Analisis Sebab Kesalahan Operasi Perlindungan Penjana Grounding

Dalam sistem tenaga elektrik China, grid 6 kV, 10 kV, dan 35 kV biasanya mengadopsi modus operasi titik neutral tidak terground. Sisi voltan pengagihan transformator utama dalam grid biasanya disambungkan dalam konfigurasi delta, yang tidak menyediakan titik neutral untuk menyambungkan rintangan grounding. Apabila terjadi kesalahan ground fasa tunggal dalam sistem titik neutral tidak terground, segitiga voltan antara baris tetap simetri, menyebabkan gangguan minimal kepada operasi pengguna. Selain itu, apabila arus kapasitif adalah relatif kecil (kurang dari 10 A), beberapa kesalahan ground sementara dapat padam sendiri, yang sangat efektif dalam meningkatkan kebolehpercayaan bekalan tenaga dan mengurangkan insiden pemutusan.

Namun, dengan peningkatan dan perkembangan berterusan industri tenaga, kaedah mudah ini tidak lagi memenuhi permintaan semasa. Dalam grid tenaga bandar moden, penggunaan semakin meluas litar kabel telah menyebabkan arus kapasitif yang signifikan lebih tinggi (melebihi 10 A). Dalam keadaan ini, busur ground tidak dapat dipadam secara boleh percaya, mengakibatkan akibat-akibat berikut:

• Pemadaman dan perubahan semula yang berulang-ulang pada busur ground fasa tunggal dapat menghasilkan tegangan overvoltages busur-ground dengan amplitud mencapai hingga 4U (di mana U adalah voltan puncak fasa) atau bahkan lebih tinggi, bertahan selama tempoh yang panjang. Ini membawa ancaman serius kepada isolasi peralatan elektrik, mungkin menyebabkan keruntuhan pada titik isolasi lemah dan mengakibatkan kerugian yang besar.

• Busur yang berterusan mengionkan udara sekitarnya, merosakkan sifat isolasi dan meningkatkan kemungkinan pendek sisi-sisi.

• Overvoltages ferroresonan mungkin berlaku, mudah merosakkan transformator voltan dan pelindung petir—mungkin bahkan menyebabkan ledakan pelindung. Akibat-akibat ini mengancam integriti isolasi peralatan grid dan mengancam operasi selamat keseluruhan sistem tenaga.

Untuk mencegah insiden-insiden seperti ini dan menyediakan arus dan voltan zero-sequence yang cukup untuk memastikan operasi yang boleh percaya bagi perlindungan kesalahan ground, satu titik neutral buatan harus dicipta supaya rintangan grounding boleh disambung. Kebutuhan ini membawa kepada pembangunan transformator grounding (biasanya dirujuk sebagai "transformator grounding" atau "unit grounding"). Transformator grounding mencipta titik neutral buatan dengan rintangan grounding, biasanya mempunyai rintangan yang sangat rendah (biasanya kurang dari 5 ohm).

Selain itu, berdasarkan ciri-ciri elektromagnetiknya, transformator grounding menunjukkan rintangan tinggi terhadap arus positif dan negatif-sequence, membolehkan hanya arus eksitasi yang kecil mengalir melalui gulungannya. Pada setiap anggota inti, dua bahagian gulungan dibungkus dalam arah yang berlawanan. Apabila arus zero-sequence yang sama mengalir melalui gulungan-gulungan ini, mereka menunjukkan rintangan rendah, mengakibatkan jatuh voltan yang minimal di sepanjang gulungan dalam keadaan zero-sequence.

Secara khusus, semasa kesalahan ground, gulungan membawa arus positif, negatif, dan zero-sequence. Ia menunjukkan rintangan tinggi terhadap arus positif dan negatif-sequence tetapi rintangan rendah terhadap arus zero-sequence. Ini kerana, dalam fasa yang sama, dua gulungan disambungkan secara siri dengan polariti yang berlawanan; daya gerak elektrik yang ditimbulkan adalah sama magnitud tetapi berlawanan arah, secara efektif saling menghapuskan, sehingga menunjukkan rintangan rendah terhadap arus zero-sequence.

Dalam banyak aplikasi, transformator grounding digunakan hanya untuk menyediakan titik neutral dengan rintangan grounding yang kecil dan tidak menyediakan beban sekunder. Oleh itu, banyak transformator grounding direka tanpa gulungan sekunder. Semasa operasi grid normal, transformator grounding beroperasi hampir dalam keadaan tanpa beban. Namun, semasa kesalahan, ia membawa arus kesalahan hanya untuk tempoh singkat. Dalam sistem yang terground dengan rintangan rendah, apabila terjadi kesalahan ground fasa tunggal pada sisi 10 kV, perlindungan zero-sequence yang sangat sensitif dengan cepat mengenal pasti dan mengasingkan sesaat pengumpan yang bermasalah. 

Transformator grounding aktif hanya selama tempoh singkat antara terjadinya kesalahan dan operasi perlindungan zero-sequence pengumpan. Semasa tempoh ini, arus zero-sequence mengalir melalui rintangan grounding neutral dan transformator grounding, mengikuti formula: I_R = U / (R₁ + R₂), di mana U adalah voltan fasa sistem, R₁ adalah rintangan grounding neutral, dan R₂ adalah rintangan tambahan dalam lingkaran kesalahan ground.

Berdasarkan analisis di atas, ciri-ciri operasi transformator grounding adalah: operasi tanpa beban jangka panjang dan beban berlebihan jangka pendek semasa kesalahan.

Kesimpulannya, transformator grounding mencipta titik neutral buatan untuk menyambungkan rintangan grounding. Semasa kesalahan ground, ia menunjukkan rintangan tinggi terhadap arus positif dan negatif-sequence tetapi rintangan rendah terhadap arus zero-sequence, dengan demikian memastikan operasi yang boleh percaya bagi perlindungan kesalahan ground.

Saat ini, transformator grounding yang dipasang di substansi memiliki dua tujuan utama:

• Mengeluarkan kuasa AC rendah voltan untuk penggunaan bantu substansi;

• Mencipta titik neutral buatan pada sisi 10 kV, yang, apabila dikombinasikan dengan koil penghapus busur (koil Petersen), mengimbangi arus kesalahan ground kapasitif semasa kesalahan ground fasa tunggal 10 kV, dengan demikian memadamkan busur pada titik kesalahan. Prinsipnya adalah sebagai berikut:

Sepanjang seluruh panjang konduktor dalam grid tenaga tiga fasa, kapasitans wujud antara fasa-fasa dan antara setiap fasa dengan ground. Apabila neutral grid tidak diterground secara kukuh, kapasitans ke ground fasa yang bermasalah menjadi sifar semasa kesalahan ground fasa tunggal, sementara voltan dua fasa lain naik menjadi √3 kali voltan fasa normal. Walaupun peningkatan voltan ini masih dalam had reka bentuk isolasi, ia meningkatkan kapasitans mereka ke ground. Arus kesalahan ground kapasitif semasa kesalahan fasa tunggal adalah kira-kira tiga kali arus kapasitif per fasa normal. Apabila arus ini menjadi besar, ia mudah mengekalkan busur yang berulang-ulang, menggetarkan osilasi dalam litar induktif-kapasitif grid, dan menghasilkan overvoltages hingga 2.5–3 kali voltan fasa. Semakin tinggi voltan grid, risiko dari overvoltages seperti ini semakin besar. Oleh itu, hanya sistem di bawah 60 kV yang boleh beroperasi dengan neutral tidak terground, kerana arus kesalahan ground kapasitif fasa tunggal mereka tetap kecil. Untuk sistem voltan yang lebih tinggi, transformator grounding harus digunakan untuk menyambungkan titik neutral melalui rintangan.

Apabila salah satu sisi transformator utama substansi (contohnya, sisi 10 kV) disambungkan dalam bentuk delta atau wye tanpa titik netral yang dibawa keluar, dan arus kapasitif fasa tunggal ke tanah adalah besar, tidak ada titik netral yang tersedia untuk pemasangan. Dalam situasi ini, sebuah transformator penghantar digunakan untuk menciptakan titik netral buatan, membolehkan sambungan ke koil penghapus busur. Titik netral buatan ini membolehkan sistem mengimbangi arus kapasitif dan memadamkan busur tanah—ini adalah peranan asas transformator penghantar.

Semasa operasi normal, transformator penghantar mengalami tegangan tiga fasa yang seimbang dan hanya membawa arus eksitasi yang kecil, beroperasi hampir tanpa beban. Perbezaan potensial antara titik netral dengan tanah adalah sifar (mengabaikan voltan penempatan netral kecil dari koil penghapus busur), dan tiada arus yang mengalir melalui koil. Jika, sebagai contoh, fasa C mengalami kerosakan tanah, voltan rangkaian nol (diperoleh dari ketidakseimbangan) mengalir melalui koil penghapus busur ke tanah. Koil menghasilkan arus induktif yang mengimbangi arus kerosakan tanah kapasitif, dengan itu memadamkan busur—fungsi yang identik dengan koil penghapus busur berdiri sendiri.

Dalam beberapa tahun terakhir, pelbagai kesalahan operasi perlindungan transformator penghantar telah berlaku di substansi 110 kV di suatu wilayah, sangat mempengaruhi kestabilan grid. Untuk mengenal pasti punca-punca dasar, analisis dilakukan, langkah-langkah pembetulan diterapkan, dan pelajaran dikongsi untuk mencegah ulangan dan memberi panduan kepada wilayah lain.

Dengan peningkatan penggunaan pemakan kabel dalam rangkaian 10 kV substansi 110 kV, arus kapasitif fasa tunggal ke tanah telah meningkat secara signifikan. Untuk menekan magnitud overvoltan semasa kerosakan tanah, banyak substansi 110 kV kini memasang transformator penghantar untuk melaksanakan penghantaran rendah rintangan, menubuhkan laluan arus rangkaian nol. Ini membolehkan perlindungan rangkaian nol selektif mengasingkan kerosakan tanah berdasarkan lokasi, mencegah penghidupan semula busur dan memastikan bekalan kuasa yang selamat.

Sejak 2008, suatu wilayah telah memodifikasi sistem 10 kV substansi 110 kVnya ke penghantaran rendah rintangan dengan memasang transformator penghantar dan peranti perlindungan berkaitan. Ini membolehkan isolasi cepat bagi sebarang kerosakan tanah pemakan 10 kV, mengurangkan impak pada grid. Namun, baru-baru ini, lima substansi 110 kV di wilayah tersebut mengalami kesalahan operasi berulang kali perlindungan transformator penghantar, menyebabkan gangguan dan mengancam kestabilan grid. Oleh itu, mengenal pasti penyebab dan melaksanakan penyelesaian adalah penting.

1. Analisis Penyebab Kesalahan Operasi Perlindungan Transformator Penghantar

Apabila pemakan 10 kV mengalami kerosakan tanah, perlindungan rangkaian nol pemakan di substansi 110 kV harus beroperasi terlebih dahulu untuk mengasingkan kerosakan. Jika gagal, perlindungan cadangan rangkaian nol transformator penghantar akan memutuskan pemutus bus tie dan transformator utama untuk mengandungi kerosakan. Oleh itu, operasi yang betul bagi perlindungan dan pemutus pemakan 10 kV adalah penting. Analisis statistik kesalahan operasi di lima substansi menunjukkan bahawa kegagalan perlindungan pemakan adalah penyebab utama.

Perlindungan rangkaian nol pemakan 10 kV beroperasi seperti berikut: sampel CT rangkaian nol → perlindungan dimulakan → pemutus diputus. Komponen utama adalah CT rangkaian nol, relai perlindungan, dan pemutus. Analisis difokuskan pada komponen-komponen ini:

1.1 Ralat CT rangkaian nol menyebabkan kesalahan operasi
Semasa kerosakan tanah, CT rangkaian nol pemakan yang rosak mendeteksi arus kerosakan, memicu perlindungannya. Pada masa yang sama, CT rangkaian nol transformator penghantar juga merasakan arus. Untuk memastikan selektiviti, tetapan perlindungan pemakan (contohnya, 60 A, 1.0 s) lebih rendah daripada tetapan transformator penghantar (contohnya, 75 A, 1.5 s untuk memutus bus tie, 2.5 s untuk memutus transformator utama). Namun, ralat CT (contohnya, -10% untuk CT transformator penghantar, +10% untuk CT pemakan) boleh membuat arus pickup yang sebenarnya hampir sama (67.5 A vs. 66 A), bergantung hanya pada jeda waktu. Ini meningkatkan risiko overreach transformator penghantar.

1.2 Pemasangan tanah shield kabel yang salah menyebabkan kesalahan operasi
Pemakan 10 kV menggunakan kabel bershield dengan shield dipasang ke tanah di kedua-dua hujung—praktik umum untuk mengurangkan EMI. CT rangkaian nol biasanya toroidal, dipasang di sekitar kabel di outlet switchgear. Semasa kerosakan tanah, arus tidak seimbang menginduksi isyarat dalam CT. Namun, jika shield dipasang ke tanah di kedua-dua hujung, arus sirkulasi shield juga melewati CT, mengacaukan pengukuran. Tanpa pemasangan yang betul (contohnya, wayar ground shield melalui CT dengan betul), perlindungan pemakan mungkin gagal, menyebabkan overreach transformator penghantar.

1.3 Kegagalan perlindungan pemakan menyebabkan kesalahan operasi
Walaupun relai berbasis mikroprosesor menawarkan prestasi tinggi, kualitas produk bervariasi. Kegagalan umum melibatkan modul daya, sampling, CPU, atau output trip. Jika tidak dikesan, ini dapat menyebabkan penolakan perlindungan, menyebabkan kesalahan operasi transformator penghantar.

1.4 Kegagalan pemutus pemakan menyebabkan kesalahan operasi
Penuaan, operasi sering, atau pemutus berkualitas buruk (terutama jenis GG-1A yang lebih tua di daerah pedesaan) meningkatkan tingkat kegagalan. Gangguan sirkuit kontrol—terutama coil trip yang terbakar—mencegah operasi pemutus bahkan ketika perlindungan memerintahkan trip, memaksa perlindungan cadangan transformator penghantar untuk bertindak.

1.5 Kerosakan tanah impedansi tinggi pada satu atau dua pemakan menyebabkan kesalahan operasi
Jika dua pemakan mengalami kerosakan tanah impedansi tinggi bersamaan pada fasa yang sama, arus rangkaian nol individu (misalnya, 40 A dan 50 A) mungkin tetap di bawah pickup pemakan (60 A), tetapi jumlahnya (90 A) melebihi setelan transformator penghantar (75 A), menyebabkan overreach. Bahkan kerosakan impedansi tinggi parah tunggal (misalnya, 58 A) ditambah dengan arus kapasitif normal (misalnya, 12–15 A) dapat mendekati 75 A. Gangguan sistem kemudian dapat memicu kesalahan operasi.

2. Tindakan Pencegahan untuk Menghindari Kesalahan Operasi

2.1 Tangani ralat CT

Gunakan CT rangkaian nol berkualitas tinggi; tolak unit dengan ralat >5% semasa komisioning; tetapkan ambang perlindungan berdasarkan nilai primer; verifikasi setelan melalui uji injeksi primer.

2.2 Benarkan pemasangan tanah shield kabel

• Halaikan wayar pelindung ke bawah melalui CT urutan sifar dan isolasi dari rak kabel; elakkan sentuhan sebelum CT.

• Biarkan hujung konduktor terdedah untuk ujian; isolasi bahagian lainnya.

• Jika titik tanah pelindung berada di bawah CT, jangan halaikan melalui CT. Elakkan meletakkan titik tanah di dalam tetingkap CT.

• Latih kakitangan perlindungan dan kabel mengenai pemasangan yang betul.

• Tegakkan pemeriksaan penerimaan bersama oleh pasukan relai, operasi, dan kabel.

2.3 Mencegah penolakan perlindungan

Gunakan relai yang terbukti boleh dipercayai; gantikan unit lama atau rosak; tingkatkan penyelenggaraan; pasang penyejukan/pembentusan udara untuk mencegah panas berlebihan.

2.4 Mencegah penolakan pemutus litar

Gunakan pemutus litar yang boleh dipercayai dan moden (contohnya, jenis segel yang dicas dengan spring atau motor); fasa keluar kabinet GG-1A lama; selenggara litar kawalan; gunakan kumpulan trip berkualiti tinggi.

2.5 Mengurangkan risiko kesalahan impedans tinggi

Siasat dan bersihkan penghantar dengan segera apabila alaram tanah berlaku; kurangkan panjang penghantar; seimbangkan beban fasa untuk mengurangkan arus kapasitif normal.

3. Kesimpulan

Walaupun transformator grounding meningkatkan struktur dan kestabilan grid, operasi salah yang berulang menunjukkan risiko tersembunyi. Kertas kerja ini menganalisis penyebab utama dan mencadangkan penyelesaian praktikal untuk membimbing wilayah yang telah memasang atau merancang untuk memasang transformator grounding.

Transformator Grounding Zigzag (Jenis Z)

Dalam rangkaian pengagihan 35 kV dan 66 kV, rintisan transformator biasanya disambung wye dengan titik neutral tersedia, menghapuskan keperluan untuk transformator grounding. Namun, dalam rangkaian 6 kV dan 10 kV, transformator yang disambung delta tidak mempunyai titik neutral, memerlukan transformator grounding untuk menyediakan satu—utamanya untuk menyambung coil penghapus lengkung.

Transformator grounding menggunakan sambungan rintisan zigzag (jenis Z): setiap rintisan fasa dibahagikan merentasi dua anggota inti. Fluks magnetik urutan sifar dari kedua-dua rintisan saling menghapuskan, menghasilkan impedans urutan sifar yang sangat rendah (biasanya <10 Ω), kerugian kosong yang rendah, dan penggunaan lebih daripada 90% kapasiti yang ditetapkan. Sebaliknya, transformator konvensional mempunyai impedans urutan sifar yang jauh lebih tinggi, membatasi kapasiti coil penghapus lengkung kepada ≤20% rating transformator. Oleh itu, transformator jenis Z adalah optimum untuk aplikasi grounding.

Apabila voltan ketidakseimbangan sistem besar, rintisan Z yang seimbang mencukupi untuk pengukuran. Dalam sistem ketidakseimbangan rendah (contohnya, rangkaian kabel sepenuhnya), neutral direka untuk menghasilkan 30–70 V voltan ketidakseimbangan untuk keperluan pengukuran.

Transformator grounding juga boleh mensuplai beban sekunder, bertindak sebagai transformator perkhidmatan stesen. Dalam kes tersebut, rating utama sama dengan jumlah kapasiti coil penghapus lengkung dan kapasiti beban sekunder.

Fungsi utama transformator grounding adalah untuk memberikan arus kompensasi kesalahan tanah.

Gambar 1 dan Gambar 2 menunjukkan dua sambungan transformator grounding jenis Z yang biasa: ZNyn11 dan ZNyn1. Prinsip di sebalik impedans urutan sifar yang rendah adalah seperti berikut: setiap anggota inti mengandungi dua rintisan identik yang disambung ke voltan fasa yang berbeza. Di bawah voltan urutan positif atau negatif, daya magnetomotif (MMF) pada setiap anggota adalah hasil tambah vektor dua MMF fasa. Tiga MMF anggota adalah seimbang dan 120° terpisah, membentuk laluan magnetik tertutup dengan rintangan rendah, fluks tinggi, voltan terinduksi tinggi, dan oleh itu impedans magnetisasi tinggi.

Di bawah voltan urutan sifar, kedua-dua rintisan pada setiap anggota menghasilkan MMF yang sama tetapi bertentangan, menghasilkan MMF bersih nol per anggota. Tiada fluks urutan sifar mengalir dalam inti; sebaliknya, ia beredar melalui tangki dan medium sekitar, menghadapi rintangan tinggi. Akibatnya, fluks dan impedans urutan sifar sangat rendah.