Analiza vzrokov za napačno delovanje zaščite talnega transformatorja
V kitajskem električnem sistemu omrežja z napetostjo 6 kV, 10 kV in 35 kV običajno uporabljajo način delovanja z nezazemljenim neutralnim točkom. Distribucijska stran glavnih transformatorjev v omrežju je običajno povezana v trikotniško konfiguracijo, ki ne nudi neutralnega točka za povezavo z zazemlilnimi uporniki. Ko se v sistemu z nezazemljenim neutralnim točkom zgodi enofazni zazemljeni krmelj, ostane trikotnik faznih napetosti simetričen, kar povzroča minimalne motnje pri operacijah uporabnikov. Poleg tega, ko je kapacitivni tok relativno majhen (manj kot 10 A), se nekateri prehodni zazemljeni krmelji lahko sami izgasejo, kar je zelo učinkovito za izboljšanje zanesljivosti oskrbe s strujom in zmanjševanje incidentov odrezovanja.
Vendar pa ta preprost način s podaljševanjem in razvojem elektroenergetske industrije več ni več v skladu z trenutnimi zahtevami. V sodobnih urbanih električnih omrežjih se čedalje bolj uporabljajo kabelske vezave, kar povzroča znatno višje kapacitivne toke (presegajo 10 A). V takšnih pogojih krmelj zazemljenja ne more zanesljivo izgoreti, kar ima naslednje posledice:
Intermitentno izgorevanje in ponovno zapaljanje enofaznega zazemljenega krmelja lahko ustvari pretok-zazemljenje z nadnapetostmi, ki dosežejo do 4U (kjer je U vrhovna fazna napetost) ali celo višje, trajajoči dolgo časa. To predstavlja resno grožnjo za izolacijo električnega oprem, ki lahko povzroči propade na šibkih točkah izolacije in s tem velike izgube.
Trajno goreč krmelj jonizira okoliščni zrak, zaradi česar se njegove izolacijske lastnosti zmanjšajo in se poveča verjetnost fazi-fazi krajšnih zazemljenj.
Lahko nastanejo feromagnetske nadnapetosti, ki lahko enostavno poškodujejo napetostne transformatorje in preplavljalnike – potencialno celo do eksplozije preplavljalnika. Te posledice hudo ogrožajo integriteto izolacije opreme v omrežju in ohrožajo varno delovanje celotnega električnega sistema.
Za preprečevanje takšnih incidentov in zagotavljanje zadostnega niclevnega toka in napetosti za zanesljivo delovanje zaščite pred zazemljenimi krmelji, mora biti ustvarjen umetni neutralni toček, da se lahko poveže zazemlilni upornik. Ta potreba je vodila k razvoju zazemlilnih transformatorjev (običajno se imenujejo "zazemlilni transformatorji" ali "zazemlilne enote"). Zazemlilni transformator umetno ustvari neutralni toček s zazemlilnim upornikom, ki običajno ima zelo nizki upor (običajno manj kot 5 ohmov).
Dodatno, zaradi svojih elektromagnetnih lastnosti, zazemlilni transformator predstavlja visoki upornost za pozitivne in negativne tokove, tako da lahko skozi njegove naviječe teče le majhen vzbušni tok. Na vsaki žarnici jeda sta navita dva odseka naviječev v nasprotni smeri. Ko skozi ti naviječi tečejo enaki niclevni tokovi, kažejo nizki upornost, kar povzroči minimalni padec napetosti skozi naviječe v stanju niclevnega toka.
Natančneje, med zazemljenim krmeljem, naviječ nosi pozitivne, negativne in niclevne tokove. Predstavlja visoki upornost za pozitivne in negativne tokove, a nizki upornost za niclevne tokove. To je zaradi tega, ker v isti fazi sta dva naviječa serije povezana v nasprotni polarnosti; njuni inducirani elektromotorna sila so enaki v velikosti, a nasprotni v smeri, kar v praksi pomeni, da se izenačijo in tako predstavljajo nizki upornost za niclevne tokove.
V mnogih aplikacijah se zazemlilni transformatorji uporabljajo samo za ustvarjanje neutralnega točka s majhnim zazemlilnim upornikom in ne zagotavljajo nobene sekundarne bremene. Zato je veliko zazemlilnih transformatorjev zasnovanih brez sekundarnih naviječev. Med normalnim delovanjem omrežja zazemlilni transformator deluje praktično brez bremena. Vendar pa med krmeljem nosi krmeljski tok le za kratko obdobje. V sistemu z nizkim upornostjo zazemljenja, ko se na strani 10 kV zgodi enofazni zazemljeni krmelj, zelo občutljiva niclevna zaščita hitro zazna in začasno izloči krmeljeno vezavo.
Zazemlilni transformator je aktiviran le za kratko obdobje med nastankom krmelja in delovanjem niclevne zaščite vezave. Med tem obdobjem teče niclevni tok skozi zazemlilni upornik in zazemlilni transformator, glede na formulo: I_R = U / (R₁ + R₂), kjer je U sistemski fazni tok, R₁ zazemlilni upornik in R₂ dodatni upornost v zazemljenem krmeljnem krugu.
Na podlagi zgornje analize so operacijske značilnosti zazemlilnega transformatorja: dolgoročno delovanje brez bremena in kratkorono preobremenje med krmelji.
Z drugimi besedami, zazemlilni transformator umetno ustvari neutralni toček za povezavo zazemlilnega upornika. Med zazemljenim krmeljem kaže visoki upornost za pozitivne in negativne tokove, a nizki upornost za niclevne tokove, s tem zagotavlja zanesljivo delovanje zaščite pred zazemljenimi krmelji.
Trenutno služijo zazemlilni transformatorji, nameščeni v preobrazovalnicah, dvema glavnima namenoma:
Oskrba z nizkonapetostno stikalno strujno energijo za pomožno rabo v preobrazovalnici;
Ustvarjanje umetnega neutralnega točka na strani 10 kV, ki, združen z arčnim zazemljenjem (Petersenovo spiralo), kompenzira kapacitivni zazemljeni tok med 10 kV enofaznimi zazemljenimi krmelji, s tem izgasi krmelj na mestu krmelja. Principe je naslednji:
Vzdolž celega dolžine vodnikov v trifaznem električnem omrežju obstaja kapacitivnost med fazami in med vsako fazo in zemljo. Ko je neutralni toček omrežja nezazemljen, postane kapacitivnost zemlje krmeljene faze nič, medtem ko se napetosti drugih dveh faz povečata na √3-krat normalno fazno napetost. Čeprav ta povečana napetost ostane znotraj mej izolacijskega projekta, poveča njihovo kapacitivnost do zemlje. Kapacitivni zazemljeni tok med enofaznim krmeljem je približno trikrat večji od običajnega kapacitivnega toka po fazi. Ko ta tok postane velik, lahko enostavno ohranja intermitentne krmelje, ki vzbuja resonantne oscilacije v induktivno-kapacitivnem krugu omrežja in ustvari nadnapetosti do 2,5–3-krat fazne napetosti. Številčnejši omrežni tok, večja je tveganja zaradi takšnih nadnapetosti. Zato lahko samo sistemi pod 60 kV delujejo z nezazemljenim neutralnim točkom, saj so njihovi enofazni kapacitivni zazemljeni toki majhni. Za višje napetostne sisteme mora biti uporabljen zazemlilni transformator, da se poveže neutralni toček preko impedanc.
Ko ena stran glavnega transformatorja podstane (na primer, 10 kV stran) povezana je v delta ali wye brez izvedenega neutralnega točka in enofazni kapacitivni tok talne veze je velik, ni na voljo nobenega neutralnega točka za taljenje. V takšnih primerih se uporablja talni transformator, da ustvari umetno neutralno točko, omogoča povezavo s koilom za uganjanje lukov. Ta umetna neutrala omogoča sistemu, da kompenzira kapacitivni tok in ugne luke—osnovna vloga talnega transformatorja.
Med normalno delovanjem talni transformator doživi uravnotežen tri-fazni napon in nosi le majhen vzbušni tok, deluje bistveno nepoln. Razlika potencialov med neutralom in tla je nič (z zanemaritvijo majhnega odmika neutralnega napona zaradi koila za uganjanje lukov) in skozi koil ne teče tok. Če na primer faza C trpi talni odklon, rezultirajoči nizki zaporedni napon (izveden iz asimetrije) teče skozi koil za uganjanje lukov do tla. Koil generira induktivni tok, ki kompenzira kapacitivni talni tok, s tem ugne luk—funkcionalno identično samostojnemu koilu za uganjanje lukov.
V zadnjih letih je prišlo do več nesporazumov pri zaščiti talnega transformatorja v 110 kV podstanicah v določeni regiji, kar je resno vplivalo na stabilnost omrežja. Za odkritje osnovnih vzrokov so bile izvedene analize, sprejete popravke in izkušnje razdeljene, da se prepreči ponovitev in usmeri druge regije.
S povečanim uporabo kabelskih vodil v 10 kV omrežjih 110 kV podstanic je enofazni kapacitivni tok talne veze zelo narastel. Da bi se zmanjšale višine prekomernih naponov ob talnih odklonih, zdaj mnoge 110 kV podstanice nameščajo talne transformatorje za izvedbo nizko-ohomskih taljenj, ustanavljajo nizko-ohomski tok nizkega zaporedja. To omogoča selektivno zaščito nizkega zaporedja, da izloči talne odklone glede na lokacijo, prepreči ponovno zajetje lukov in zagotovi varno oskrbo z energijo.
Od leta 2008 je določena regija modernizirala svoje 10 kV sisteme 110 kV podstanic na nizko-ohomsko taljenje z namestitvijo talnih transformatorjev in pripadajočih zaščitnih naprav. To omogoča hitro izločanje kateregakoli talnega odklona 10 kV vodil, z minimalnim vplivom na omrežje. Vendar je nedavno pet 110 kV podstanic v regiji doživelo ponavljajoče se nesporazume pri zaščiti talnega transformatorja, kar je povzročilo izpadove in ohrozilo stabilnost omrežja. Zato je ključno odkriti vzroke in izvesti rešitve.
1. Analiza vzrokov nesporazumov pri zaščiti talnega transformatorja
Ob talnem odklonu 10 kV vodila naj bi prvi delovala zaščita nizkega zaporedja vodila 110 kV podstanice, da izloči odklon. Če to spomiše, zaščita nizkega zaporedja talnega transformatorja kot rezervna zaščita prekine spojnik busa in prekine preklopnik glavnega transformatorja, da omeji odklon. Torej je ključno, da pravilno deluje zaščita 10 kV vodil in preklopniki. Statistična analiza nesporazumov v petih podstanicah kaže, da je glavni vzrok neuspeh zaščite vodil.
Zaščita nizkega zaporedja 10 kV vodil deluje tako: merilni nizki zaporedni transformator vzame vzorce → zaščita se aktivira → preklopnik prekine. Ključni komponente so nizki zaporedni transformator, relé zaščite in preklopnik. Analiza se osredotoča na te:
1.1 Napake nizkih zaporednih transformatorjev, ki povzročajo nesporazume
Ob talnem odklonu nizki zaporedni transformator vodila zazna tok odklona, sproži njegovo zaščito. Hkrati nizki zaporedni transformator talnega transformatorja tudi zazna tok. Za zagotavljanje selektivnosti so postavke zaščite vodil (na primer, 60 A, 1,0 s) manjše od postavk zaščite talnega transformatorja (na primer, 75 A, 1,5 s za prekinitve spojnike busa, 2,5 s za prekinitve glavnega transformatorja). Vendar lahko napake nizkih zaporednih transformatorjev (na primer, -10% za nizki zaporedni transformator talnega transformatorja, +10% za nizki zaporedni transformator vodil) naredijo dejanske tokove skoraj enake (67,5 A vs. 66 A), kar se opira samo na časovni zamik. To poveča tveganje preseganja talnega transformatorja.
1.2 Napačno taljenje ščitnice kabela, ki povzroča nesporazume
10 kV vodila uporabljajo ščiten kabel, katerega ščitnice so taljene na obeh koncih—običajna praksa za zmanjševanje EMI. Nizki zaporedni transformatorji so tipično toroidalni, nameščeni okoli kabela pri izstopu preklopnika. Ob talnem odklonu neravnotežni tok inducira signal v nizkem zaporednem transformatorju. Vendar, če je ščitnica taljena na obeh koncih, cirkulirajoči toki ščitnice tudi pretečejo skozi nizki zaporedni transformator, kar izkrivi meritve. Brez pravilne namestitve (na primer, talni žice ščitnice pravilno pretečejo skozi nizki zaporedni transformator) lahko zaščita vodil spomiše, kar povzroči preseganje talnega transformatorja.
1.3 Neuspeh zaščite vodil, ki povzroča nesporazume
Čeprav mikroprocesorska relé ponujajo visoko zmogljivost, se kakovost izdelkov razlikuje. Pogosti neuspehi vključujejo napajanje, vzorčenje, CPU ali izhodne moduli za prekinitve. Če ostanejo neodkriti, lahko to povzroči odvisnost zaščite, kar vodi do nesporazumov pri zaščiti talnega transformatorja.
1.4 Neuspeh preklopnika vodil, ki povzroča nesporazume
Staranje, pogoste operacije ali slaba kakovost preklopnikov (posebej starejši tipi GG-1A v podeželju) povečujejo stopnjo neuspehov. Napaki v nadzornih krugih, posebej zgoreli navoji za prekinitve, preprečujejo delovanje preklopnika, tudi ko zaščita ukaze prekinitev, s tem prisili zaščito talnega transformatorja, da deluje kot rezerva.
1.5 Visokohomski talni odkloni na enem ali dveh vodilih, ki povzročajo nesporazume
Če dva vodila hkrati doživita visokohomski talni odklon na isti fazi, posamezni nizki zaporedni toki (na primer, 40 A in 50 A) lahko ostanejo pod vnosom vodil (60 A), vendar njun seštevek (90 A) preseže nastavitev talnega transformatorja (75 A), kar povzroči preseganje. Še en samostojen visokohomski odklon (na primer, 58 A) kombiniran z normalnim kapacitivnim tokom (na primer, 12–15 A) lahko približa 75 A. Motnje sistema lahko potem sprožijo nesporazume.
2. Merila za preprečevanje nesporazumov
2.1 Reševanje napak nizkih zaporednih transformatorjev
Uporabite visokokakovostne nizke zaporedne transformatorje; zavržite enote s napako >5% med vpeljavo v uporabo; nastavite pragove zaščite na osnovi primarnih vrednosti; preverite nastavitve s pomočjo preskusov s primarnim vmetom.
2.2 Pravilno taljenje ščitnice kabela
Vodite ščitne zemljske žice dol po nulti sekvenci CT in izolirajte od kablinskih nosilcev; izogibajte se stiku pred CT.
Pustite odkrito konci vodil za preizkušanje; ostalo izolirajte.
Če je točka ščitnega zemljovanja spodaj CT, ga ne vodite skozi CT. Izogibajte se postavljanju točke zemljovanja znotraj okna CT.
Izobražujte osebje za zaščito in kablove o pravilni namestitvi.
Uresničevajte združene preglednice sprejema s strani relayskih, operativnih in kablinskimi ekipami.
2.3 Preprečevanje zavrnitve zaščite
Uporabljajte preizkano, zanesljiva releja; zamenjajte starajoče ali defektne enote; izboljšajte vzdrževanje; namestite hlaščenje/ventilacijo za preprečevanje preseganja temperature.
2.4 Preprečevanje zavrnitve prekinitelja
Uporabljajte zanesljive, moderne prekinitelje (npr., vrtni ali motorji z zaprto obliko); fazonirajte stare omari tipa GG-1A; vzdržujte kontrolne krge; uporabljajte visokokakovostne zavojnine za prekid.
2.5 Zmanjševanje tveganj pri visoko-impedančnih napakah
Hitro preučite in razrešite podajalnike, ko se pojavi zemeljsko opozarjanje; zmanjšajte dolžine podajalnikov; uravnotežite fazne obremenitve, da zmanjšate normalno kapacitivni tok.
3. Zaključek
Medtem ko transformatorji zemljanja povečujejo strukturo in stabilnost mreže, ponavljajoče se napačne operacije izpostavljajo skrite tveganja. Ta članek analizira ključne vzroke in predlaga praktične rešitve za usmerjanje regij, ki so namestili ali načrtujejo namestitev transformatorjev zemljanja.
Zigzag (Z-tip) Transformatorji zemljanja
V distribucijskih omrežjih na 35 kV in 66 kV so navidezni deli transformatorjev običajno vezani v wye z dostopnim neutralnim točkom, kar onemogoča potrebo po transformatorjih zemljanja. Vendar v omrežjih na 6 kV in 10 kV, kjer so transformatorji vezani v delta, ni neutralnega točka, zato je potreben transformator zemljanja, da bi zagotovil enega – predvsem za povezavo z drsnikom za ugasanje luknj.
Transformatorji zemljanja uporabljajo zigzag (Z-tip) vezave navideznih delov: vsak fazni navidezni del je razdeljen med dva jarka jedra. Nulte sekvence magnetne fluksa iz dveh navideznih delov se izničita, kar povzroči zelo nizko nulto sekvenco impedanc (običajno <10 Ω), nizke brezobramne izgube in uporabo več kot 90% imenovane zmogljivosti. Na primer, konvencionalni transformatorji imajo veliko višjo nulto sekvenco impedanc, kar omejuje zmogljivost drsnika za ugasanje luka na ≤20% zmogljivosti transformatorja. Torej so Z-tip transformatorji optimalni za uporabo pri zemljanju.
Ko je sistemsko neravnovesje napetosti veliko, zadostuje ravnovesje Z-tip navideznih del za merjenje. V sistemih z nizkim neravnovesjem (npr., v celotno kablinskem omrežju) je neutralni točka zasnovan, da ustvari 30–70 V neravnovesno napetost za potrebe merjenja.
Transformatorji zemljanja lahko tudi dobavljajo sekundarne obremenitve, posredovanje kot transformatorji za stanovanjske storitve. V takšnih primerih je primarna zmogljivost enaka vsoti zmogljivosti drsnika za ugasanje luka in sekundarne obremenitvene zmogljivosti.
Primarna funkcija transformatorja zemljanja je zagotavljanje kompenzacije toka pri zemeljskih napakah.
Slika 1 in Slika 2 prikazujeta dve pogosti Z-tip vezavi transformatorjev zemljanja: ZNyn11 in ZNyn1. Principe za nizko nulto sekvenco impedanc je naslednji: vsak jarek jedra vsebuje dva identična navidezna dela, povezana z različnimi faznimi napetostmi. Pod pozitivno ali negativno sekvenco napetosti je magnetna sila (MMF) na vsakem jarku vektorjevska vsota dveh faznih MMF. Tri jarka MMF so uravnoteženi in 120° razmaknjeni, kar tvori zaprto magnetno pot z nizko odpornostjo, visokim fluksom, visokim induciranim voltom in tako visokim magnetizacijskim upori.
Pod nulto sekvenco napetosti dva navidezna dela na vsakem jarku ustvarita enaka, a nasprotna MMF, kar povzroči ničelno neto MMF na vsakem jarku. Noben nulto sekvenco fluks ne teče v jedru; namesto tega cirkulira skozi tank in okolje, kjer sreča visoka odpornost. Torej je nulto sekvenco fluks in impedanca zelo nizka.
