Analiza przyczyn nieprawidłowego działania ochrony transformatora ziemnego
W systemie energetycznym Chin sieci o napięciu 6 kV, 10 kV i 35 kV zazwyczaj stosują tryb działania z niewspółczynnikiem punktu neutralnego. Strona dystrybucyjna głównych transformatorów w sieci jest zwykle połączona w konfiguracji trójkątną, co nie zapewnia punktu neutralnego do połączenia rezystorów ziemnych. Gdy wystąpi awaria jednofazowego przewodu ziemnego w systemie z niewspółczynnikiem punktu neutralnego, trójkąt napięć między przewodami pozostaje symetryczny, co minimalnie zakłóca operacje użytkowników. Ponadto, gdy prąd pojemnościowy jest stosunkowo mały (poniżej 10 A), niektóre przejściowe uszkodzenia ziemne mogą się samoczynnie wygaszyć, co jest bardzo skuteczne w poprawie niezawodności dostaw energii elektrycznej i redukcji incydentów z przerwami.
Jednakże, wraz z ciągłym rozwojem i ekspansją przemysłu energetycznego, ta prosta metoda już nie spełnia obecnych potrzeb. W nowoczesnych miejskich sieciach energetycznych, zwiększone stosowanie linii kablowych prowadzi do znacznie wyższych prądów pojemnościowych (przekraczających 10 A). W takich warunkach łuk ziemny nie może być niezawodnie wygaszony, co prowadzi do następujących konsekwencji:
Przełączanie się między gaszeniem a ponownym zapalaniem łuku ziemnego jednofazowego może generować nadnapięcia łuku ziemnego o amplitudzie dochodzącej do 4U (gdzie U to maksymalne napięcie fazowe) lub nawet wyższej, trwające przez dłuższy czas. To stanowi poważne zagrożenie dla izolacji sprzętu elektrycznego, potencjalnie prowadząc do przepięć w słabych punktach izolacji i powodując istotne straty.
Trwałe łuki jonizują otaczające powietrze, pogarszając jego właściwości izolacyjne i zwiększając prawdopodobieństwo krótkich zwarcia między fazami.
Mogą wystąpić nadnapięcia ferrorezonansowe, łatwo niszcząc transformatory napięcia i zaszczytne, co potencjalnie prowadzi do wybuchów zaszczytnych. Te konsekwencje poważnie zagrożone są integralnością izolacji sprzętu sieciowego i bezpieczeństwem funkcjonowania całego systemu energetycznego.
Aby zapobiec takim incydentom i zapewnić odpowiednie prądy i napięcia zerowej sekwencji, aby zapewnić niezawodne działanie ochrony przed uszkodzeniami ziemnymi, należy stworzyć sztuczny punkt neutralny, dzięki któremu można połączyć rezystor ziemny. Ta potrzeba doprowadziła do opracowania transformatorów ziemnych (zwanych również "transformatorami ziemnymi" lub "jednostkami ziemnymi"). Transformator ziemny sztucznie tworzy punkt neutralny z rezystorem ziemnym, który zwykle ma bardzo niską oporność (zwykle poniżej 5 omów).
Ponadto, ze względu na swoje właściwości elektromagnetyczne, transformator ziemny prezentuje wysoką impedancję dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, umożliwiając przepływ tylko małego prądu pobudzającego przez jego cewki. Na każdym ramieniu rdzenia są nawinięte dwie sekcje cewek w przeciwnych kierunkach. Gdy przez te cewki płyną równe prądy zerowej sekwencji, prezentują niską impedancję, co prowadzi do minimalnego spadku napięcia na cewkach w warunkach zerowej sekwencji.
Szczególnie, podczas uszkodzenia ziemnego, cewka przewodzi prądy pierwszej, drugiej i zerowej sekwencji. Prezentuje wysoką impedancję dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, ale niską impedancję dla prądu zerowej sekwencji. Wynika to z faktu, że w tej samej fazie, dwie cewki są połączone szeregowo z przeciwnymi polaryzacjami; ich indukowane siły elektromotoryczne mają taką samą wartość, ale przeciwny kierunek, efektywnie anulując się, co prowadzi do niskiej impedancji dla prądu zerowej sekwencji.
W wielu zastosowaniach, transformatory ziemne są używane wyłącznie do zapewnienia punktu neutralnego z małym rezystorem ziemnym i nie dostarczają żadnego obciążenia wtórnego. Dlatego wiele transformatorów ziemnych jest zaprojektowanych bez cewki wtórnej. Podczas normalnej pracy sieci, transformator ziemny działa praktycznie w stanie bezobciążonym. Jednak podczas uszkodzenia, przewodzi prąd uszkodzeniowy tylko przez krótki okres. W systemie o niskiej oporności ziemnej, gdy wystąpi uszkodzenie ziemne jednofazowe po stronie 10 kV, bardzo czuła ochrona zerowej sekwencji szybko identyfikuje i tymczasowo izoluje uszkodzoną linię.
Transformator ziemny jest aktywny tylko przez krótki okres między wystąpieniem uszkodzenia a działaniem ochrony zerowej sekwencji liniowej. W tym czasie, prąd zerowej sekwencji przepływa przez rezystor ziemny i transformator ziemny, zgodnie ze wzorem: I_R = U / (R₁ + R₂), gdzie U to fazowe napięcie systemu, R₁ to rezystor ziemny, a R₂ to dodatkowa oporność w pętli uszkodzenia ziemnego.
Na podstawie powyższej analizy, cechy pracy transformatora ziemnego to: długotrwała praca bez obciążenia i krótkotrwałe przeciążenie podczas uszkodzeń.
Podsumowując, transformator ziemny sztucznie tworzy punkt neutralny, aby połączyć rezystor ziemny. Podczas uszkodzenia ziemnego, prezentuje wysoką impedancję dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, ale niską impedancję dla prądu zerowej sekwencji, co zapewnia niezawodne działanie ochrony przed uszkodzeniami ziemnymi.
Obecnie, transformatory ziemne zainstalowane w stacjach transformatorowych służą dwóch głównym celom:
Dostarczanie niskiego napięcia AC do użycia pomocniczego w stacji transformatorowej;
Tworzenie sztucznego punktu neutralnego po stronie 10 kV, który, po połączeniu z cewką dekompensującą (cewką Petersena), kompensuje prąd pojemnościowy uszkodzenia ziemnego przy uszkodzeniu ziemnym jednofazowym 10 kV, co prowadzi do wygaszenia łuku w punkcie uszkodzenia. Zasada działa następująco:
Wzdłuż całej długości przewodów w trójfazowym systemie energetycznym istnieje pojemność zarówno między fazami, jak i między każdą fazą a ziemią. Gdy neutralna sieć nie jest solidnie ziemiona, pojemność do ziemi fazy uszkodzonej staje się równa zero podczas uszkodzenia ziemnego jednofazowego, podczas gdy napięcia pozostałych dwóch faz wzrastają do √3 razy normalne napięcie fazowe. Chociaż to zwiększone napięcie pozostaje w granicach projektowych izolacji, zwiększa ich pojemność do ziemi. Prąd pojemnościowy uszkodzenia ziemnego podczas uszkodzenia jednofazowego wynosi około trzy razy normalny prąd pojemnościowy na fazę. Gdy ten prąd staje się duży, łatwo utrzymuje się przejściowe łuki, wywołując drgania rezonansowe w obwodzie indukcyjno-pojemnościowym sieci i generując nadnapięcia dochodzące do 2,5–3 razy napięcia fazowego. Im wyższe napięcie sieci, tym większe ryzyko związanego z tym nadnapięcia. Dlatego tylko systemy poniżej 60 kV mogą działać z niewspółczynnikiem punktu neutralnego, ponieważ ich pojedyncze prądy pojemnościowe uszkodzenia ziemnego pozostają małe. Dla systemów o wyższym napięciu, musi być użyty transformator ziemny, aby połączyć punkt neutralny przez impedancję.
Gdy jedna strona głównego transformatora stacji przekształtniczej (np. strona 10 kV) jest połączona w układzie trójkąta lub gwiazdy bez wywiedzionej neutrali, a jednofazowy prąd pojemnościowy do ziemii jest duży, nie ma dostępnej neutrali do ziemienia. W takich przypadkach stosuje się transformator ziemny, aby stworzyć sztuczną neutralę, umożliwiającą połączenie z cewką tłumienia łuków. Ta sztuczna neutrala pozwala systemowi kompensować prąd pojemnościowy i gasić łuki do ziemii – to jest podstawowa rola transformatora ziemnego.
W normalnym trybie pracy transformator ziemny odczuwa zrównoważone napięcia trójfazowe i prowadzi tylko niewielki prąd pobudzający, działając praktycznie bez obciążenia. Różnica potencjałów między neutralą a ziemią wynosi zero (z pominięciem niewielkiego napięcia przesunięcia neutrali spowodowanego przez cewkę tłumienia łuków), a przez cewkę nie płynie prąd. Jeśli na przykład faza C ulegnie uszkodzeniu do ziemii, powstające napięcie zerowej sekwencji (wywodzące się z asymetrii) płynie przez cewkę tłumienia łuków do ziemi. Cewka generuje prąd indukcyjny, który kompensuje prąd pojemnościowy uszkodzenia do ziemii, eliminując tym samym łuk – funkcjonalnie identyczne jak w przypadku samodzielnej cewki tłumienia łuków.
W ostatnich latach w pewnym regionie miały miejsce liczne błędy ochrony transformatorów ziemnych w stacjach przekształtniczych 110 kV, co poważnie wpłynęło na stabilność sieci. Aby zidentyfikować podstawowe przyczyny, przeprowadzono analizy, zastosowano poprawne działania i podzielono się lekcjami, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu i przewodniczyć innym regionom.
Z powodu zwiększającego się zastosowania kabli w sieciach 10 kV stacji przekształtniczych 110 kV, jednofazowe prądy pojemnościowe do ziemii znacznie wzrosły. Aby ograniczyć amplitudy przepięć podczas uszkodzeń do ziemii, wiele stacji przekształtniczych 110 kV instaluje teraz transformatory ziemne, aby zaimplementować ziemienie o niskim oporze, tworząc ścieżkę prądu zerowej sekwencji. Umożliwia to selektywną ochronę zerową do izolacji uszkodzeń do ziemii w zależności od lokalizacji, zapobiegając ponownemu zapalaniu łuków i zapewniając bezpieczne zaopatrzenie w energię.
Od 2008 roku w pewnym regionie przebudowano systemy 10 kV stacji przekształtniczych 110 kV na ziemienie o niskim oporze poprzez instalację transformatorów ziemnych i odpowiednich urządzeń ochronnych. To pozwala na szybkie izolowanie każdego uszkodzenia do ziemii linii 10 kV, minimalizując wpływ na sieć. Jednak niedawno pięć stacji przekształtniczych 110 kV w regionie doświadczyło wielokrotnych błędów ochrony transformatorów ziemnych, powodując awarie i zagrożenie stabilnością sieci. Stąd konieczne jest zidentyfikowanie przyczyn i wprowadzenie rozwiązań.
1. Analiza przyczyn błędów ochrony transformatorów ziemnych
Gdy linia 10 kV doświadcza uszkodzenia do ziemii, ochrona zerowa linii w stacji przekształtniczej 110 kV powinna działać jako pierwsza, aby izolować uszkodzenie. Jeśli to nie powiedzie, ochrona zerowa zapasowa transformatora ziemnego wyłącza przewód łączący i przełącznik głównego transformatora, aby ograniczyć uszkodzenie. Dlatego kluczowe jest prawidłowe działanie ochrony linii 10 kV i przełączników. Statystyczna analiza błędów w pięciu stacjach pokazuje, że główna przyczyna to awaria ochrony linii.
Ochrona zerowa linii 10 kV działa następująco: próbkowanie CT zerowego → inicjacja ochrony → wyłączenie przełącznika. Kluczowe elementy to CT zerowy, relé ochronne i przełącznik. Analiza skupia się na tych elementach:
1.1 Błędy CT zerowego powodujące błędy
Podczas uszkodzenia do ziemii, CT zerowy linii uszkodzonej wykrywa prąd uszkodzenia, uruchamiając jej ochronę. Jednocześnie, CT zerowy transformatora ziemnego również wykrywa prąd. Aby zapewnić selektywność, ustawienia ochrony linii (np. 60 A, 1.0 s) są niższe niż ustawienia transformatora ziemnego (np. 75 A, 1.5 s do wyłączenia przewodu łączącego, 2.5 s do wyłączenia głównego transformatora). Jednak błędy CT (np. -10% dla CT transformatora ziemnego, +10% dla CT linii) mogą sprawić, że rzeczywiste prądy wykrywania są niemal równe (67.5 A vs. 66 A), polegając jedynie na opóźnieniu czasowym. Zwiększa to ryzyko nadmiernego działania transformatora ziemnego.
1.2 Nieprawidłowe ziemienie osłony kabla powodujące błędy
Linie 10 kV używają kabli ekranowanych z osłoną ziemioną na obu końcach – powszechna praktyka redukowania zakłóceń EMI. CT zerowe są zwykle toroidalne, montowane wokół kabla w wyjściu szafy rozdzielczej. Podczas uszkodzenia do ziemii, niezbalansowany prąd indukuje sygnał w CT. Jednak jeśli osłona jest ziemiona na obu końcach, prądy cyrkulacyjne osłony również przechodzą przez CT, zniekształcając pomiary. Bez prawidłowej instalacji (np. przewód ziemienia osłony przechodzący poprawnie przez CT), ochrona linii może zawieść, powodując nadmierną pracę transformatora ziemnego.
1.3 Awaria ochrony linii powodująca błędy
Pomimo że relé oparte na mikroprocesorach oferują wysokie wydajności, jakość produktów jest różna. Powszechne awarie dotyczą modułów zasilania, próbkowania, CPU lub wyjścia do wyłączenia. Jeśli nie zostaną wykryte, mogą one powodować odmowę ochrony, prowadząc do błędów transformatora ziemnego.
1.4 Awaria przełącznika linii powodująca błędy
Starzenie, częste operacje lub niska jakość przełączników (zwłaszcza starszych typów GG-1A w obszarach wiejskich) zwiększa awaryjność. Wady obwodu sterującego – szczególnie spalone cewki wyłączenia – uniemożliwiają działanie przełącznika, nawet gdy ochrona komenduje wyłączenie, zmuszając zapasową ochronę transformatora ziemnego do działania.
1.5 Uszkodzenia do ziemii o wysokim impedancie na jednej lub dwóch liniach powodujące błędy
Jeśli dwie linie doświadczają jednocześnie uszkodzeń do ziemii o wysokim impedancie na tej samej fazie, indywidualne prądy zerowe (np. 40 A i 50 A) mogą pozostać poniżej progu wykrywania linii (60 A), ale ich suma (90 A) przekracza ustawienia transformatora ziemnego (75 A), powodując nadmierną pracę. Nawet pojedyncze ciężkie uszkodzenie o wysokim impedancie (np. 58 A) połączone z normalnym prądem pojemnościowym (np. 12–15 A) może zbliżyć się do 75 A. Zakłócenia systemowe mogą wtedy wywołać błędy.
2. Środki zapobiegające błędom
2.1 Radzenie sobie z błędami CT
Używaj wysokiej jakości CT zerowych; odrzucaj jednostki z błędem >5% podczas komisyjnego testowania; ustaw progi ochrony na podstawie wartości pierwotnych; zweryfikuj ustawienia poprzez testowanie z podawaniem pierwotnego prądu.
2.2 Poprawne ziemienie osłony kabla
Przewodź tarcze ziemne w dół przez transformator prądowy zero-sekwencyjny i izoluj od kanałów kablowych; unikaj kontaktu przed transformatorem.
Zostaw odsłonięte końce przewodników do testów; izoluj resztę.
Jeśli punkt ziemny tarczy znajduje się poniżej transformatora prądowego, nie przeprowadzaj go przez transformator. Unikaj umieszczania punktu ziemnego w oknie transformatora.
Szkolenie personelu ds. ochrony i kabli w zakresie prawidłowej instalacji.
Wymuszanie wspólnej kontroli przyjęcia przez zespoły relé, operacyjne i kablowe.
2.3 Zapobieganie odmowie ochrony
Używaj sprawdzonych, niezawodnych relé; zastępuj starzejące się lub uszkodzone jednostki; wzmacniaj konserwację; instaluj chłodzenie/wentylację, aby zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu.
2.4 Zapobieganie odmowie wyłącznika
Używaj niezawodnych, nowoczesnych wyłączników (np. typów sprężynowych lub napędzanych silnikiem); wycofuj stare szafy GG-1A; utrzymuj obwody sterujące; używaj wysokiej jakości cewek tripowych.
2.5 Zmniejszanie ryzyka wysokoodporowych uszkodzeń
Natychmiastowo badaj i czyszcz feedery, gdy wystąpią alarmy ziemne; skracaj długości feedrów; bilansuj obciążenia faz, aby zminimalizować normalną pojemnościową prąd.
3. Podsumowanie
Chociaż transformatory ziemne poprawiają strukturę i stabilność sieci, powtarzające się błędy wskazują na ukryte ryzyko. Ten artykuł analizuje kluczowe przyczyny i proponuje praktyczne rozwiązania, aby przewodniczyć regionom, które zainstalowały lub planują zainstalować transformatory ziemne.
Transformatory ziemne typu zigzag (Z)
W sieciach dystrybucyjnych 35 kV i 66 kV, wirowiska transformatorów są zwykle połączone w gwiazdę z dostępnym punktem neutralnym, co eliminuje potrzebę transformatorów ziemnych. Jednak w sieciach 6 kV i 10 kV, transformatory połączone trójkątnie nie mają punktu neutralnego, co wymaga transformatora ziemnego, aby go dostarczyć - głównie do podłączenia cewek hamowania łuku.
Transformatory ziemne używają połączeń wirowisk typu zigzag (Z): każde wirowisko fazowe jest podzielone między dwoma ramionami rdzenia. Zero-sekwencyjne indukcje magnetyczne z dwóch wirowisk znoszą się nawzajem, co powoduje bardzo niski opór zero-sekwencyjny (zwykle <10 Ω), niskie straty bezobciążeniowe i wykorzystanie ponad 90% nominalnej mocy. W przeciwieństwie do tradycyjnych transformatorów, które mają znacznie wyższy opór zero-sekwencyjny, ograniczając moc cewek hamowania łuku do ≤20% mocy transformatora. Dlatego transformatory typu Z są optymalne dla zastosowań ziemnych.
Gdy napięcie niezrównoważone systemu jest duże, zrównoważone wirowiska typu Z są wystarczające do pomiarów. W systemach o niskim stopniu niezrównoważenia (np. sieciach kablowych) neutralna jest zaprojektowana tak, aby generować 30–70 V napięcia niezrównoważonego do potrzeb pomiarowych.
Transformatory ziemne mogą również zaopatrywać w obciążenia wtórne, działając jako transformatory stacjonarne. W takich przypadkach nominalna moc główna równa się sumie mocy cewek hamowania łuku i mocy obciążenia wtórnego.
Podstawowym zadaniem transformatora ziemnego jest dostarczanie prądu kompensacyjnego uszkodzenia ziemnego.
Rysunek 1 i Rysunek 2 pokazują dwa popularne połączenia transformatorów ziemnych typu Z: ZNyn11 i ZNyn1. Zasada niskiego oporu zero-sekwencyjnego jest następująca: każde ramię rdzenia zawiera dwa identyczne wirowiska połączone z różnymi napięciami fazowymi. Pod wpływem napięć dodatniej lub ujemnej sekwencji siła magnetyczna (MMF) na każdym ramieniu jest wektorową sumą dwóch MMF faz. Trzy MMF ramienne są zrównoważone i oddalone o 120°, tworząc zamkniętą ścieżkę magnetyczną z niską reluctancją, wysokim natężeniem magnetycznym, wysokim napięciem indukowanym i tym samym wysokim oporem magnetyzującym.
Pod wpływem napięcia zero-sekwencyjnego, dwa wirowiska na każdym ramieniu tworzą równe, ale przeciwne MMF, co prowadzi do zerowego całkowitego MMF na każdym ramieniu. Żaden przepływ zero-sekwencyjny nie płynie w rdzeniu; zamiast tego krąży przez zbiornik i otaczającą go medium, napotykając dużą reluctancję. W rezultacie, zero-sekwencyjny przepływ i opór są bardzo niskie.
