione delle linee è la causa principale.
La protezione di sequenza zero della linea 10 kV funziona come segue: campionamento CT di sequenza zero → inizio della protezione → azione del disgiuntore. I componenti chiave sono il CT di sequenza zero, il relè di protezione e il disgiuntore. L'analisi si concentra su questi:
1.1 Errori del CT di sequenza zero che causano malfunzionamenti
Durante un guasto a terra, il CT di sequenza zero della linea difettosa rileva la corrente di guasto, attivando la sua protezione. Simultaneamente, il CT di sequenza zero del trasformatore di messa a terra rileva anche la corrente. Per garantire la selettività, le impostazioni della protezione della linea (ad esempio, 60 A, 1,0 s) sono inferiori a quelle del trasformatore di messa a terra (ad esempio, 75 A, 1,5 s per azionare il bus tie, 2,5 s per azionare il trasformatore principale). Tuttavia, gli errori del CT (ad esempio, -10% per il CT del trasformatore di messa a terra, +10% per il CT della linea) possono rendere le correnti di pickup effettive quasi uguali (67,5 A vs. 66 A), dipendendo solo dal ritardo temporale. Ciò aumenta il rischio di sovrastensione del trasformatore di messa a terra.
1.2 Collegamento errato dello scudo del cavo che causa malfunzionamenti
Le linee 10 kV utilizzano cavi schermati con scudi collegati a terra alle due estremità - una pratica comune per mitigare le interferenze elettromagnetiche. I CT di sequenza zero sono tipicamente toroidali, installati intorno al cavo all'uscita del quadro di distribuzione. Durante un guasto a terra, la corrente non bilanciata induce un segnale nel CT. Tuttavia, se lo scudo è collegato a terra alle due estremità, le correnti circolanti nello scudo passano anche attraverso il CT, distorcendo la misurazione. Senza un'installazione corretta (ad esempio, il filo di collegamento a terra dello scudo passa correttamente attraverso il CT), la protezione della linea può fallire, causando un sovraccarico del trasformatore di messa a terra.
1.3 Fallimento della protezione della linea che causa malfunzionamenti
Anche se i relè a microprocessore offrono prestazioni elevate, la qualità dei prodotti varia. I guasti comuni riguardano i moduli di alimentazione, campionamento, CPU o uscita di comando. Se non rilevati, questi possono causare un rifiuto della protezione, portando a malfunzionamenti del trasformatore di messa a terra.
1.4 Guasto del disgiuntore della linea che causa malfunzionamenti
L'invecchiamento, le operazioni frequenti o i disgiuntori di scarsa qualità (soprattutto i tipi GG-1A più vecchi nelle aree rurali) aumentano i tassi di guasto. I guasti nei circuiti di controllo - in particolare le spire di comando bruciate - impediscono l'operazione del disgiuntore anche quando la protezione comanda un trip, costringendo la protezione di backup del trasformatore di messa a terra a intervenire.
1.5 Guasti a terra ad alta impedenza su una o due linee che causano malfunzionamenti
Se due linee subiscono contemporaneamente guasti a terra ad alta impedenza sulla stessa fase, le correnti di sequenza zero individuali (ad esempio, 40 A e 50 A) possono rimanere al di sotto del pickup della linea (60 A), ma la loro somma (90 A) supera l'impostazione del trasformatore di messa a terra (75 A), causando un sovraccarico. Anche un singolo grave guasto a terra ad alta impedenza (ad esempio, 58 A) combinato con la corrente capacitiva normale (ad esempio, 12-15 A) può avvicinarsi a 75 A. Le perturbazioni del sistema possono quindi attivare un malfunzionamento.
2. Contromisure per prevenire i malfunzionamenti
2.1 Affrontare gli errori del CT
Utilizzare CT di sequenza zero di alta qualità; rifiutare unità con errore >5% durante la messa in servizio; impostare le soglie di protezione in base ai valori primari; verificare le impostazioni tramite test di iniezione primaria.
2.2 Correggere il collegamento a terra dello scudo del cavo
Fai passare i cavi di protezione dello scudo verso il basso attraverso il CT a sequenza zero e isolali dai canali dei cavi; evita contatti prima del CT.
Lascia gli estremi dei conduttori esposti per i test; isola il resto.
Se il punto di terra dello scudo si trova sotto il CT, non farlo passare attraverso il CT. Evita di posizionare il punto di terra all'interno della finestra del CT.
Forma il personale di protezione e dei cavi sull'installazione corretta.
Imposta ispezioni di accettazione congiunte da parte dei team di protezione, operazioni e cavi.
2.3 Prevenire il rifiuto della protezione
Utilizza relè dimostrati affidabili; sostituisci unità obsolete o difettose; migliora la manutenzione; installa raffreddamento/ventilazione per prevenire il sovraccarico termico.
2.4 Prevenire il rifiuto dell'interruttore
Utilizza interruttori moderni e affidabili (ad esempio, tipi sigillati a molla o a motore); fai uscire gradualmente i vecchi armadi GG-1A; mantieni i circuiti di controllo; utilizza bobine di comando di alta qualità.
2.5 Mitigare i rischi di guasti ad alta impedenza
Indaga e sgombra rapidamente i linee di alimentazione quando si verificano allarmi di terra; riduci le lunghezze delle linee di alimentazione; bilancia i carichi di fase per minimizzare la corrente capacitiva normale.
3. Conclusione
Anche se i trasformatori di terra migliorano la struttura e la stabilità della rete, le ripetute malfunzioni evidenziano rischi nascosti. Questo documento analizza le cause principali e propone soluzioni pratiche per guidare le regioni che hanno installato o pianificano di installare trasformatori di terra.
Trasformatori di Terra Zigzag (Tipo Z)
Nelle reti di distribuzione a 35 kV e 66 kV, le avvolgimenti dei trasformatori sono tipicamente collegati in stella con un punto neutro disponibile, eliminando la necessità di trasformatori di terra. Tuttavia, nelle reti a 6 kV e 10 kV, i trasformatori a connessione triangolare non hanno un punto neutro, rendendo necessario un trasformatore di terra per fornirne uno—principalmente per la connessione di bobine di soppressione dell'arco.
I trasformatori di terra utilizzano connessioni di avvolgimento zigzag (tipo Z): ogni avvolgimento di fase è diviso tra due gambe del nucleo. I flussi magnetici a sequenza zero dei due avvolgimenti si annullano l'un l'altro, risultando in una impedenza a sequenza zero molto bassa (tipicamente <10 Ω), perdite a vuoto basse e utilizzo superiore al 90% della capacità nominale. In contrasto, i trasformatori convenzionali hanno un'impedenza a sequenza zero molto più alta, limitando la capacità delle bobine di soppressione dell'arco a ≤20% della capacità nominale del trasformatore. Pertanto, i trasformatori tipo Z sono ottimali per applicazioni di terra.
Quando la tensione di squilibrio del sistema è elevata, avvolgimenti tipo Z bilanciati sono sufficienti per la misurazione. In sistemi a basso squilibrio (ad esempio, reti completamente cablate), il neutro è progettato per produrre una tensione di squilibrio di 30–70 V per esigenze di misurazione.
I trasformatori di terra possono anche fornire carichi secondari, fungendo da trasformatori di servizio. In tali casi, la capacità primaria è uguale alla somma della capacità delle bobine di soppressione dell'arco e della capacità del carico secondario.
La funzione principale di un trasformatore di terra è quella di fornire la corrente di compensazione dei guasti a terra.
La Figura 1 e la Figura 2 mostrano due connessioni comuni di trasformatori di terra a zigzag: ZNyn11 e ZNyn1. Il principio di bassa impedenza a sequenza zero è il seguente: ogni gamba del nucleo contiene due avvolgimenti identici collegati a diverse tensioni di fase. Sotto tensione a sequenza positiva o negativa, la forza magnetomotrice (MMF) su ogni gamba è la somma vettoriale di due MMF di fase. Le tre MMF delle gambe sono bilanciate e distanziate di 120°, formando un percorso magnetico chiuso con bassa riluttanza, alto flusso, alta tensione indotta e quindi alta impedenza di magnetizzazione.
Sotto tensione a sequenza zero, i due avvolgimenti su ogni gamba producono MMF uguali ma opposte, risultando in una MMF netta nulla per ogni gamba. Nessun flusso a sequenza zero scorre nel nucleo; invece, circola attraverso il serbatoio e il mezzo circostante, incontrando alta riluttanza. Di conseguenza, il flusso e l'impedenza a sequenza zero sono molto bassi.
