Анализа на причините за погрешно функционирање на заштитата на трансформаторот за земја

Во кинескиот систем за енергија, мрежите на 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ обично се користат со режим на незаградена нулта точка. Стратна страна на главните трансформатори во мрежата обично е поврзана во делтовидна конфигурација, што не овозможува поврзување со заградни резистори. Кога се појавува једнофазен земјски дефект во систем со незаградена нулта точка, трифазната напонска фигура останува симетрична, што минимално пречи на операциите на корисниците. Покрај тоа, кога капацитивниот строј е релативно мал (под 10 А), некои трансјентни земјски дефекти можат да се изгасат сами, што е многу ефикасно за подобрување на надежноста на додавање на енергија и намалување на инциденти со прекин.

Меѓутоа, со непрекинатото расширување и развој на електроиндустријата, овој прост метод веќе не задоволува современите барања. Во модерните градски електромрежи, зголемената употреба на кабелски цеви довела до значително поголеми капацитивни строеви (преминуваат 10 А). Под овие услови, земјскиот лук не може надежно да се изгаси, што доведува до следниве последици:

• Преклопувачкото изгаснување и повторно запалување на једнофазниот земјски лук може да генерира преузети напони од земјски лук со амплитуда која достигнува до 4U (каде U е врхниот фазен напон) или уште повеќе, со длабоко траење. Ова предизвикува сериозни опасности за изолацијата на електроопремата, со можност за пробивање на слаби точки на изолација и доведување до значителни губитоци.

• Постојаното горење на лук ионизира околната воздух, намалувајќи неговите изолативни својства и зголемувајќи веројатноста за меѓуфазни кратки споеви.

• Може да се појават ферорезонантни преузети напони, кои лесно можат да повредат напонски трансформатори и преварници - можеби дури да доведат до експлозии на преварници. Овие последици сериозно заопасуваат целостта на изолацијата на опремата во мрежата и претставуваат опасност за безбедната работа на целата систем за енергија.

За да се спречат такви инциденти и да се обезбеди доволно нултоструја и напон за надежна работа на заштитата од земјски дефекти, мора да се создаде искуствена нулта точка, така што може да се поврзе заграден резистор. Оваа потреба доведе до развојот на заградни трансформатори (обично наречени „заградни трансформатори“ или „заградни единици“). Заградниот трансформатор искуствено креира нулта точка со заграден резистор, обично со многу ниско отпорност (обично под 5 ома).

Покрај тоа, поради неговите електромагнетни карактеристики, заградниот трансформатор претставува голем импеданс на положителни и негативни секвенци на строеви, дозволувајќи само мала стимулационна струја да протече низ неговите виткачи. На секоја јамка на јадрото, две секции на виткачи се виткаат во спротивни насоки. Кога еднакви нултоструи протечат низ овие виткачи, тие претставуваат нисок импеданс, што резултира во минимален паѓање на напонот низ виткачите при нултострујни услови.

Специфички, при земјски дефекти, виткачот носи положителни, негативни и нултоструи. Тој претставува голем импеданс на положителни и негативни секвенци на строеви, но нисок импеданс на нултострујни. Ова е затоа што, во иста фаза, двата виткача се поврзани во серија со спротивна поларитет; нивните индуцирани електродвигоци се еднакви по величина, но спротивни по насока, ефективно се аннулираат, така што претставуваат нисок импеданс на нултострујни.

Во многу применби, заградните трансформатори се користат само за да обезбедат нулта точка со мали заградни резистори и не доставуваат вторична натовареност. Затоа, многу заградни трансформатори се дизајнираат без вторични виткачи. Токму во нормална работа на мрежата, заградниот трансформатор работи основно во стање без натовареност. Меѓутоа, при дефекти, тој носи дефектна струја само за краток период. Во систем со нисок отпорност на заграда, кога се појавува једнофазен земјски дефект на страната на 10 кВ, многу осетливата нултострујна заштита брзо го идентификува и временски изолира дефектната фидер.

Заградниот трансформатор е активен само во краткиот интервал помеѓу појавувањето на дефектот и акцијата на нултострујната заштита на фидерот. Токму во овој период, нултострујата протече низ нултото заградно отпорност и заградниот трансформатор, според формулата: I_R = U / (R₁ + R₂), каде U е фазниот напон на системот, R₁ е нултото заградно отпорност, а R₂ е дополнителниот отпор во земјскиот дефектен циклус.

На база на горенаведениот анализа, карактеристиките на работата на заградниот трансформатор се: долготрајна работа без натовареност и краткотрајна прекомера натовареност при дефекти.

Во кратце, заградниот трансформатор искуствено креира нулта точка за поврзување со заграден резистор. При земјски дефекти, тој претставува голем импеданс на положителни и негативни секвенци на строеви, но нисок импеданс на нултострујни, темељно осигурувајќи надежна работа на заштитата од земјски дефекти.

Тренутно, заградните трансформатори инсталирани во подстанции служат две основни функции:

• Доставување на нисконапонска алтернативна енергија за помошна употреба во подстанцијата;

• Креирање на искуствена нулта точка на страната на 10 кВ, која, комбинирана со потишувачки виткач (Петерсенов виткач), компенсира капацитивната земјска дефектна струја при једнофазни земјски дефекти на 10 кВ, темељно гасејќи лукот на местото на дефектот. Принципот е следниов:

По целата должина на проводниците во трифазна електромрежа, постои капацитет како помеѓу фазите, така и помеѓу секоја фаза и земјата. Кога нултата точка на мрежата не е тешко заградена, капацитетот на земјата на дефектната фаза станува нула при једнофазен земјски дефект, додека напоните на другите две фази се зголемуваат до √3 пати од нормалниот фазен напон. Иако овој зголемен напон останува во границите на дизајнирањето на изолацијата, тие зголемуваат нивниот капацитет на земјата. Капацитивната земјска дефектна струја при једнофазен дефект е приближно три пати поголема од нормалната капацитивна струја по фаза. Кога оваа струја станува голема, лесно ја поддржува преклопувачките лукови, возбудувајќи резонансни осцилации во индуктивно-капацитивниот циклус на мрежата и генерирајќи преузети напони до 2,5–3 пати од фазниот напон. Колку што е повисок напонот на мрежата, толку е поголема опасноста од такви преузети напони. Затоа, само системи под 60 кВ можат да работат со незаградена нулта точка, бидејќи нивните једнофазни капацитивни земјски дефектни струи остануваат мале. За повисоки напони, мора да се користи заграден трансформатор за поврзување на нултата точка низ импеданс.

Кога една страна на главната трансформаторска станција (на пример, страната од 10 кВ) е поврзана во делта или звезда без изведена неутрална точка, и еднофазниот капацитетен грунден ток е голем, нема достапна неутрална точка за поврзување. Во такви случаи, се користи трансформатор за поврзување за да се создаде вештачка неутрална точка, што овозможува поврзување со бобинка за потушување на дуг. Оваа вештачка неутрална точка овозможува системот да компенсира капацитетниот ток и да потушува грунден дугови - ова е основната улога на трансформаторот за поврзување.

Токму во нормална работа, трансформаторот за поврзување испитува балансиран трифазен напон и носи само мали стимулација ток, работее по суштина без оптоварување. Разликата на потенцијалот меѓу неутралната точка и грунтот е нула (незабележлива мала неутрална преместување напон од бобинката за потушување на дуг), и нема ток кој протече низ бобинката. Ако, на пример, фазата C има грунден дефект, резултантниот нул-сееквенцијален напон (изведен од асиметријата) протече низ бобинката за потушување на дуг до грунтот. Бобинката генерира индуктивен ток кој компенсира капацитетниот грунден дефектен ток, со тоа елиминирајќи го дугот - функционално идентичен на самостоен бобинка за потушување на дуг.

Последните неколку години, во одредена област се случили многу погрешни операции на заштита на трансформаторот за поврзување во 110 кВ трансформаторски станции, што сериозно влијае на стабилноста на мрежата. За да се идентификуваат основните причини, се провели анализа, се применети корективни мерки и се споделени знаења за да се предотврати повторно појавување и за да се насочи други области.

Со зголемено користење на кабелски поднесувачи во 10 кВ мрежи на 110 кВ трансформаторски станции, еднофазните капацитетни грунден токови значително се зголемија. За да се супримираат надворешни напони при грунден дефекти, многу 110 кВ трансформаторски станции сега инсталираат трансформатори за поврзување за да се реализира нискорезистивно поврзување, што ја установува нул-сееквенцијалната патека на ток. Ова овозможува селективна нул-сееквенцијална заштита да изолира грунден дефекти според локацијата, спречувајќи го повторното запалување на дуг и осигурувајќи сигурна достава на енергија.

Од 2008 година, одредена област ја модернизирала својата 10 кВ система на 110 кВ трансформаторска станција до нискорезистивно поврзување со инсталација на трансформатори за поврзување и поврзани заштитни уреди. Ова овозможува брзо изолирање на било кој 10 кВ поднесувач грунден дефект, минимизирајќи го влијанието на мрежата. Меѓутоа, наскоро, пет 110 кВ трансформаторски станции во областа искушиле повторно погрешни операции на заштита на трансформаторот за поврзување, што предизвикало прекинувања и заплашуваше стабилноста на мрежата. Затоа, идентификацијата на причините и примената на решенија е суштинска.

1. Анализа на причините за погрешна операција на заштита на трансформаторот за поврзување

Кога 10 кВ поднесувач страда од грунден дефект, нул-сееквенцијалната заштита на поднесувачот на 110 кВ трансформаторска станција треба прво да оперира за да изолира дефектот. Ако не успее, вторичната нул-сееквенцијална заштита на трансформаторот за поврзување тргнува спојување на автобусот и главниот трансформатор за да се ограничи дефектот. Затоа, правилната операција на заштитата на 10 кВ поднесувач и спојувањето е критична. Статистичката анализа на погрешни операции во пет трансформаторски станции покажува дека неуспехот на заштитата на поднесувачот е главната причина.

Нул-сееквенцијалната заштита на 10 кВ поднесувач функционира како следе: проба со нул-сееквенцијален CT → активирање на заштитата → тргнување на спојувањето. Клучните компоненти се нул-сееквенцијалниот CT, релеот за заштита и спојувањето. Анализата се фокусира на овие:

1.1 Грешки на CT каузираат погрешна операција
При грунден дефект, нул-сееквенцијалниот CT на дефектниот поднесувач детектира дефектен ток, активирајќи ја заштитата. Исто така, нул-сееквенцијалниот CT на трансформаторот за поврзување исто така го чувствува токот. За да се осигура селективноста, поставките на заштитата на поднесувачот (на пример, 60 A, 1.0 s) се помали од поставките на трансформаторот за поврзување (на пример, 75 A, 1.5 s за тргнување на автобусот, 2.5 s за тргнување на главниот трансформатор). Меѓутоа, грешките на CT (на пример, -10% за CT на трансформаторот за поврзување, +10% за CT на поднесувачот) можат да направат реалните токови за активирање скоро еднакви (67.5 A против 66 A), зависејќи само од временски задоцнување. Ова зголемува ризикот од прекомерна активација на трансформаторот за поврзување.

1.2 Погрешно поврзување на ѕирката на кабелот каузира погрешна операција
10 кВ поднесувачите користат кабели со ѕирка, со ѕирка поврзана на двете крајни точки - обична практика за намалување на ЕМИ. Нул-сееквенцијалните CT се типично торус формат, инсталирани околу кабелот на излезот на уредот. При грунден дефект, небалансираниот ток индуцира сигнал во CT. Меѓутоа, ако ѕирката е поврзана на двете крајни точки, циркулирачки токови на ѕирката исто така минуваат низ CT, искривувајќи го мережниот сигнал. Без правилна инсталација (на пример, земјска жица на ѕирката правилно минува низ CT), заштитата на поднесувачот може да не успее, доведувајќи до прекомерна активација на трансформаторот за поврзување.

1.3 Неуспех на заштитата на поднесувачот каузира погрешна операција
Иако микропроцесорските релеји нудат висок перформанс, квалитетот на производите варира. Чести неуспехи вклучуваат модули за наргање, проба, CPU или излез за тргнување. Ако не се откријат, овие можат да предизвикаат отказ на заштитата, доведувајќи до погрешна операција на трансформаторот за поврзување.

1.4 Неуспех на спојувањето на поднесувачот каузира погрешна операција
Стареење, честа употреба, или лош квалитет на спојувањата (особено старите типови GG-1A во селските области) зголемуваат веројатноста за неуспех. Дефекти на контролна мрежа - особено изгорени катушки за тргнување - пречат на операцијата на спојувањето, дури и кога заштитата го командира тргнувањето, што го принужува вторичната заштита на трансформаторот за поврзување да акција.

1.5 Високи-импедансни грунден дефекти на еден или два поднесувачи каузираат погрешна операција
Ако два поднесувачи искуша истовремено високи-импедансни грунден дефекти на истата фаза, индивидуалните нул-сееквенцијални токови (на пример, 40 A и 50 A) можат да останат подолгу од захвата на поднесувачот (60 A), но нивниот збир (90 A) надминува поставките на трансформаторот за поврзување (75 A), доведувајќи до прекомерна активација. Дури и еден единствен тешок висок-импедансен дефект (на пример, 58 A) комбиниран со нормален капацитетен ток (на пример, 12-15 A) може да се приближи до 75 A. Претходните возбуди на системот можат да го активираат отказот.

2. Мерки за спречување на погрешна операција

2.1 Решавање на грешките на CT

Користете висококвалитетни нул-сееквенцијални CT; отфрлете јединици со >5% грешка при вовлекување; поставете pragови за заштита базирани на основни вредности; проверете ги поставките преку тест на вовлекување на основни вредности.

2.2 Точно поврзување на ѕирката на кабелот

• • Проведете ѕемљишните жице на долу низ нултата ЦТ и изолирајте ги од кабелските ладици; избегнувајте контакт пред ЦТ.

  • Оставете отворени краеви на проводниците за тестiranje; изолирајте го остатокот.

  • Ако точката за земљишно поврзување е под ЦТ, не ги преведувайте низ ЦТ. Избегнувајте поставувањето на точката за земљишно поврзување во прозорецот на ЦТ.

  • Обучете ги личните заштитни и кабелски персонал за правилна инсталација.

  • Применете заеднички контролни инспекции со екипи за реле, операции и кабели.

  2.3 Спремете отказ на заштита

  Користете доказани, надежни реле; заменете стареечки или дефектни агрегати; подобрувајте одржувачката работа; инсталирајте хладење/вентилација за спречување на прекумерно загревање.

  2.4 Спремете отказ на прекинувач

  Користете надежни, модерни прекинувачи (на пример, типови со пружина или моторска заредба); изведете старите шкафови GG-1A; одржувајте контролни кола; користете висококвалитетни катушки за прекин.

  2.5 Намалете ризикот од поголем импедансен дефект

  Брзо истражувајте и чистете фидери кога се случат аларми за земљишно поврзување; намалете должините на фидерите; балансирајте фазниот термен за намалување на нормалниот капацитетен ток.

  3. Заклучок

  Додека земљишните трансформатори подобруваат структурата и стабилноста на мрежата, повторливите погрешни операции истакнуваат скриени ризици. Овој труд анализира клучните причини и предлага практични решенија за управување со регионите кои ги инсталирале - или планираат да ги инсталираат - земљишни трансформатори.

  Зигзаг (Z-тип) земљишни трансформатори

  Во дистрибутивните мрежи на 35 кV и 66 кV, витките на трансформаторите обично се поврзани во Y форма со достапна нейтрална точка, што елиминира потребата за земљишни трансформатори. Меѓутоа, во мрежите на 6 кV и 10 кV, делтовите поврзани трансформатори немаат нейтрална точка, што бара земљишни трансформатор за да се обезбеди - главно за поврзување со арчни подавачки котли.

  Земљишните трансформатори користат зигзаг (Z-тип) поврзание на витките: секој фазен виток е поделен на две централни грани. Нултите магнетни потоци од двата витка се аннулираат, што резултира со многу ниска нулта импеданса (обично <10 Ω), ниски празни губитоци и користење на повеќе од 90% од номиналната капацитета. Во споредба, конвенционалните трансформатори имаат многу поголема нулта импеданса, што ограничува капацитетата на арчните подавачки котли до ≤20% од номиналната вредност на трансформаторот. Така, Z-тип трансформаторите се оптимални за земљишни примените.

  Кога системскиот несбалансиран напон е голем, балансираните Z-тип виткови се доволни за мерење. Во системи со ниска несбалансираност (на пример, целосни кабелски мрежи), нейтралната точка е дизајнирана да произведе 30–70 V несбалансиран напон за потребите на мерење.

  Земљишните трансформатори исто така можат да доставуваат вторични термени, служејќи како станциони трансформатори. Во такви случаи, номиналната вредност на првичниот трансформатор е еднаква на збирот од капацитета на арчните подавачки котли и вторичната термена капацитета.

  Главната функција на земљишниот трансформатор е да достави компензационен ток за земљишно поврзување.

  Сликата 1 и Сликата 2 прикажуваат две заеднички поврзани Z-тип земљишни трансформатори: ZNyn11 и ZNyn1. Принципот зад ниската нулта импеданса е следниве: секоја централна грана содржи два идентични витка поврзани со различни фазни напони. Под позитивен или негативен напон, магнетната мотивна сила (ММФ) на секоја грана е векторска сума на два фазни ММФ. Триото грански ММФ се сбалансираат и се 120° разликуваат, формирајќи затворен магнетен пат со ниска релуктанција, висок магнетен поток, висок индуциран напон и поради тоа висока магнетизација импеданса.

  Под нултен напон, двата витка на секоја грана произведуваат еднакви но противоположни ММФ, што резултира со нулта нетна ММФ на секоја грана. Нема нултен магнетен поток во централата; вместо тоа, тој циркулира низ резервоарот и околниот медиум, соодветствувајќи на висока релуктанција. Консеквентно, нултите магнетни потоци и импедансата се многу ниски.