Analyse causarum propter quas protectio transformatoris ad terram malfunctio fit

In systemate electricitatis Sinici, rete electrum 6 kV, 10 kV, et 35 kV generale adoptat modum operationis neutrale non-terreni. Latus distributionis voltage transformatorum principium in rete solitum est coniunctum in configuratione delta, quod nullum punctum neutrale praebet ad resistores terrenos coniungendos. Cum defectus unius phase terre occurrat in systemate neutrale non-terreno, triangulum voltage inter lineas remanet symmetria, causans minimam perturbationem operationibus utentium. Praeterea, quando currus capacitive est comparativus parvus (minus quam 10 A), aliquot defectus terre temporales possunt extinguere se ipsos, quod valde efficax est in melioratione fidei supplyendi electri et reductione incidentium interruptionis.

Tamen, cum continuo expansione et progressione industriae electricae, haec methodus simpliciter iam non satisfacit demandatis presentibus. In retibus urbanis modernis, usus crescentis circuitorum cabellarum duxit ad significanter altiores currentes capacitive (excedentes 10 A). Sub his conditionibus, arcus terre non potest extingui fideliter, resultans in consequentiis sequentibus:

• Extinctio intermittens et reignitio arcus terre unius phase potest generare overvoltages arcu-terre amplitudinis attingentis usque ad 4U (ubi U est peak phase voltage) vel etiam altius, perdurantes pro tempore longo. Hoc poscit severa minacia insulae apparatorum electricorum, potens causare disiecturas in locis insulae infirmis et ducere ad perdas significativas.

• Arcus sustinens ionizat aer circumstantem, degradans suas proprietates insulantis et augens probabilitatem short-circuitum inter phases.

• Overvoltages ferroresonantiae possunt occurrere, facile damnantes transformatores voltage et surge arresters—potens etiam ducere ad explosiones arrester. Haec consequentia severe periclitatur integritatem insulae apparatorum retis et minatur operatio securem totius systematis electri.

Ut huiusmodi incidentia praeveniantur et sufficiens currus et voltage zero-sequence praebantur ad operatio fidem protectionis defectus terre, punctum neutrale artificiale creari debet ut resistor terre coniungi possit. Hoc opus duxit ad developmentum transformatorum terrae (communiter nominati "transformator terrae" vel "unitas terrae"). Transformator terrae artificialiter creat punctum neutrale cum resistor terre, solito praebens resistentiam valde parvam (solito minus quam 5 ohms).

Praeterea, ob suas proprietates electromagneticas, transformator terrae praebet impedimentum altum currentibus positive- et negative-sequence, permittens solum parvum currum excitationis fluere per suas windings. In singulis cruribus nucleo, duae sectiones winding sunt contortae in directionibus oppositis. Quando currentes zero-sequence aequales fluunt per has windings, exhibent impedimentum parvum, resultans in cadu minimo voltage trans windings sub conditionibus zero-sequence.

Specificatim, durante defectu terre, winding portat currentes positive-, negative-, et zero-sequence. Exhibet impedimentum altum currentibus positive- et negative-sequence sed impedimentum parvum currenti zero-sequence. Hoc est quia, intra eandem phase, duae windings sunt coniunctae in serie cum polaritate opposita; eorum electromotive forces sunt aequales magnitudine sed oppositae directione, effectu cancelando se invicem, sic praebendo impedimentum parvum currenti zero-sequence.

In multis applicationibus, transformator terrae utitur solus ad praebendum punctum neutrale cum parvo resistor terre et non supplens ullum onus secundarium. Propterea, multi transformator terrae designantur sine winding secundario. Durante operatione normali rete, transformator terrae operatur essentialiter in statu sine onere. Tamen, durante defectu, portat currum defectus solum pro tempore breve. In systemate terreno low-resistance, quando defectus terre unius phase occurrit in latus 10 kV, protectio zero-sequence sensibilissima celeriter identificat et temporaliter isolat feeder defectuosum. 

Transformator terrae activus est solum inter intervallum breve inter occurrence defectus et operationem protectionis zero-sequence feeder. Durante hoc tempus, currus zero-sequence fluit per neutral grounding resistor et transformator terrae, sequens formulam: I_R = U / (R₁ + R₂), ubi U est systemate phase voltage, R₁ est neutral grounding resistor, et R₂ est resistentia additiva in circuito defectus terre.

Ex analysi supra, characteres operationales transformator terrae sunt: operatio sine onere longa et overload brevis durante defectus.

In summa, transformator terrae artificialiter creat punctum neutrale ad coniungendum resistor terre. Durante defectus terre, exhibet impedimentum altum currentibus positive- et negative-sequence sed impedimentum parvum currenti zero-sequence, sic assecurans operationem fidem protectionis defectus terre.

Nunc, transformator terrae installati in substationibus servit duobus finibus principalibus:

• Supplying AC power low-voltage pro usu auxiliario substationis;

• Creat punctum neutrale artificiale in latus 10 kV, quod, cum combinatum sit cum coil suppressionis arcus (Petersen coil), compensat currentem capacitive defectus terre durante defectus terre unius phase 10 kV, sic extinguens arcum in puncto defectus. Principium est sicut sequitur:

Per totam longitudinem conductorum in rete electrum triphase, capacitance existit inter phases et inter singulas phases et terram. Quando neutrale rete non est solidly terrenum, capacitance ad terram phase defectivae fit nullus durante defectus terre unius phase, dum voltages aliarum duarum phases crescunt ad √3 times voltage phase normalis. Licet hoc voltage incrementum maneat intra limites designatis insulae, auget eorum capacitance ad terram. Currentus capacitive defectus terre durante defectus unius phase est circa tres vices currentem capacitive normalis per phase. Quando hic currus magnus fit, facile sustinet arcus intermittentes, excitans oscillationes resonantes in circuito inductivo-capacitivo retis et generans overvoltages usque ad 2.5–3 times voltage phase. Altius est voltage rete, maior est periculum ab huiusmodi overvoltages. Propterea, solum systemata infra 60 kV possunt operari cum neutrale non-terreno, quorum currentes capacitive defectus terre unius phase manent parvi. Pro systematibus altioris voltage, transformator terrae uti debet ad coniungendum punctum neutrale per impedimentum.

Cum una pars transformatoris principalem substationis (exempli gratia, pars 10 kV) connectitur in triangulum vel wye sine neutro extracto, et cum cursus capacitiuus unipolaris est magnus, nullus punctus neutralis ad terram ducendam est. In tali casu, transformator ad terram ducendum adhibetur ut punctus neutralis artificialis crearetur, permittens connectionem ad coilum arcus suppressoris. Hic punctus neutralis artificialis systemati permittit ut compenset currensem capacitiuem et extinguat arcus terrae—hoc est fundamentale munus transformatoris ad terram ducendi.

In operatione normali, transformator ad terram ducendum experitur tensionem triphasicaequilibratam et portat tantum parvum currens excitationis, operans fere sine onere. Differentia potentialis inter neutrum et terram est nulla (neglecta parva tensione displacementis neutrallis a coilolo arcus suppressori), et nullus currens per colium transit. Si, exempli gratia, fase C patitur defectum terrae, resultante tensio zero-sequencia (derivata ex asymmetria) per coilum arcus suppressoris ad terram fluit. Coilus generat currens inductivum quod compesat currens capacitiuum defectus terrae, ita arcum eliminans—functionaliter idem ac coilus arcus suppressoris solitarius.

Recentibus annis, plures malaoperationes protectionis transformatoris ad terram ducendi in substationibus 110 kV in quadam regione occurrerunt, graviter stabilitatem rete affectantes. Ad causas radicales identificandas, analysides factae, measurae correctivae implementatae, et lectiones communicatae sunt ut recurrenciam praeventuri et aliae regiones dirigantur.

Cum usu crescente alimentorum cabellariorum in retibus 10 kV substationum 110 kV, currentes unipolares capacitiui valde creverunt. Ut magnitudines overvoltage in defectibus terrae coerceantur, multi substationes 110 kV nunc installant transformatores ad terram ducendos ut terram ducant resistentiola, instituendo viam currens zero-sequencia. Hoc permittit protectionem selectivam zero-sequentiam ut isolent defectus terrae secundum locum, arcus reflammationem prohibentes et suppeditando electricitatem securem.

Ex anno 2008, certa regio refecit suas systemata 10 kV substationum 110 kV ad terram ducendam resistentiola minima per installationem transformatorum ad terram ducendorum et dispositivorum protectionis associatorum. Hoc permittit isolationem rapidam cuiusque defectus terrae alimentorum 10 kV, minimizando impactum rete. Tamen, recentius, quinque substationes 110 kV in regione experiuntur repetitiones malaoperationum protectionis transformatoris ad terram ducendi, causantes interruptiones et rete stabilitatem minantes. Ergo, identificare causas et implementare solutiones est essentiale.

1. Analyse causarum pro malaoperatione protectionis transformatoris ad terram ducendi

Cum alimentus 10 kV patitur defectum terrae, protectio zero-sequencia alimenti in substatione 110 kV debet primum operari ut defectum isole. Si fallit, protectio backup zero-sequencia transformatoris ad terram ducendi circuitus bus tie et principalem transformatoris disjungit ut defectum contineat. Ergo, recta operatio protectionis alimenti 10 kV et disjunctorum est critica. Analysa statistica malaoperationum in quinque substationibus demonstrat quod fallacia protectionis alimenti est causa principalis.

Operatio protectionis zero-sequencia alimenti 10 kV est sicut sequitur: CT zero-sequencia sample → protectio initiat → disjunctorem disjicit. Componentes claves sunt CT zero-sequencia, relais protectionis, et disjunctorem. Analysa focalizatur in his:

1.1 Error CT zero-sequencia causans malaoperationem
In defectu terrae, CT zero-sequencia alimenti defectivi detectat currens defectus, suam protectionem triggerans. Simul, CT zero-sequencia transformatoris ad terram ducendi etiam currens sentit. Ut selectivitatem assequatur, limites protectionis alimenti (exempli gratia, 60 A, 1.0 s) sunt inferiores limitibus transformatoris ad terram ducendi (exempli gratia, 75 A, 1.5 s ad disjunctionem bus tie, 2.5 s ad disjunctionem principalem transformatoris). Tamen, errores CT (exempli gratia, -10% pro CT transformatoris ad terram ducendi, +10% pro CT alimenti) possunt facere actuales currens pickup fere aequales (67.5 A vs. 66 A), sola temporis differentiatione dependentes. Hoc augmentat periculum overreach transformatoris ad terram ducendi.

1.2 Incorrecta terra cabli shield causans malaoperationem
Alimenta 10 kV utuntur cablis shielded cum shields terrentibus in ambabus extremis—praxis communis mitigationis EMI. CTs zero-sequencia sunt typice toroidales, installati circa cablum ad outlet switchgear. In defectu terrae, currens inaequabilis signal inducit in CT. Tamen, si shield terretur in ambabus extremis, currens circulantis shield etiam per CT transibit, distorsionem mensurationis faciens. Sine installatione recta (exempli gratia, filum ground shield corrigenter per CT transiens), protectio alimenti fallere potest, causans overreach transformatoris ad terram ducendi.

1.3 Fallacia protectionis alimenti causans malaoperationem
Quamvis relays microprocessor-based praebent altam performance, qualitas producti variat. Communes fallaciae involvunt modulos potentiae, sampling, CPU, vel trip output. Si undetectata, haec possunt causare refutationem protectionis, ad malaoperationem transformatoris ad terram ducendi ducens.

1.4 Fallacia disjunctoris alimenti causans malaoperationem
Senectus, frequentes operationes, vel disjunctores malaqualitatis (praesertim types GG-1A antiquiores in ruribus) incrementa fallaciae faciunt. Defectus circuiti controlis—praesertim coils trip combusti—disjunctorem impediant operari etiam cum protectio iubeat disjunctionem, cogens backup transformatoris ad terram ducendi agere.

1.5 Defectus terrae high-impedance in uno vel duobus alimentis causans malaoperationem
Si duo alimenta simul defectus terrae high-impedance in eadem phase experiantur, singula currens zero-sequencia (exempli gratia, 40 A et 50 A) posset manere infra pickup alimenti (60 A), sed summa eorum (90 A) superat limes transformatoris ad terram ducendi (75 A), causans overreach. Etiam unus severus defectus high-impedance (exempli gratia, 58 A) combinatus cum currens capacitiuo normali (exempli gratia, 12–15 A) potest appropinquare 75 A. Disturbationes systematis tunc malaoperationem triggerare possunt.

2. Measurae contra malaoperationem

2.1 Solvere errores CT

Utendi CTs zero-sequencia altaqualitate; rejiciendi unitates cum errore >5% in commissioning; statuendi limites protectionis basati in valoribus primariis; verificandi settings via testing injectionis primariae.

2.2 Corrigere grounding cabli shield

• Duc ad inferos filum terrae per CT secundum ordinem et insula ab armariis; cave ne contingat ante CT.

• Relinque terminos conductoris nudi pro probationibus; insula cetera.

• Si punctus terrae est sub CT, noli ducere per CT. Cave ne ponas punctum terrae in fenestra CT.

• Institue personale protectionis et cablarum de recta installatione.

• Impera inspectiones acceptationis conjunctae per equipes relais, operationum et cablarum.

2.3 Praevenire recusationem protectionis

Uti relais comprobatis et fidelibus; substitui vetustos aut defectivos; augmentare manutenctionem; instaura refrigerationem/ventilationem ut praevanias supercalorem.

2.4 Praevenire recusationem disiunctionis

Uti disiunctionibus fidelibus et modernis (exempli gratia, cum molla vel motore sigillatis); excludere veteres armaria GG-1A; manutenere circuitus controlis; uti spira triporum alta qualitate.

2.5 Mitigare pericula faultarum alti impedimenti

Prompte investigare et purgare alimentatores quando occurrunt alarmi terrae; minuere longitudes alimentatorum; aequare onera phase ut minimizetur currentus capacitivus normalis.

3. Conclusio

Quamquam transformatores terrae meliorant structuram et stabilitatem rete, repetita maloperatio ostendit pericula latenti. Hoc scriptum analizat causas claves et proposit solutio practicas ad dirigendum regiones quae posuerunt vel intendunt posuere transformatores terrae.

Transformatores Terrae Zigzag (Z-Type)

In retibus distributionis 35 kV et 66 kV, windings transformatorum sunt typice wye-connecti cum puncto neutrale disponibili, eliminando necessitatem transformatorum terrae. Tamen, in retibus 6 kV et 10 kV, transformatores delta-connecti carent puncto neutrale, requirunt ergo transformatorium terrae ad providendum unum—praecipue ad connectendum spiras suppressionis arcus.

Transformatores terrae utuntur connectionibus zigzag (Z-type) winding: unusquisque winding phase dividitur in duos crura core. Fluxus magneticus zero-sequence ex duobus winding cancellant se invicem, resultans in impedimento zero-sequence valde parvo (typice <10 Ω), perdidis sine onere valde parvis, et utilisatione plus quam 90% capacitatis nominatae. In contrarium, transformatores traditionales habent impedimentum zero-sequence multo altius, limitantes capacitatem spira suppressionis arcus ad ≤20% ratingis transformatoris. Itaque, transformatores Z-type optimi sunt ad usus grounding.

Cum voltus systematis inaequabilis est magnus, sufficiunt winding Z-type aequales ad mensurationem. In systematis inaequabilitate parva (exempli gratia, retibus tota cabla), neutrale designatur ad producendum 30–70 V inaequabilitatis voltus pro necessitatibus mensurationis.

Transformatores terrae possunt etiam suppeditare onera secundaria, servientes ut transformatores stationis. In tali casu, rating primarius aequat summa capacitatis spira suppressionis arcus et capacitatis oneris secundarii.

Principale officium transformatoris terrae est supplere currentum compensationis faultarum terrae.

Figura 1 et Figura 2 monstrant duas communes connectiones transformatoris terrae Z-type: ZNyn11 et ZNyn1. Principium sub iacent impedimento zero-sequence parvo est hoc: unumquodque crux continet duo winding idem connecta ad differentes voltus phase. Sub voltu positivo aut negativo, vis magnetomotiva (MMF) in unoquoque crure est summa vectorum duorum MMF phase. Trium MMF crurum sunt aequilibra et 120° inter se, formantes viam magneticam clausam cum reluctancia parva, fluxu magno, voltagine inducenda magna, et sic impedimento magnetico magno.

Sub voltu zero-sequence, duo winding in unoquoque crure producunt MMF aequalia sed opposita, resultans in MMF netto nullo per crurum. Nullus fluxus zero-sequence transit in core; potius, circulat per tank et medium circumstantia, obviam faciens reluctanciam altam. Itaque, fluxus zero-sequence et impedimentum sunt valde parvi.