Iemeslu Analīze Apgabaltiesaistes Transformatora Aizsardzības Nedarbībai
Ķīnas elektrosistēmā 6 kV, 10 kV un 35 kV tīkli parasti izmanto neizolētu neutraļpunktu. Tīklā galveno transformatoru sadales sprieguma puse parasti ir savienota delta konfigurācijā, kas neatstāj neutraļpunktu, lai to izmantošanai pievienotu izolēšanas rezistorus. Ja vienfazējā zemes saite notiek neizolētajā sistēmā, fāžu starpnieka sprieguma trijstūris paliek simetrisks, nesadarbojoties lielam ietekmes līmenim uz lietotāju darbību. Turklāt, kad kapacitātveida strāva ir salīdzinoši maza (mazāka par 10 A), dažas īstermiņa zemes saites var iznīcināties pašas, kas ir ļoti efektīvi, lai uzlabotu elektroapgādes drošumu un samazinātu apgādes traucējumus.
Tomēr, ar enerģētikas nozares nepārtrauktu paplašināšanos un attīstību, šis vienkāršais paņēmiens vairs neatbilst pašreizējiem prasībām. Modernos pilsētas elektrotīklos, izmantojot arvien vairāk kabeļu tīklu, kapacitātveida strāvas (pārsniedzot 10 A) ir kļuvušas būtiski lielākas. Šajās apstākļos zemes loka nav iespējams uzticami iznīcināt, kas rada šādas sekas:
Vienfazējā zemes loka periodiska iznīcināšanās un atjaunošanās var radīt lokzemes pārspriegumu, kura amplitūda var sasniedzt līdz pat 4U (kur U ir fāzes virsotnes spriegums) vai pat augstāku, ilgstošus laikposmus. Tas rada nopietnu draudu elektriskām ierīcēm izolācijai, potenciāli izraisot bojājumus vājās izolācijas punktos un radot būtiskus zaudējumus.
Ilgstojošs loks ionizē apkārtējo gaisu, pasliktinot tā izolācijas īpašības un palielinot fāžu starpnieka īslaicīgu saiti.
Var notikt ferorēzonanses pārspriegumi, kas viegli var bojāt sprieguma transformatorus un impulsus aizsargātājos—pat var izraisīt aizsargātāju eksplodēšanu. Šīs sekas nopietni apdraud tīkla ierīču izolācijas integritāti un draud vesela elektrosistēmas drošai darbībai.
Lai novērstu šādas situācijas un nodrošinātu pietiekamu nulles secības strāvu un spriegumu, lai garantētu zemes saites aizsardzības uzticamu darbību, jāizveido veidotais neutraļpunkts, lai to izmantošanai pievienotu izolēšanas rezistoru. Šī vajadzība deva impulsu izveidot zemes transformatorus (parasti saukti par "zemes transformatoriem" vai "zemes vienībām"). Zemes transformators veido veidotu neutraļpunktus ar izolēšanas rezistoru, parasti ar ļoti zemu upurus (parasti mazāk par 5 om).
Turklāt, tādēļ, ka tā elektromagnētiskās īpašības, zemes transformators piedāvā augstu impedanci pozitīvajiem un negatīvajiem sekvences strāvām, ļaujot plūst tikai maziem uzliesmošanas strāvām caur tā virpesiem. Katrā stindriņa čūskā divas virpes daļas tiek virpijas pretējās virzienās. Kad šajās virpēs plūst vienādas nulles sekvences strāvas, tās rāda zemu impedanci, radot minimālu sprieguma pazeminājumu virpēs nulles sekvences apstākļos.
Konkrēti, zemes saites laikā virpes plūst pozitīvās, negatīvās un nulles sekvences strāvas. Tās piedāvā augstu impedanci pozitīvajām un negatīvajām sekvences strāvām, bet zemu impedanci nulles sekvences strāvām. Tā kā, vienā fāzē, divas virpes ir savienotas virzienā pretēji; to inducētie elektrodinamiskie spēki ir vienādi lielumi, bet pretēji virzienā, efektīvi iznīcinot viens otru, tādējādi piedāvājot zemu impedanci nulles sekvences strāvām.
Daudzos gadījumos, zemes transformatori tiek izmantoti tikai, lai nodrošinātu neutraļpunktu ar mazu izolēšanas rezistoru, un neapkalpo nekādu sekundāro slodzi. Tāpēc, daudzi zemes transformatori tiek dizainēti bez sekundārā virpes. Normālā tīkla darbības laikā, zemes transformators praktiski strādā bezslodzes stāvoklī. Tomēr, saites laikā, tas nes tikai īsu laiku. Zemas upura izolētā sistēmā, kad 10 kV pusei notiek vienfazējā zemes saite, ļoti jūtīga nulles sekvences aizsardzība ātri identificē un pagaidu laikā izolē dārgāko slodzi.
Zemes transformators aktīvs tikai īsā laika posmā no saites notikuma līdz slodzi nulles sekvences aizsardzības darbībai. Šajā laikā nulles sekvences strāva plūst caur neutraļpunkta izolēšanas rezistoru un zemes transformatoru, saskaņā ar formulu: I_R = U / (R₁ + R₂), kur U ir sistēmas fāzes spriegums, R₁ ir neutraļpunkta izolēšanas rezisors, un R₂ ir papildu upurs zemes saites ciklā.
Pamatojoties uz minēto analīzi, zemes transformatora darbības īpašības ir: ilgtermiņa bezslodzes darbība un īss termiņa pārmērīga slodze saites laikā.
Kopsavilkumā, zemes transformators veido veidotu neutraļpunktus, lai to izmantošanai pievienotu izolēšanas rezistoru. Saites laikā, tā piedāvā augstu impedanci pozitīvām un negatīvām sekvences strāvām, bet zemu impedanci nulles sekvences strāvām, nodrošinot uzticamu zemes saites aizsardzības darbību.
Pašlaik, zemes transformatori, kas instalēti pārvades stacijās, veic divas primāras funkcijas:
Pārvades stacijas palīgslodzi AC strāvas sniegšana;
Veido veidotu neutraļpunktus 10 kV pusē, ko, kombinējot ar arku nomirošanas spuldzi (Petersena spuldzi), kompensē kapacitātveida zemes saites strāvu 10 kV vienfazējās zemes saites laikā, iznīcinot lokā saites punktā. Principa pamatā ir šāds:
Trīsfāžu elektrosistēmā, visās vadu garumos, pastāv kapacitāte gan starp fāzēm, gan starp katru fāzi un zemi. Ja tīkla neutraļpunkts nav stipri izolēts, vienfazējā zemes saites laikā bojājuma fāzes kapacitāte pret zemi kļūst par nulli, bet citu divu fāžu spriegumi paaugstinās līdz √3 reizes normālam fāzes spriegumam. Lai arī šis paaugstinātais spriegums paliek izolācijas projektēšanas robežās, tas palielina to kapacitāti pret zemi. Vienfazējā zemes saites laikā kapacitātveida zemes saites strāva aptuveni ir trīs reizes lielāka par normālo fāzes kapacitātveida strāvu. Kad šī strāva kļūst liela, tā viegli uztur periodiskus lokus, izsauc resoanci tīkla induktīvā-kapacitātveidā, radot pārspriegumus līdz 2.5–3 reizes fāzes sprieguma. Jo augstāks tīkla spriegums, jo lielāks risks no šādiem pārspriegumiem. Tāpēc, tikai sistēmas zem 60 kV var darboties ar neizolētu neutraļpunktu, jo vienfazējās kapacitātveida zemes saites strāvas paliek mazas. Augstākiem spriegumiem, jāizmanto zemes transformators, lai savienotu neutraļpunktus caur impedanci.
Ja vienā pusē pārvadātavas galvenais transformators (piemēram, 10 kV puse) ir savienots trīsstūra vai zvaigznes shēmā bez iznesta neitrālā punkta, un vienfasejā kapacitīvā piezemainā strāva ir liela, nav pieejama neitrālā punkta, kas varētu tikt izmantots piezemesietojumam. Šādos gadījumos tiek izmantots piezemesietošanas transformators, lai radītu mākoņveida neitrālo punktu, ļaujot savienojumu ar loka samazināšanas spuldzi. Šis mākoņveida neitrālais punkts ļauj sistēmai kompensēt kapacitīvo strāvu un iznīcināt piezemainos lokus — tas ir piezemesietošanas transformatora pamatdarbības mērķis.
Normālā darbībā piezemesietošanas transformatoram ir saskaņotas trīsfāzes sprieguma vērtības, un tā pašā ietilpība ir tikai maza uzgādājoša strāva, tāpēc tā praktiski darbojas neieslodzītas. Neitrālais punkts pret piezemi ir nulle (nepārskaitot mazus neitrālās nobīdes sprieguma atšķirības no loka samazināšanas spuldzes), un caur spuldzi nestrādā strāva. Ja, piemēram, C fāze cieš no piezemainā defekta, rezultējošais nulles secības spriegums (kas rodas asimetrijas dēļ) plūst caur loka samazināšanas spuldzi piezemei. Spuldze ģenerē induktīvo strāvu, kas kompensē kapacitīvo piezemainā defekta strāvu, tādējādi iznīcinot loku — funkcionalitāte ir identiska neatkarīgam loka samazināšanas spuldzes darbībai.
Pēdējos gados dažāda reģiona 110 kV pārvadātavās notikuši vairāki piezemesietošanas transformatora aizsardzības nepareizi darbības gadījumi, smagi ietekmējot tīkla stabilitāti. Lai noteiktu galvenos iemeslus, tika veikti analīzes, ieviestas labojumu pasākumi un koplietotas pieredzes, lai novērstu atkārtošanos un vadītu citus reģionus.
Ar 110 kV pārvadātavu 10 kV tīklu kabēju izmantošanas pieaugumu, vienfasejā kapacitīvā piezemainā strāva ir būtiski palielinājusies. Lai samazinātu piezemainā defekta laikā pārsprieguma vērtības, daudzas 110 kV pārvadātavas tagad instalē piezemesietošanas transformatorus, lai ieviestu zemu upitību piezemesietojumu, izveidojot nulles secības strāvas ceļu. Tas ļauj selektīvi izolēt piezemainos defektus atkarībā no atrašanās vietas, novēršot loku atjaunošanos un nodrošinot drošu elektroenerģijas piegādi.
No 2008. gada noteikts reģions ir modernizējis savus 110 kV pārvadātavu 10 kV sistēmas, ieviešot zemu upitību piezemesietojumu, instalējot piezemesietošanas transformatorus un saistītos aizsardzības ierīces. Tas ļauj ātri izolēt jebkuru 10 kV uznemšanas līnijas piezemainā defektu, samazinot tīkla ietekmi. Tomēr nesen piecas 110 kV pārvadātavas reģionā piedzīvoja vairākas piezemesietošanas transformatora aizsardzības nepareizu darbību gadījumus, izraisot enerģijas pārtraukumus un apdraudot tīkla stabilitāti. Tāpēc ir būtiski noteikt iemeslus un ieviest risinājumus.
1. Piezemesietošanas transformatora aizsardzības nepareizu darbības iemeslu analīze
Ja 10 kV uznemšanas līnija cieš no piezemainā defekta, 110 kV pārvadātavas uznemšanas līnijas nulles secības aizsardzība pirmais jāstrādā, lai izolētu defektu. Ja tā nedarbojas, piezemesietošanas transformatora aizsardzības nulles secības aizstāvnieka funkcija ir izslēgt saites un galvenā transformatora izslēgniekus, lai ierobežotu defektu. Tāpēc ir kritiski, ka 10 kV uznemšanas līnijas aizsardzība un izslēgniekus pareizi darbojas. Pieču pārvadātavu nepareizu darbību statistiskā analīze parāda, ka uznemšanas līnijas aizsardzības nedarbība ir galvenais iemesls.
10 kV uznemšanas līnijas nulles secības aizsardzība darbojas šādi: nulles secības CT parauga — aizsardzība aktivizējas — izslēgnieks strādā. Galvenie komponenti ir nulles secības CT, aizsardzības relē un izslēgnieks. Analīze koncentrējas uz šiem:
1.1 Nulles secības CT kļūdas, kas rada nepareizu darbību
Defekta laikā nulles secības CT uznemšanas līnijā uztver defekta strāvu, aktivizējot to aizsardzību. Gleichzeitig wahrnimmt der Nullfolgen-CT des Erdungstransformators auch den Strom. Um Selektivität zu gewährleisten, sind die Einstellungen für die Leitungsschutzschaltung (z. B. 60 A, 1,0 s) niedriger als die Einstellungen für den Erdungstransformator (z. B. 75 A, 1,5 s zum Auslösen des Buskopplers, 2,5 s zum Auslösen des Hauptschalters). Allerdings können CT-Fehler (z. B. -10 % für den Erdungstransformator-CT, +10 % für den Leitung-CT) dazu führen, dass die tatsächlichen Auslöseströme fast gleich groß sind (67,5 A vs. 66 A), sodass nur die Zeitverzögerung ausschlaggebend ist. Dies erhöht das Risiko eines Übergriffs des Erdungstransformators.
1.2 Nepareiza kabeļa aizsargājošā gredzena piezemesietojums, kas rada nepareizu darbību
10 kV uznemšanas līnijas izmanto aizsargājošās kabes ar aizsargājošajiem gredzenu, kas tiek piezemesietoti abās galās — parastā prakse, lai samazinātu EMI. Nulles secības CT parasti ir toroidālas formas, instalētas ap kabeli blakus izslēgniekam. Defekta laikā nesaskaņota strāva inducē signālu CT. Tomēr, ja aizsargājošais gredzens ir piezemesietots abās galās, gredzenu strāvas arī plūst caur CT, deformējot mērījumu. Bez pareizas instalācijas (piemēram, aizsargājošais gredzenu piezemesietojuma dārzeņš pareizi nonāk caur CT), uznemšanas līnijas aizsardzība var nedarboties, radoši piezemesietošanas transformatora nepareizu darbību.
1.3 Uznemšanas līnijas aizsardzības nedarbība, kas rada nepareizu darbību
Lai arī mikroprocesora balstītas relēs piedāvā augstu veiktspēju, produktu kvalitāte var atšķirties. Biežākie defekti attiecas uz enerģijas piegādi, paraugu ņemšanu, CPU vai izslēgšanas izvades moduļiem. Ja tie netiek atklāti, var rasties aizsardzības noliešana, kas rada piezemesietošanas transformatora nepareizu darbību.
1.4 Uznemšanas līnijas izslēgnieka nedarbība, kas rada nepareizu darbību
No ilgstoša izmantojuma, biežiem operācijām vai nabadzīgas kvalitātes izslēgniekus (jo īpaši vecākos GG-1A tipa izslēgniekus lauku rajonos) palielinās defektu risks. Kontrolējošā tīkla defekti — īpaši degušie izslēgšanas spuldzes — var liek izslēgniekam nedarboties pat tad, ja aizsardzība izsniedz izslēgšanas komandu, spiežot piezemesietošanas transformatora aizstāvnieku darbībā.
1.5 Augstā impedicējuma piezemaini divām uznemšanas līnijām, kas rada nepareizu darbību
Ja divas uznemšanas līnijas cieš no vienlaicīgiem augstā impedicējuma piezemainiem vienā fāzē, atsevišķie nulles secības strāvas (piemēram, 40 A un 50 A) var palikt zemākas par uznemšanas līnijas iegriešanas vērtību (60 A), bet to summa (90 A) pārsniedz piezemesietošanas transformatora iestatījumu (75 A), radoši nepareizu darbību. Pat viens smags augstā impedicējuma defekts (piemēram, 58 A) plus normālā kapacitīvā strāva (piemēram, 12–15 A) var tuvoties 75 A. Sistēmas traucējumi var tādējādi izraisīt nepareizu darbību.
2. Pasākumi, lai novērstu nepareizo darbību
2.1 Risinājumi CT kļūdām
Izmantojiet augstas kvalitātes nulles secības CT; noraidiet vienības ar >5% kļūdu komisijas laikā; iestatiet aizsardzības sliekšņus, balstoties uz primārām vērtībām; pārbaudiet iestatījumus, izmantojot primāro injicēšanas testēšanu.
2.2 Pareizs kabeļa aizsargājošā gredzena piezemesietojums
Novērsiet apsaugās zemes vadus caur nulles sekvenču CT leju un izoluojiet no kabeļu stendiem; izvairieties no saskarsmes pirms CT.
Atstājiet atklātus vedņu gals posmus testēšanai; izoluojiet pārējo daļu.
Ja aizsargzemes punkts atrodas zemāk nekā CT, to nevediet caur CT. Izvairieties no aizsargzemes punkta novietošanas CT logā.
Apmačiniet apsaugu un kabeļu personālu pareizajai instalācijai.
Ievieciniet kopīgus pieņemšanas pārbaudēm ar releja, darbības un kabeļu komandām.
2.3 Novērst apsauges noraidīšanu
Izmantojiet pierādīti uzticamus relejas; aizstājiet novecojušos vai defektīvos vienības; uzlabojiet uzturību; ievadiet dzesēšanu/ventilāciju, lai novērstu pārsildīšanos.
2.4 Novērst izslēguma noraidīšanu
Izmantojiet uzticamus, modernus izslēgumus (piemēram, spraugas vai elektromotīva uzlādes nomākto veidu); izbeidziet izmantot vecos GG-1A kabinetus; uzturiet kontrolēšanas tīklus; izmantojiet augstas kvalitātes trippa spēkus.
2.5 Samazināt augstās impedances defektu risku
Nekavējoties pētājiet un notīriet padeves, kad notiek zemes signāls; samaziniet padeves garumu; līdzsvarojiet fāzes slodzes, lai minimizētu normālo kapacitatīvo strāvu.
3. Secinājumi
Lai arī zemes transformatoru izmantošana uzlabo tīkla struktūru un stabilitāti, regulāri notiekošie nepareizi darbības gadījumi izceļ slēptos riskus. Šajā rakstā analizēti galvenie cēloņi un piedāvātas praktiskas risinājumu priekšlikumi, lai vadītu reģionus, kas jau ir ieviesuši vai plāno ieviest zemes transformatorus.
Zigzag (Z-tipa) Zemes Transformatori
35 kV un 66 kV sadalīšanas tīklos transformatoru vijas parasti ir savienotas wye veidā ar pieejamo neutraļpunktu, eliminējot nepieciešamību pēc zemes transformatoriem. Tomēr 6 kV un 10 kV tīklos delta savienotie transformatoru vijas nav pieejama neutraļpunkta, tāpēc nepieciešams zemes transformators, lai nodrošinātu neutraļpunktus—galvenokārt, lai piesaistītu loks iznīcināšanas spēkus.
Zemes transformatori izmanto zigzag (Z-tipa) vija savienojumus: katras fāzes vija ir sadalīta divos kodolu plecos. Divu viju nulles sekvenču magnetiskie plūsmas kompensē viena otru, rezultātā iegūst ļoti zemu nulles sekvenču impedanci (parasti <10 Ω), zemas bezslodzes zudējumus un izmanto aptuveni 90% no nominālās jaudas. Salīdzinājumā ar tradicionālajiem transformatoriem, tiem ir daudz augstāka nulles sekvenču impedanca, ierobežojot loks iznīcināšanas spēku līdz ≤20% no transformatora jaudas. Tāpēc Z-tipa transformatori ir optimāli zemes lietojumam.
Ja sistēmas nesakārtotā spriegums ir liels, sakārtotās Z-tipa vijas ir pietiekamas mērījumiem. Zemā nesakārtotības sistēmās (piemēram, visās kabeļu tīklos), neitrālis ir izstrādāts, lai radītu 30–70 V nesakārtotā sprieguma mērījumu vajadzībām.
Zemes transformatori var arī sniegt sekundārus slodzes, darbojoties kā stacijas servisa transformatori. Šādos gadījumos primārā jauda ir vienāda ar loks iznīcināšanas spēku un sekundārā slodzes jauda summu.
Zemes transformatora galvenā funkcija ir nodrošināt zemes defektu kompensācijas strāvu.
Attēls 1 un Attēls 2 rāda divus bieži sastopamus Z-tipa zemes transformatoru savienojumus: ZNyn11 un ZNyn1. Zema nulles sekvenču impedancēs principa pamatā ir šāds: katrs kodola plecs satur divas identiskas vijas, kas savienotas ar dažādām fāžu spriegumiem. Pozitīvās vai negatīvās sekvenču sprieguma gadījumā katram pleca magnētiskās jaudas (MMF) ir divu fāžu MMF vektoriska summa. Trīs plecu MMF ir līdzsvarots un atrodas 120° attālumā, veidojot slēgtu magnētisko ceļu ar zemu pretestību, augstu plūsmu, augstu inducēto spriegumu un tāpēc augstu magnetizācijas impedanci.
Nulles sekvenču sprieguma gadījumā katrā plecā esošās divas vijas radīt vienādas, bet pretējas MMF, rezultātā netotāle MMF katrā plecā ir nulle. Nulles sekvenču plūsma neplūst caur kodolu; tā cirkulē caur tvertni un apkārtējo vidu, saskaroties ar augstu pretestību. Tāpēc nulles sekvenču plūsma un impedanca ir ļoti zemas.
