Analyse van oorzaken voor foute werking van aardingstransformatorbescherming
In het Chinese stroomnet gebruiken de 6 kV-, 10 kV- en 35 kV-netten over het algemeen een bedrijfsmodus zonder geaard neutraalpunt. De distributiespanningszijde van hoofdtransformatoren in het net is meestal in driehoekconfiguratie geschakeld, waardoor er geen neutraalpunt beschikbaar is voor het aansluiten van aardingsweerstanden. Wanneer er een eenpolige aardfout optreedt in een systeem met niet-geaard neutraalpunt, blijft de lijnspanningsdriehoek symmetrisch, wat minimale verstoring veroorzaakt voor de gebruikersbediening. Bovendien kunnen sommige tijdelijke aardfouten zichzelf doven wanneer de capacitieve stroom relatief klein is (minder dan 10 A), wat zeer effectief is bij het verbeteren van de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening en het verminderen van uitvalincidenten.
Echter, met de voortdurende uitbreiding en ontwikkeling van de elektriciteitsindustrie voldoet deze eenvoudige methode niet langer aan de huidige eisen. In moderne stedelijke stroomnetten heeft het toenemende gebruik van kabelcircuits geleid tot aanzienlijk hogere capacitieve stromen (groter dan 10 A). Onder deze omstandigheden kan de aardboog niet betrouwbaar worden gedoofd, wat de volgende gevolgen heeft:
Het intermitterend doven en opnieuw ontbranden van de eenpolige aardboog kan boog-aardoverspanningen genereren met amplitudes tot wel 4U (waarbij U de piekfasespanning is) of zelfs hoger, die langdurig aanhouden. Dit vormt een ernstige bedreiging voor de isolatie van elektrische apparatuur, wat leidt tot doorslagen op zwakke isolatiepunten en daarmee gepaard gaande grote verliezen.
Langdurige boogontlading ioniseert de omliggende lucht, verslechtert de isolerende eigenschappen en verhoogt de kans op fase-tot-fase kortsluitingen.
Ferro-resonantie-overspanningen kunnen optreden, waardoor spanningsomvormers en overspanningsafleiders gemakkelijk beschadigd raken—zelfs explosies van afleiders mogelijk zijn. Deze gevolgen bedreigen ernstig de isolatie-integriteit van netapparatuur en vormen een risico voor de veilige werking van het volledige stroomsysteem.
Om dergelijke incidenten te voorkomen en voldoende nulvolgorde-stroom en -spanning te leveren om een betrouwbare werking van aardfoutbeveiliging te garanderen, moet een kunstmatig neutraalpunt worden gecreëerd, zodat een aardingsweerstand kan worden aangesloten. Deze noodzaak leidde tot de ontwikkeling van aardingstransformatoren (vaak aangeduid als "aardingstransformatoren" of "aardeenheden"). Een aardingstransformator creëert kunstmatig een neutraalpunt met een aardingsweerstand, met meestal een zeer lage weerstand (meestal minder dan 5 ohm).
Daarnaast biedt de aardingstransformator, vanwege zijn elektromagnetische kenmerken, een hoge impedantie tegen positieve- en negatieve-volgordestromen, zodat slechts een kleine magnetisatiestroom door de wikkelingen loopt. Op elke kernbalk zijn twee wikkelgedeelten in tegengestelde richting gewikkeld. Wanneer gelijke nulvolgordestromen door deze wikkelingen lopen, vertonen zij een lage impedantie, wat resulteert in een minimale spanningsval over de wikkelingen onder nulvolgordeomstandigheden.
Specifiek tijdens een aardfout draagt de wikkeling positieve-, negatieve- en nulvolgordestromen. Het toont een hoge impedantie tegen positieve- en negatieve-volgordestromen, maar een lage impedantie tegen nulvolgordestroom. Dit komt omdat binnen dezelfde fase de twee wikkelingen in serie zijn geschakeld met tegengestelde polariteit; hun geïnduceerde elektromotorische krachten zijn even groot maar tegengesteld gericht, waardoor ze elkaar effectief opheffen en dus een lage impedantie tonen tegen nulvolgordestroom.
In veel toepassingen worden aardingstransformatoren uitsluitend gebruikt om een neutraalpunt met een kleine aardingsweerstand te bieden en leveren zij geen secundaire belasting. Daarom zijn veel aardingstransformatoren ontworpen zonder secundaire wikkeling. Tijdens normaal bedrijf van het net werkt de aardingstransformator in wezen in een onbelaste toestand. Tijdens een fout echter draagt hij alleen kortstondig de foutstroom. In een systeem met lage weerstandsaarding, wanneer een eenpolige aardfout optreedt aan de 10 kV-zijde, identificeert zeer gevoelige nulvolgordebeveiliging snel en isoleert tijdelijk de defecte aftakking.
De aardingstransformator is alleen actief gedurende het korte tijdsinterval tussen het optreden van de fout en de werking van de nulvolgordebeveiliging van de aftakking. Gedurende deze periode stroomt nulvolgordestroom door de neutrale aardingsweerstand en de aardingstransformator, volgens de formule: I_R = U / (R₁ + R₂), waarbij U de systeemfasespanning is, R₁ de neutrale aardingsweerstand is, en R₂ de extra weerstand in de aardfoutlus is.
Op basis van bovenstaande analyse zijn de bedrijfseigenschappen van een aardingstransformator: langdurige onbelaste werking en kortdurende overbelasting tijdens fouten.
Samenvattend creëert een aardingstransformator kunstmatig een neutraalpunt om een aardingsweerstand aan te sluiten. Tijdens een aardfout vertoont het een hoge impedantie tegen positieve- en negatieve-volgordestromen maar een lage impedantie tegen nulvolgordestroom, waardoor een betrouwbare werking van aardfoutbeveiliging wordt gegarandeerd.
Momenteel vervullen aardingstransformatoren geïnstalleerd in onderstations twee primaire doeleinden:
Het leveren van laagspanningswisselstroom voor hulpverbruik in het onderstation;
Het creëren van een kunstmatig neutraalpunt aan de 10 kV-zijde, dat in combinatie met een boogdoofer (Petersencoil) de capacitieve aardfoutstroom compenseert tijdens een eenpolige aardfout op 10 kV, waardoor de boog op het foutpunt wordt gedoofd. Het principe is als volgt:
Langs de gehele lengte van geleiders in een driefasen stroomnet bestaat capaciteit zowel tussen fasen als tussen elke fase en aarde. Wanneer het neutraalpunt van het net niet vast is geaard, wordt de capaciteit naar aarde van de foutfase nul tijdens een eenpolige aardfout, terwijl de spanningen van de andere twee fasen stijgen tot √3 maal de normale fasespanning. Hoewel deze verhoogde spanning binnen de isolatie-ontwerpgrenzen blijft, neemt hun capaciteit naar aarde toe. De capacitieve aardfoutstroom tijdens een eenpolige fout is ongeveer drie keer de normale per-fase capacitieve stroom. Wanneer deze stroom groot wordt, kan de intermitterende boog gemakkelijk aanhouden, resonante oscillaties in de inductief-capacitieve circuit van het net opwekken en overspanningen genereren tot 2,5–3 maal de fasespanning. Hoe hoger de netspanning, hoe groter het risico van dergelijke overspanningen. Daarom mogen alleen systemen onder 60 kV werken met een niet-geaard neutraalpunt, aangezien hun eenpolige capacitieve aardfoutstromen klein blijven. Voor hogerspanningssystemen moet een aardingstransformator worden gebruikt om het neutraalpunt via impedantie te verbinden.
Wanneer één kant van de hoofdtransformatoren van een substation (bijvoorbeeld de 10 kV-kant) is verbonden in delta of wye zonder neutraal uitgebracht, en de enefase capaciteitsgrondstroom groot is, is er geen beschikbaar neutraal punt voor aarding. In dergelijke gevallen wordt een aardingstransformator gebruikt om een kunstmatig neutraal punt te creëren, waardoor aansluiting op een boogdemper mogelijk wordt. Dit kunstmatige neutraal stelt het systeem in staat om de capaciteitsstroom te compenseren en grondboogjes te doven—dit is de fundamentele rol van de aardingstransformator.
Tijdens normale bedrijfsvoering ervaart de aardingstransformator een evenwichtige driefase spanning en draagt slechts een kleine opwekkingstroom, waardoor hij feitelijk onbelast werkt. Het potentiaalverschil tussen neutraal en aarde is nul (met uitzondering van een geringe neutrale verschuivingsspanning door de boogdemper), en er stroomt geen stroom door de spoel. Indien bijvoorbeeld fase C een aardfout heeft, stroomt de resulterende nulsequentie spanning (afgeleid van de asymmetrie) via de boogdemper naar aarde. De spoel genereert een inductieve stroom die de capaciteitsaardfoutstroom compenseert, waardoor de boog gedoofd wordt—functioneel identiek aan een zelfstandige boogdemper.
In recente jaren zijn er meerdere foute werkingen van aardingstransformatorbescherming voorgekomen in 110 kV substations in een bepaald gebied, met ernstige invloed op de netstabiliteit. Om de oorzaken te identificeren, werden analyses uitgevoerd, correctieve maatregelen toegepast en lessen gedeeld om herhaling te voorkomen en andere regio's te leiden.
Met de toenemende gebruik van kabelvoedingen in 10 kV-netwerken van 110 kV substations, zijn de enefase capaciteitsgrondstromen aanzienlijk gestegen. Om de overspanningsgroottes tijdens aardfouten te onderdrukken, installeren veel 110 kV substations nu aardingstransformators om laagohmige aarding te implementeren, wat een nulsequentiestroompad creëert. Dit stelt selectieve nulsequentiebescherming in staat om aardfouten op basis van locatie te isoleren, boogherleving te voorkomen en veilige energievoorziening te waarborgen.
Sinds 2008 heeft een bepaald gebied zijn 10 kV-systemen van 110 kV substations geretrofittet naar laagohmige aarding door aardingstransformators en bijbehorende beschermingsapparatuur te installeren. Dit stelt snelle isolatie van elke 10 kV-voedingaardfout in staat, met minimale impact op het net. Echter, onlangs hebben vijf 110 kV substations in het gebied herhaalde foute werkingen van aardingstransformatorbescherming ervaren, wat uitval veroorzaakte en de netstabiliteit bedreigde. Daarom is het essentieel om oorzaken te identificeren en oplossingen te implementeren.
1. Analyse van oorzaken voor foute werking van aardingstransformatorbescherming
Bij een aardfout in een 10 kV-voeding, zou eerst de nulsequentiebescherming van de 10 kV-voeding in het 110 kV-substation moeten werken om de fout te isoleren. Als dit mislukt, treedt de backup nulsequentiebescherming van de aardingstransformator in om de buskoppeling en hoofdtransformatorklemmen te laten vallen om de fout binnen de perken te houden. Dus, juiste werking van 10 kV-voedingbescherming en -klemmen is cruciaal. Statistische analyse van foute werkingen in vijf substations toont aan dat falen van voedingbescherming de primaire oorzaak is.
De 10 kV-voeding nulsequentiebescherming werkt als volgt: nulsequentie CT-monstering → bescherming start → klem valt. De belangrijkste componenten zijn de nulsequentie CT, beschermingsrelais en klem. De analyse richt zich op deze:
1.1 Foute werking door CT-fouten
Tijdens een aardfout detecteert de nulsequentie CT van de defecte voeding de foutstroom, waardoor de bescherming wordt geactiveerd. Tegelijkertijd detecteert ook de nulsequentie CT van de aardingstransformator de stroom. Om selectiviteit te garanderen, zijn de instellingen voor voedingbescherming (bijv., 60 A, 1,0 s) lager dan de instellingen voor de aardingstransformator (bijv., 75 A, 1,5 s om buskoppeling te laten vallen, 2,5 s om hoofdtransformator te laten vallen). Echter, CT-fouten (bijv., -10% voor aardingstransformator CT, +10% voor voeding CT) kunnen de daadwerkelijke oppakstroom bijna gelijk maken (67,5 A vs. 66 A), waardoor alleen de tijdsvertraging telt. Dit verhoogt het risico op overreach van de aardingstransformator.
1.2 Foute werking door onjuiste aarding van kabelschild
10 kV-voedingen gebruiken geschilderde kabels met schilden die aan beide einden aarden—een algemene praktijk voor EMI-vermindering. Nulsequentie CT's zijn meestal toroidaal, geïnstalleerd rond de kabel bij de schakelaaruitgang. Tijdens een aardfout induceert de onbalansstroom een signaal in de CT. Echter, als het schild aan beide einden aardt, passeren circulerende schildstromen ook de CT, wat de meting vertekent. Zonder juiste installatie (bijv., schildaarddraad correct door de CT) kan de voedingbescherming falen, wat leidt tot overreach van de aardingstransformator.
1.3 Foute werking door falen van voedingbescherming
Ondanks dat microprocessorgerelateerde relais hoge prestaties bieden, varieert de productkwaliteit. Gewone fouten betreffen voeding, sampling, CPU of trip output modules. Als deze niet worden opgemerkt, kunnen ze leiden tot weigerende bescherming, wat resulteert in foute werking van de aardingstransformator.
1.4 Foute werking door falen van voedingklem
Veroudering, frequente operaties of lage kwaliteit klemmen (vooral oudere GG-1A-types in landelijke gebieden) vergroten de falenratio. Storingen in het besturingsschakelsysteem—vooral verbrande tripspoelen—voorkomen klemoperatie, zelfs wanneer de bescherming een trip commandeert, waardoor de back-up van de aardingstransformator actief wordt.
1.5 Foute werking door hoge impedantie aardfouten op één of twee voedingen
Bij simultane hoge impedantie aardfouten op dezelfde fase in twee voedingen, kunnen individuele nulsequentiestromen (bijv., 40 A en 50 A) onder de voedingoppak (60 A) blijven, maar hun som (90 A) overstijgt de instelling van de aardingstransformator (75 A), wat overreach veroorzaakt. Zelfs een enkele ernstige hoge impedantie fout (bijv., 58 A) gecombineerd met normale capaciteitsstroom (bijv., 12–15 A) kan benaderen 75 A. Systeembewegingen kunnen dan foute werking veroorzaken.
2. Maatregelen om foute werking te voorkomen
2.1 Afhandeling van CT-fouten
Gebruik high-quality nulsequentie CT's; verwijder eenheden met >5% fout tijdens inbedrijfstelling; stel beschermingsdrempels in op basis van primaire waarden; controleer instellingen via primaire injectietests.
2.2 Correctie van kabelschildaarding
Leid de schildaardingdraden omlaag door de nulreeks CT en isoleer ze van de kabelbakken; vermijd contact vóór de CT.
Laat de uiteinden van de blootgestelde geleiders bloot voor testen; isoleer de rest.
Als het schildaardingspunt onder de CT ligt, leid het niet door de CT. Vermijd het plaatsen van het aardingspunt binnen het CT-venster.
Train beschermdingen- en kabelpersoneel in de juiste installatie.
Handhaaf gezamenlijke acceptatie-inspecties door relais-, bedrijfs- en kabelteams.
2.3 Voorkom weigering van bescherming
Gebruik bewezen, betrouwbare relais; vervang verouderde of defecte eenheden; verbeter het onderhoud; installeer koeling/ventilatie om oververhitting te voorkomen.
2.4 Voorkom weigering van schakelaars
Gebruik betrouwbare, moderne schakelaars (bijv. veerverstuurd of motorbeladen gesloten types); faseer oude GG-1A-kasten uit; onderhoud stuurkring; gebruik hoogwaardige tripspoelen.
2.5 Verminder risico's van hoge impedantiefouten
Onderzoek en ruim voeders onmiddellijk wanneer aardalarmen optreden; verkort de lengte van voeders; balans fasebelastingen om de normale capacitaire stroom te minimaliseren.
3. Conclusie
Hoewel aardtransformators de structuur en stabiliteit van het netwerk verbeteren, benadrukken herhaalde foutoperaties verborgen risico's. Dit artikel analyseert de belangrijkste oorzaken en stelt praktische oplossingen voor om regio's te begeleiden die aardtransformators hebben geïnstalleerd of van plan zijn deze te installeren.
Zigzag (Z-type) Aardtransformators
In 35 kV en 66 kV distributienetwerken zijn de transformatorwindingen meestal gesterd verbonden met een beschikbaar neutraal punt, waardoor aardtransformators overbodig zijn. Echter, in 6 kV en 10 kV netwerken ontbreken bij delta-verbonden transformators een neutraal punt, waardoor een aardtransformator nodig is om er één te leveren—voornamelijk voor het verbinden van boogdempingsspoelen.
Aardtransformators gebruiken zigzag (Z-type) windingverbindingen: elke fasewinding is verdeeld over twee kernleden. De nulreeksmagnetische fluxen van de twee windingen heffen elkaar op, wat resulteert in een zeer lage nulreeksimpedantie (typisch <10 Ω), lage ledigloopverliezen en een gebruik van meer dan 90% van de nominale capaciteit. In tegenstelling hiermee hebben conventionele transformators veel hogere nulreeksimpedantie, waardoor de capaciteit van boogdempingsspoelen beperkt wordt tot ≤20% van de transformatorcapaciteit. Daarom zijn Z-type transformators ideaal voor aardtoepassingen.
Wanneer de systeemongelijkheidsspanning groot is, volstaan evenwichtige Z-type windingen voor meting. In systemen met lage ongelijkheid (bijv. allekabelnetwerken) wordt de neutraal ontworpen om 30–70 V ongelijkheidsspanning te produceren voor meetbehoeften.
Aardtransformators kunnen ook secundaire belastingen leveren, fungerend als stationsvoedingstransformators. In dergelijke gevallen is de primaire capaciteit gelijk aan de som van de capaciteit van de boogdempingsspoelen en de secundaire belastingscapaciteit.
De primaire functie van een aardtransformator is het leveren van aardfoutcompensatiestroom.
Figuur 1 en Figuur 2 tonen twee algemene Z-type aardtransformatorverbindingen: ZNyn11 en ZNyn1. Het principe achter de lage nulreeksimpedantie is als volgt: elk kernlid bevat twee identieke windingen die verbonden zijn met verschillende fase-spanningen. Onder positieve of negatieve reeksspanning is de magnetische kracht (MMF) op elk lid de vector-som van twee fase-MMF's. De drie lid-MMF's zijn gebalanceerd en 120° uit elkaar, vormend een gesloten magnetische pad met lage weerstand, hoge flux, hoge geïnduceerde spanning en dus hoge magnetiseringsimpedantie.
Onder nulreeksspanning produceren de twee windingen op elk lid gelijke maar tegengestelde MMF's, resulterend in een nul netto MMF per lid. Geen nulreeksflux stroomt in de kern; in plaats daarvan circuleert het door de tank en het omringende medium, waarbij hoge weerstand wordt ontmoet. Als gevolg hiervan zijn nulreeksflux en impedantie zeer laag.
