Analyse av årsaker til feilaktig utløsning av jordtransformatorbeskyttelse
I Kinas kraftsystem bruker 6 kV, 10 kV og 35 kV-nett generelt en driftsmodus med ubelasted neutrale. Distribusjonsspanningsiden av hovedtransformatorer i nettet er vanligvis koblet i delta-konfigurasjon, som ikke gir noen neutralpunkt for å koble jordmotstand. Når det oppstår en enefasejordfeil i et system med ubelasted neutral, forbli spenningstriangel mellom ledene symmetrisk, noe som fører til minimal forstyrrelse av brukernes operasjoner. I tillegg kan noen midlertidige jordfeil slukke seg selv når kapasitiv strøm er relativt liten (mindre enn 10 A), noe som er veldig effektivt for å forbedre kraftforsyningens pålitelighet og redusere nedbrytningshendelser.
Imidlertid, med den kontinuerlige utvidelsen og utviklingen av kraftindustrien, lenger denne enkle metoden lenger møter dagens behov. I moderne bykraftnett har økt bruk av kabelkretser ført til betydelig høyere kapasitive strømmer (over 10 A). Under slike forhold kan jordbue ikke slukkes pålitelig, noe som fører til følgende konsekvenser:
Intermittent slukking og tennende av enefasejordbue kan produsere buejordoverspenninger med amplituder som når opptil 4U (der U er toppfasespennings) eller enda høyere, som varer over lengre tidsperioder. Dette utgjør alvorlige trusler mot isolasjonen av elektriske anlegg, potensielt ved å forårsake brytinger i svake isolasjonspunkter og føre til betydelige tap.
Varig buing ioniserer omgivende luft, noe som nedsenkeler dens isolasjonegenskaper og øker sannsynligheten for fase til fase kortslutning.
Ferreresonansoverspenninger kan oppstå, som lett kan skade spenningstransformatorer og overspenningssikringer—potensielt til og med å forårsake eksplosjoner av sikringer. Disse konsekvensene utgjør alvorlige trusler mot isolasjonens integritet av nettanlegg og truer den sikre drift av hele kraftsystemet.
For å forhindre slike hendelser og gi tilstrekkelig nullsekvensstrøm og -spenning for å sikre pålitelig drift av jordfeilsikring, må en kunstgjort neutralpunkt opprettes slik at en jordmotstand kan kobles. Dette behovet førte til utviklingen av jordetransformatorer (ofte referert til som "jordetransformatorer" eller "jordeenheter"). En jordetransformator oppretter kunstgjort en neutralpunkt med en jordmotstand, typisk med veldig lav motstand (vanligvis under 5 ohm).
I tillegg, på grunn av sine elektromagnetiske egenskaper, viser jordetransformatoren høy impedans for positiv- og negativsekvensstrømmer, og lar bare en liten oppladningsstrøm passere gjennom dens vindinger. På hver kjernedel er to vindingsdeler viklet i motsatt retning. Når like store nullsekvensstrømmer passerer gjennom disse vindingsdelen, viser de lav impedans, noe som resulterer i minimal spenningsfall over vindingsdelen under nullsekvensforhold.
Spesifikt, under en jordfeil, bærer vindingen positiv-, negativ- og nullsekvensstrømmer. Den viser høy impedans for positiv- og negativsekvensstrømmer, men lav impedans for nullsekvensstrøm. Dette skyldes at, innen samme fase, er de to vindingsdelen koblet i serie med motsatt polaritet; deres induksjons-elektromotoriske krefter er like store, men motsatt rettet, og effektivt nullstiller hverandre, noe som resulterer i lav impedans for nullsekvensstrøm.
I mange anvendelser brukes jordetransformatorer kun for å gi en neutralpunkt med en liten jordmotstand og leverer ingen sekundærlast. Derfor er mange jordetransformatorer designet uten sekundærvinding. Under normal drift i nettet, opererer jordetransformatoren nesten uten last. Imidlertid, under en feil, bærer den feilstrøm bare for en kort periode. I et lavmotstandsbelasted system, når det oppstår en enefasejordfeil på 10 kV-siden, identifiserer høy sensitiv nullsekvensbeskyttelse raskt og midlertidig isolerer den feilaktige feeder.
Jordetransformatoren er aktiv bare i den korte perioden mellom feiloppståelse og drift av feeders nullsekvensbeskyttelse. I denne perioden passerer nullsekvensstrøm gjennom den neutrale jordmotstanden og jordetransformator, etter formelen: I_R = U / (R₁ + R₂), der U er systemets fasens spenning, R₁ er den neutrale jordmotstanden, og R₂ er den ytterligere motstanden i jordfeilløkken.
Basert på ovennevnte analyse, er driftsegenskapene til en jordetransformator: langvarig drift uten last og kortvarig overlast under feil.
Samlet sett, oppretter en jordetransformator kunstgjort en neutralpunkt for å koble en jordmotstand. Under en jordfeil, viser den høy impedans for positiv- og negativsekvensstrømmer, men lav impedans for nullsekvensstrøm, noe som sikrer pålitelig drift av jordfeilsikring.
For tiden, har jordetransformatorer installert i transformeringsstasjoner to primære formål:
Tilby lavspentevekster for transformatorstasjonens hjelpemiddelbruk;
Opprette en kunstgjort neutralpunkt på 10 kV-siden, som, kombinert med en buesvingningsdempende spole (Petersen-spole), kompenserer for kapasitiv jordfeilstrøm under 10 kV enefasejordfeil, noe som slukker bue ved feilpunktet. Prinsippet er som følger:
Langs hele lengden av lederne i et trefasethvilkelsnett, finnes det kapasitivitet både mellom faser og mellom hver fase og jord. Når nettets neutral ikke er solidt jordet, blir kapasitiviteten til jord av den feilaktige fasen null under en enefasejordfeil, mens spenningen av de to andre fasene øker til √3 ganger normal fasens spenning. Selv om denne økte spenningen holder seg innen isolasjonsdesignsgrensen, øker den deres kapasitivitet til jord. Kapasitiv jordfeilstrøm under en enefasefeil er omtrent tre ganger normal per-fase kapasitiv strøm. Når denne strømmen blir stor, er det lett å vedlikeholde intermittente buer, å opprette resonante svingninger i nettets induktiv-kapasitive krets og produsere overspenninger opptil 2,5–3 ganger fasens spenning. Jo høyere nettspenning, jo større risiko fra slike overspenninger. Derfor kan bare systemer under 60 kV operere med en ubelasted neutral, da deres enefasekapasitive jordfeilstrømmer forbli små. For høyere spenningssystemer, må en jordetransformator brukes for å koble neutralpunktet gjennom impedans.
Når en side av hovedtransformator i et understation (f.eks. 10 kV-siden) er koblet i delta eller stjerne uten nøytral ledning, og den enefase kapasitive jordstrømmen er stor, er det ingen tilgjengelig nøytral punkt for jording. I slike tilfeller brukes en jordetransformator for å opprette et kunstig nøytralpunkt, som gjør det mulig å koble til en buelukningsspole. Dette kunstige nøytralpunktet tillater systemet å kompensere kapasitiv strøm og slukke jordbuelukninger—dette er grunnleggende funksjonen til jordetransformator.
Under normal drift opplever jordetransformator balansert trefasestrom og bærer bare en liten oppladningsstrøm, og opererer nesten ubelasted. Potensialforskjellen mellom nøytral og jord er null (unntatt mindre nøytral forskyvningsspenning fra buelukningsspolen), og ingen strøm flyter gjennom spolen. Hvis for eksempel fase C har en jordfeil, vil den resulterende nullsekvensspenningen (avledet fra asymmetri) flyte gjennom buelukningsspolen til jorden. Spolen genererer en induktiv strøm som kompenserer kapasitiv jordfeilstrøm, dermed eliminere buelukningen—funksjonelt identisk med en separat buelukningsspole.
I de siste årene har det oppstått flere misoperasjoner av beskyttelse av jordetransformator i 110 kV-understasjoner i en bestemt region, noe som har påvirket nettets stabilitet alvorlig. For å identifisere de underliggende årsakene, ble analyser utført, korrektive tiltak implementert, og erfaringer delt for å forhindre gjenopptrekk og veilede andre regioner.
Med økende bruk av kabelforføring i 110 kV-understasjoners 10 kV-nettverk, har enefase kapasitive jordstrømmer økt betydelig. For å undertrykke overvoltage under jordfeil, installeres nå jordetransformatorer i mange 110 kV-understasjoner for å implementere lavresistiv jording, etablering av en nullsekvensstrømbane. Dette lar selektiv nullsekvensbeskyttelse isolere jordfeil basert på lokasjon, forebygge buelukningens genopptrekk og sikre trygg strømforsyning.
Siden 2008 har en bestemt region modernisert sine 110 kV-understasjoners 10 kV-systemer til lavresistiv jording ved å installere jordetransformatorer og tilhørende beskyttelsesenheter. Dette tillater rask isolering av enhver 10 kV-forføring jordfeil, minimerer nettonvirkning. Imidlertid har nylig fem 110 kV-understasjoner i regionen opplevd repeterende misoperasjoner av jordetransformatorbeskyttelsen, som har ført til strømtap og truet nettets stabilitet. Derfor er det essensielt å identifisere årsaker og implementere løsninger.
1. Analyse av årsaker til misoperasjon av jordetransformatorbeskyttelse
Når en 10 kV-forføring har en jordfeil, skal forføringens nullsekvensbeskyttelse i 110 kV-understasjonen først virke for å isolere feilen. Hvis dette mislykkes, utløser jordetransformatorens sekundære nullsekvensbeskyttelse buskoplingsbryteren og hovedtransformatorbryteren for å begrense feilen. Derfor er riktig virking av 10 kV-forføringbeskyttelse og brytere viktig. Statistisk analyse av misoperasjoner i fem understasjoner viser at mislykket forføringbeskyttelse er den primære årsaken.
10 kV-forføringens nullsekvensbeskyttelse virker slik: nullsekvens CT-prøvetaking → beskyttelse aktiveres → bryter utløses. De nødvendige komponentene er nullsekvens CT, relé, og bryter. Analysen fokuserer på disse:
1.1 Nullsekvens CT-feil som forårsaker misoperasjon
Ved en jordfeil, oppdager den defekte forføringens nullsekvens CT feilstrøm, som utløser dens beskyttelse. Samtidig oppdager jordetransformatorens nullsekvens CT også strømmen. For å sikre selektivitet, er forføringbeskyttelsesinnstillinger (f.eks. 60 A, 1,0 s) lavere enn jordetransformatorinnstillinger (f.eks. 75 A, 1,5 s for å utløse buskopling, 2,5 s for å utløse hovedtransformator). Imidlertid kan CT-feil (f.eks. -10% for jordetransformator CT, +10% for forføring CT) gjøre faktiske utløsestrømmer nærmest like (67,5 A vs. 66 A), avhengig kun av tidsforskyvning. Dette øker risikoen for jordetransformatoroverreach.
1.2 Feilaktig kableskjold jording som forårsaker misoperasjon
10 kV-forføring bruker skjoldede kabler med skjold jordet på begge ender—en vanlig praksis for å redusere EMI. Nullsekvens CT-er er typisk toroidale, installert rundt kabelen ved utgangen av switchgear. Ved en jordfeil, inducerer ubalansert strøm et signal i CT-en. Imidlertid, hvis skjoldet er jordet på begge ender, passer omløpsstrømmer i skjoldet også gjennom CT-en, forvrider målingen. Uten riktig installasjon (f.eks. skjold jordtråd passer korrekt gjennom CT-en), kan forføringbeskyttelse mislykkes, forårsake jordetransformatoroverreach.
1.3 Mislykket forføringbeskyttelse som forårsaker misoperasjon
Selv om mikroprosessorbaserte reléer tilbyr høy ytelse, varierer produktkvaliteten. Vanlige feil involverer strøm, prøvetaking, CPU, eller utløsningsmoduler. Hvis ikke oppdaget, kan disse forårsake beskyttelsesmislykke, fører til jordetransformatormisoperasjon.
1.4 Mislykket forføringbryter som forårsaker misoperasjon
Aldring, hyppige operasjoner, eller dårlig kvalitet brytere (spesielt eldre GG-1A-typer i landlige områder) øker mislykkesfrekvens. Kontrollkretsfeil—spesielt forbrent utløsingsbobiner—hindrer bryteroperasjon selv når beskyttelse utløser, tvinger jordetransformatorbackup til å virke.
1.5 Høyimpedans jordfeil på én eller to forføringer som forårsaker misoperasjon
Hvis to forføringer opplever samtidige høyimpedans jordfeil på samme fase, kan individuelle nullsekvensstrømmer (f.eks. 40 A og 50 A) forbli under forføringutløsning (60 A), men deres sum (90 A) overstiger jordetransformatorinnstilling (75 A), forårsaker overreach. Selv en enkelt alvorlig høyimpedansfeil (f.eks. 58 A) kombinert med normal kapasitiv strøm (f.eks. 12–15 A) kan nærme 75 A. Systemforstyrrelser kan da utløse misoperasjon.
2. Tiltak for å forhindre misoperasjon
2.1 Løse CT-feil
Bruk høykvalitets nullsekvens CT-er; forkast enheter med >5% feil under innsetting; sett beskyttelsesgrenser basert på primære verdier; verifiser innstillinger via primærinnsprøytningstesting.
2.2 Riktig kableskjold jording
Led kabelskjold jordledere nedover gjennom nullsekvens-CT og isoler fra kabelkanaler; unngå kontakt før CT.
La eksponerte ledningsender være til testing; isoler resten.
Hvis jordpunktet for skjoldet er under CT, led det ikke gjennom CT. Unngå å plassere jordpunktet innenfor CT-vinduet.
Tren relæbeskyttelse- og kabelpersonell i riktig installasjon.
Fremme felles akseptansemessige inspeksjoner av relæ-, drifts- og kabelteam.
2.3 Forebygg beskyttelsesnekt
Bruk bevarte, pålitelige relæer; erstatt aldre eller defekte enheter; forbedre vedlikehold; installer kjøling/ventilasjon for å forebygge overoppvarming.
2.4 Forebygg bryternekt
Bruk pålitelige, moderne brytere (f.eks. fjær- eller motorladede type); faser ut gamle GG-1A-kabinetter; vedlikehold styringskretser; bruk høykvalitets trip-spiraler.
2.5 Reduser risiko for høyimpedansfeil
Undersøk og rydd forsyninger umiddelbart når jordalarmer oppstår; reduser forsyningslengder; balanser fasebelastning for å minimere normal kapasitiv strøm.
3. Konklusjon
Selv om jordtransformatorer forbedrer nettstruktur og stabilitet, viser gjenopprettede misshandlinger skjulte risikoer. Denne artikkelen analyserer nøkkelfaktorer og foreslår praktiske løsninger for å veilede regioner som har installert eller planlegger å installere jordtransformatorer.
Zigzag (Z-type) jordtransformatorer
I 35 kV og 66 kV distribusjonsnettverk er transformatorvindinger typisk wye-koblet med et neutrale punkt tilgjengelig, noe som eliminerer behovet for jordtransformatorer. Imidlertid i 6 kV og 10 kV-nettverk mangler delta-koblede transformatorer et neutrale punkt, noe som krever en jordtransformator for å gi et slikt punkt – primært for å koble bueavslukningsspoiler.
Jordtransformatorer bruker zigzag (Z-type) vindingforbindelser: hver fasevinding er delt over to kjernelimer. Nullsekvens-magnetiske fluks fra de to vindinger nullerer hverandre, noe som resulterer i svært lav nullsekvens impedans (typisk <10 Ω), lave tomgangtap, og bruk av over 90% av den nominelle kapasiteten. I motsetning til konvensjonelle transformatorer har disse mye høyere nullsekvens impedans, noe som begrenser bueavslukningsspoilkapasiteten til ≤20% av transformatorkapasiteten. Dermed er Z-type transformatorer optimale for jordapplikasjoner.
Når systemuavstemmingsspenningen er stor, er balanserte Z-type vindinger nok for måling. I lavuavstemmingssystemer (f.eks. alle-kabelnettverk) er det neutrale designet for å produsere 30–70 V uavstemmingsspenning for målingsbehov.
Jordtransformatorer kan også levere sekundære belastninger, og fungerer som stasjonstransformatorer. I slike tilfeller er den primære kapasiteten lik summen av bueavslukningsspoilkapasiteten og sekundær belastningskapasiteten.
Den primære funksjonen til en jordtransformator er å levere jordfeil-kompensasjonstrøm.
Figur 1 og Figur 2 viser to vanlige Z-type jordtransformatorforbindelser: ZNyn11 og ZNyn1. Prinsippet bak lav nullsekvens impedans er som følger: hver kjernelim inneholder to identiske vindinger koblet til forskjellige fasevoltager. Under positiv- eller negativsekvens spenning er magnetisk motstand (MMF) på hver lim vektorsummen av to fase-MMF. De tre lim-MMF er balansert og 120° fra hverandre, danner en lukket magnetisk bane med lav motstand, høy fluks, høy induksjonsspennning, og dermed høy magnetiseringsempedans.
Under nullsekvens spenning produserer de to vindinger på hver lim like men motsatte MMF, noe som resulterer i null netto MMF per lim. Ingen nullsekvens fluks flyter i kjernen; istedenfor sirkulerer den gjennom tanken og omkringliggende medium, møter høy motstand. Dermed er nullsekvens fluks og impedans svært lave.
