Анализ причин неправильного срабатывания защиты заземляющего трансформатора
В китайской энергетической системе сети на 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ обычно используют режим работы с незаземленной нейтральной точкой. Сторона распределения напряжения основных трансформаторов в сети обычно соединяется в треугольной конфигурации, что не предоставляет нейтральную точку для подключения заземляющих резисторов. При возникновении однофазного замыкания на землю в системе с незаземленной нейтральной точкой треугольник линейных напряжений остается симметричным, что вызывает минимальные нарушения в работе пользователей. Кроме того, когда емкостный ток относительно мал (менее 10 А), некоторые переходные замыкания на землю могут самопроизвольно прекращаться, что высокоэффективно для повышения надежности электроснабжения и снижения аварийных отключений.
Однако, с постоянным расширением и развитием энергетической отрасли, этот простой метод больше не удовлетворяет текущим потребностям. В современных городских энергосистемах увеличивающееся использование кабельных цепей привело к значительному увеличению емкостных токов (превышающих 10 А). В таких условиях дуга замыкания на землю не может быть надежно погашена, что приводит к следующим последствиям:
Периодическое гашение и воспламенение однофазной дуги на земле может создавать перенапряжения дугового замыкания на землю с амплитудами, достигающими до 4U (где U — пиковая фазная напряженность) или даже выше, продолжительностью в течение длительного времени. Это представляет серьезную угрозу изоляции электрооборудования, потенциально вызывая пробои в слабых местах изоляции и приводя к значительным потерям.
Постоянное горение дуги ионизирует окружающий воздух, ухудшая его изолирующие свойства и увеличивая вероятность коротких замыканий между фазами.
Могут возникнуть феррорезонансные перенапряжения, легко повреждающие трансформаторы напряжения и ограничители перенапряжений, потенциально даже вызывая взрывы ограничителей. Эти последствия серьезно угрожают целостности изоляции оборудования сети и безопасной эксплуатации всей энергосистемы.
Для предотвращения таких инцидентов и обеспечения достаточного нулевого последовательного тока и напряжения для надежной работы защиты от замыканий на землю необходимо создать искусственную нейтральную точку, чтобы можно было подключить заземляющий резистор. Эта необходимость привела к разработке заземляющих трансформаторов (обычно называемых "заземляющими трансформаторами" или "заземляющими устройствами"). Заземляющий трансформатор искусственно создает нейтральную точку с заземляющим резистором, обычно имеющим очень низкое сопротивление (обычно менее 5 ом).
Кроме того, благодаря своим электромагнитным характеристикам, заземляющий трансформатор представляет высокое сопротивление положительным и отрицательным последовательным токам, позволяя только небольшому возбуждающему току проходить через свои обмотки. На каждом стержне сердечника наматываются две секции обмоток в противоположных направлениях. Когда через эти обмотки текут равные нулевые последовательные токи, они демонстрируют низкое сопротивление, что приводит к минимальному падению напряжения на обмотках при нулевых последовательных условиях.
В частности, при замыкании на землю обмотка несет положительные, отрицательные и нулевые последовательные токи. Она представляет высокое сопротивление положительным и отрицательным последовательным токам, но низкое сопротивление нулевым последовательным токам. Это происходит потому, что в одной и той же фазе две обмотки соединены последовательно с противоположными полярностями; их индуцированные электродвижущие силы равны по величине, но противоположны по направлению, эффективно компенсируя друг друга, тем самым представляя низкое сопротивление нулевым последовательным токам.
Во многих применениях заземляющие трансформаторы используются исключительно для создания нейтральной точки с небольшим заземляющим резистором и не обеспечивают вторичную нагрузку. Поэтому многие заземляющие трансформаторы проектируются без вторичной обмотки. Во время нормальной работы сети заземляющий трансформатор работает практически в холостом режиме. Однако во время аварии он несет аварийный ток только на короткий промежуток времени. В системе с низкоомным заземлением, когда на стороне 10 кВ возникает однофазное замыкание на землю, высокочувствительная защита нулевой последовательности быстро определяет и временно изолирует аварийную линию.
Заземляющий трансформатор активен только в кратковременный интервал между возникновением аварии и срабатыванием защиты нулевой последовательности линии. В это время нулевой последовательный ток протекает через нейтральный заземляющий резистор и заземляющий трансформатор, следуя формуле: I_R = U / (R₁ + R₂), где U — фазное напряжение системы, R₁ — нейтральный заземляющий резистор, а R₂ — дополнительное сопротивление в контуре замыкания на землю.
На основе вышеуказанного анализа, рабочие характеристики заземляющего трансформатора заключаются в длительной работе в холостом режиме и кратковременной перегрузке во время аварий.
В заключение, заземляющий трансформатор искусственно создает нейтральную точку для подключения заземляющего резистора. При замыкании на землю он демонстрирует высокое сопротивление положительным и отрицательным последовательным токам, но низкое сопротивление нулевым последовательным токам, что обеспечивает надежную работу защиты от замыканий на землю.
В настоящее время заземляющие трансформаторы, установленные в подстанциях, выполняют две основные функции:
Обеспечение низковольтного переменного тока для вспомогательного использования на подстанции;
Создание искусственной нейтральной точки на стороне 10 кВ, которая, в сочетании с дугогасящей катушкой (катушкой Петерсена), компенсирует емкостный ток замыкания на землю при однофазном замыкании на землю 10 кВ, тем самым гася дугу в месте аварии. Принцип следующий:
Вдоль всей длины проводников трехфазной энергосистемы существует емкость как между фазами, так и между каждой фазой и землей. Когда нейтраль сети не жестко заземлена, емкость к земле аварийной фазы становится нулевой при однофазном замыкании на землю, в то время как напряжения двух других фаз повышаются до √3 раз нормального фазного напряжения. Хотя это повышенное напряжение остается в пределах проектных ограничений изоляции, оно увеличивает их емкость к земле. Емкостный ток замыкания на землю при однофазном замыкании примерно в три раза превышает нормальный емкостный ток каждой фазы. Когда этот ток становится большим, он легко поддерживает периодические дуги, возбуждая резонансные колебания в индуктивно-емкостной цепи сети и генерируя перенапряжения до 2,5–3 раз фазного напряжения. Чем выше сетевое напряжение, тем выше риск от таких перенапряжений. Поэтому только системы ниже 60 кВ могут работать с незаземленной нейтралью, так как их однофазные емкостные токи замыкания на землю остаются небольшими. Для систем более высокого напряжения необходимо использовать заземляющий трансформатор для подключения нейтральной точки через импеданс.
Когда одна сторона основного трансформатора подстанции (например, сторона 10 кВ) соединена в треугольник или звезду без выведенной нейтрали, и однофазный емкостный ток земли велик, нет доступной точки нейтрали для заземления. В таких случаях используется заземляющий трансформатор для создания искусственной точки нейтрали, что позволяет подключить дугогасительную катушку. Эта искусственная нейтраль позволяет системе компенсировать емкостный ток и погасить дуги — это основная роль заземляющего трансформатора.
Во время нормальной работы заземляющий трансформатор испытывает сбалансированное трехфазное напряжение и несет только малый возбуждающий ток, фактически работая без нагрузки. Разность потенциалов между нейтралью и землей равна нулю (пренебрегая незначительным смещением нейтрали от дугогасительной катушки), и через катушку не протекает ток. Если, например, фаза C имеет замыкание на землю, возникающее нулевое последовательное напряжение (получаемое из-за асимметрии) проходит через дугогасительную катушку к земле. Катушка генерирует индуктивный ток, который компенсирует емкостный ток замыкания на землю, тем самым устраняя дугу — функционально это идентично работе отдельной дугогасительной катушки.
В последние годы в определенном регионе произошло несколько неправильных срабатываний защиты заземляющих трансформаторов на подстанциях 110 кВ, что серьезно повлияло на стабильность сети. Для выявления причин были проведены анализы, внедрены корректирующие меры, и опыт был распространен, чтобы предотвратить повторение и руководить другими регионами.
С увеличением использования кабельных линий в 10-киловольтовых сетях подстанций 110 кВ, однофазные емкостные токи земли значительно возросли. Чтобы подавить величину перенапряжений при замыканиях на землю, многие подстанции 110 кВ теперь устанавливают заземляющие трансформаторы для реализации малого сопротивления заземления, создавая путь для нулевого последовательного тока. Это позволяет селективной защите по нулевой последовательности изолировать замыкания на землю в зависимости от их местоположения, предотвращая повторное возгорание дуги и обеспечивая безопасное электроснабжение.
С 2008 года в определенном регионе системы 10 кВ подстанций 110 кВ были модернизированы до малого сопротивления заземления путем установки заземляющих трансформаторов и соответствующих устройств защиты. Это позволяет быстро изолировать любое замыкание на землю на 10-киловольтовой линии, минимизируя влияние на сеть. Однако недавно пять подстанций 110 кВ в этом регионе столкнулись с повторными неправильными срабатываниями защиты заземляющих трансформаторов, вызывающими отключения и угрожающими стабильности сети. Поэтому важно выявить причины и внедрить решения.
1. Анализ причин неправильного срабатывания защиты заземляющего трансформатора
При замыкании на землю 10-киловольтовой линии защита по нулевой последовательности на подстанции 110 кВ должна сработать первой, чтобы изолировать неисправность. Если она не сработает, резервная защита по нулевой последовательности заземляющего трансформатора отключит секционный выключатель и выключатель основного трансформатора, чтобы ограничить неисправность. Поэтому правильная работа защиты и выключателей 10-киловольтовой линии критически важна. Статистический анализ неправильных срабатываний на пяти подстанциях показывает, что основной причиной является отказ защиты линии.
Защита по нулевой последовательности 10-киловольтовой линии работает следующим образом: трансформатор тока нулевой последовательности берет образец → защита активируется → выключатель отключается. Ключевые компоненты — это трансформатор тока нулевой последовательности, реле защиты и выключатель. Анализ сосредоточен на этих:
1.1 Ошибки трансформатора тока нулевой последовательности, вызывающие неправильное срабатывание
При замыкании на землю трансформатор тока нулевой последовательности неисправной линии обнаруживает ток неисправности, запуская свою защиту. Одновременно трансформатор тока нулевой последовательности заземляющего трансформатора также чувствует этот ток. Чтобы обеспечить селективность, настройки защиты линии (например, 60 А, 1,0 с) ниже, чем настройки заземляющего трансформатора (например, 75 А, 1,5 с для отключения секционного выключателя, 2,5 с для отключения основного трансформатора). Однако ошибки трансформатора тока (например, -10% для трансформатора тока заземляющего трансформатора, +10% для трансформатора тока линии) могут сделать фактические значения тока почти равными (67,5 А против 66 А), полагаясь только на временную задержку. Это увеличивает риск превышения заземляющим трансформатором своих настроек.
1.2 Неправильное заземление экрана кабеля, вызывающее неправильное срабатывание
10-киловольтовые линии используют экранированные кабели с экраном, заземленным на обоих концах — это общая практика для снижения электромагнитных помех. Трансформаторы тока нулевой последовательности обычно имеют торцевую форму и устанавливаются вокруг кабеля на выходе коммутационного оборудования. При замыкании на землю несимметричный ток индуцирует сигнал в трансформаторе тока. Однако если экран заземлен на обоих концах, циркулирующие токи экрана также проходят через трансформатор тока, искажая измерение. Без правильной установки (например, провод заземления экрана правильно проходит через трансформатор тока) защита линии может не сработать, вызывая превышение настроек заземляющего трансформатора.
1.3 Отказ защиты линии, вызывающий неправильное срабатывание
Хотя микропроцессорные реле обеспечивают высокую производительность, качество продукции может варьироваться. Общие отказы связаны с питанием, сбором данных, процессором или модулем управления отключением. Если эти проблемы остаются незамеченными, они могут привести к отказу защиты, вызывая неправильное срабатывание заземляющего трансформатора.
1.4 Отказ выключателя линии, вызывающий неправильное срабатывание
Старение, частые операции или низкокачественные выключатели (особенно старые типы GG-1A в сельской местности) увеличивают вероятность отказов. Неисправности в цепях управления, особенно горящие катушки отключения, препятствуют работе выключателя даже при команде защиты на отключение, вынуждая резервную защиту заземляющего трансформатора действовать.
1.5 Высокоомные замыкания на землю на одной или двух линиях, вызывающие неправильное срабатывание
Если две линии одновременно имеют высокоомные замыкания на землю на одной и той же фазе, индивидуальные токи нулевой последовательности (например, 40 А и 50 А) могут оставаться ниже порога срабатывания линии (60 А), но их сумма (90 А) превышает настройки заземляющего трансформатора (75 А), вызывая превышение. Даже одно серьезное высокоомное замыкание (например, 58 А) в сочетании с нормальным емкостным током (например, 12–15 А) может приближаться к 75 А. Вмешательства в систему могут тогда вызвать неправильное срабатывание.
2. Меры по предотвращению неправильного срабатывания
2.1 Устранение ошибок трансформатора тока
Используйте качественные трансформаторы тока нулевой последовательности; отвергайте устройства с погрешностью более 5% при вводе в эксплуатацию; устанавливайте пороги защиты на основе первичных значений; проверяйте настройки с помощью тестирования первичного впрыска.
2.2 Исправление заземления экрана кабеля
Пропустите защитные заземляющие провода вниз через нулевой дифференциальный трансформатор и изолируйте их от кабельных лотков; избегайте контакта перед трансформатором.
Оставьте открытые концы проводников для тестирования; изолируйте остальные части.
Если точка заземления экрана находится ниже трансформатора, не пропускайте ее через трансформатор. Избегайте размещения точки заземления внутри окна трансформатора.
Обучите персонал по защите и кабелям правильной установке.
Обеспечьте совместные приемочные проверки командами реле, эксплуатации и кабелей.
2.3 Предотвращение отказа защиты
Используйте проверенные, надежные реле; заменяйте стареющие или неисправные устройства; улучшайте обслуживание; устанавливайте системы охлаждения/вентиляции, чтобы предотвратить перегрев.
2.4 Предотвращение отказа выключателя
Используйте надежные, современные выключатели (например, пружинного или электромоторного заряда герметичного типа); выводите из эксплуатации старые шкафы GG-1A; поддерживайте цепи управления; используйте высококачественные катушки отключения.
2.5 Снижение рисков высокого импеданса
Быстро расследуйте и устраняйте питатели при возникновении сигналов заземления; сокращайте длины питателей; балансируйте фазные нагрузки, чтобы минимизировать нормальную емкостную ток.
3. Заключение
Хотя заземляющие трансформаторы улучшают структуру и стабильность сети, повторяющиеся ошибки в работе указывают на скрытые риски. В данной статье анализируются ключевые причины и предлагаются практические решения, которые помогут регионам, где установлены или планируется установка заземляющих трансформаторов.
Зигзагообразные (Z-типа) заземляющие трансформаторы
В распределительных сетях 35 кВ и 66 кВ обмотки трансформаторов обычно соединены в звезду с доступной нейтральной точкой, что исключает необходимость в заземляющих трансформаторах. Однако в сетях 6 кВ и 10 кВ, где трансформаторы соединены треугольником, отсутствует нейтральная точка, что требует использования заземляющего трансформатора для ее создания — главным образом для подключения катушек подавления дуги.
Заземляющие трансформаторы используют зигзагообразное (Z-типа) соединение обмоток: каждая фазная обмотка разделена на две части, расположенные на двух стержнях сердечника. Нулевые последовательности магнитного потока от двух обмоток компенсируют друг друга, что приводит к очень низкому нулевому импедансу (обычно <10 Ω), низким потерям холостого хода и использованию более 90% номинальной мощности. В отличие от обычных трансформаторов, у которых нулевой импеданс намного выше, ограничивая мощность катушек подавления дуги до ≤20% мощности трансформатора, Z-типа трансформаторы оптимальны для заземления.
При большом напряжении несимметрии системы достаточно сбалансированных Z-типа обмоток для измерений. В системах с низкой несимметрией (например, полностью кабельных сетях) нейтральная точка проектируется таким образом, чтобы создавать напряжение несимметрии 30–70 В для нужд измерений.
Заземляющие трансформаторы также могут снабжать вторичные нагрузки, выполняя функцию трансформаторов собственных нужд. В таких случаях номинальная мощность первичной обмотки равна сумме мощности катушек подавления дуги и мощности вторичной нагрузки.
Основная функция заземляющего трансформатора — обеспечение тока компенсации при однофазных коротких замыканиях на землю.
Рисунки 1 и 2 показывают два распространенных соединения заземляющих трансформаторов Z-типа: ZNyn11 и ZNyn1. Принцип низкого нулевого импеданса заключается в следующем: каждый стержень сердечника содержит две одинаковые обмотки, подключенные к разным фазным напряжениям. При положительной или отрицательной последовательности напряжения магнитодвижущая сила (МДС) на каждом стержне является векторной суммой двух фазных МДС. Три МДС на стержнях сбалансированы и находятся под углом 120°, образуя замкнутый магнитный путь с низким сопротивлением, высоким потоком, высоким индуцированным напряжением и, следовательно, высоким магнитным импедансом.
При нулевой последовательности напряжения две обмотки на каждом стержне создают равные, но противоположные МДС, что приводит к нулевой чистой МДС на каждом стержне. Нулевой последовательности магнитный поток не протекает в сердечнике; вместо этого он циркулирует через бак и окружающую среду, встречая высокое сопротивление. В результате нулевой последовательности магнитный поток и импеданс очень низки.
