Analiza uzroka grešaka u radu zaštite transformatora za zemlju

U kineskom sistemu snabdevanja električnom energijom, mreže na 6 kV, 10 kV i 35 kV obično koriste način rada sa nezazemljenim neutralnim tačkama. Distributivna strana glavnih transformatora u mreži obično ima konfiguraciju delta, što znači da nema neutralne tačke za povezivanje zazemljivačkih otpornika. Kada se pojavi jednofazni zemljani prekid u sistemu sa nezazemljenim neutralom, trofazni napon ostaje simetričan, što minimalno ometa rad korisnika. Takođe, kada je kapacitivni tok relativno mali (manji od 10 A), neki privremeni zemljani prekidi mogu samoodržati, što je vrlo efikasno za poboljšanje pouzdanosti snabdevanja strujom i smanjenje incidenta isključivanja.

Međutim, sa stalnim proširenjem i razvojem elektroenergetske industrije, ovaj jednostavan metod više ne zadovoljava trenutne potrebe. U modernim urbanim elektroenergetskim mrežama, povećana upotreba kabelskih krugova dovela je do znatno većeg kapacitivnog toka (preko 10 A). Pod ovim uslovima, zemljani luk ne može pouzdano biti ugase, što dovodi do sledećih posledica:

• Intermitentno gašenje i ponovno paljenje jednofaznog zemljanskog luka može generisati prenapone zemljanog luka sa amplitudama koje dosežu čak 4U (gde je U maksimalni fazni napon) ili čak više, trajući duže vreme. Ovo predstavlja ozbiljan opasnost za izolaciju električne opreme, mogući propad na slabim tačkama izolacije i dovodeći do značajnih gubitaka.

• Trajanje lukova ionizuje okružni vazduh, smanjujući njegove izolacione osobine i povećavajući verovatnoću prekidova između faza.

• Može doći do ferorezonantnih prenapona, koji lako oštećuju transformatore napona i ograničivače prenapona - potencijalno čak i do eksplozija ograničivača. Ove posledice ozbiljno ugrožavaju integritet izolacije opreme mreže i prijeti bezbednom radu celog sistema snabdevanja strujom.

Da bi se spriječile takve situacije i obezbedio dovoljan nula-sekvencijski tok i napon za pouzdan rad zashite od zemljanih prekida, mora se stvoriti umetnička neutralna tačka kako bi se povezao zazemljivački otpornik. Ova potreba dovela je do razvoja zazemljivačkih transformatora (obično nazivanih "zazemljivački transformatori" ili "zazemljivačke jedinice"). Zazemljivački transformator umetnički stvara neutralnu tačku sa zazemljivačkim otpornikom, obično sa vrlo niskim otporom (obično manje od 5 ohma).

Dodatno, zbog svojih elektromagnetnih karakteristika, zazemljivački transformator predstavlja visok impedans pozitivnim i negativnim sekvencijskim tokovima, dopuštajući prolaz samo malog pobudnog toka kroz svoje vijci. Na svakoj osnovnoj grebenu su vijci obrađeni u suprotne smjerove. Kada kroz ove vijci proteže se jednak nula-sekvencijski tok, oni pokazuju niski impedans, što rezultira minimalnim padom napona kroz vijci pod nula-sekvencijskim uslovima.

Specifično, tijekom zemljanskog prekida, vijak nosi pozitivne, negativne i nula-sekvencijske tokove. On predstavlja visok impedans pozitivnim i negativnim sekvencijskim tokovima, ali niski impedans nula-sekvencijskom toku. To je zato što, unutar iste faze, dva vijka su serijski spojena suprotnim polarnošću; njihovi inducirani elektromotorni sili su jednaki po veličini, ali suprotni po pravcu, efektivno se poništavaju, tako predstavljajući niski impedans nula-sekvencijskom toku.

U mnogim primenama, zazemljivački transformatori se koriste samo za pružanje neutralne tačke sa malim zazemljivačkim otpornikom i ne snabdevaju nikakvu sekundarnu opterećenju. Stoga, mnogi zazemljivački transformatori su dizajnirani bez sekundarnog vijka. Tijekom normalnog rada mreže, zazemljivački transformator radi praktično bez opterećenja. Međutim, tijekom prekida, nosi prekidni tok samo kratko vrijeme. U sistemu sa niskim otpornim zazemljenjem, kada se dogodi jednofazni zemljani prekid na strani od 10 kV, vrlo osetljiva nula-sekvencijska zaštita brzo identifikuje i privremeno izoluje defektan vodnik. 

Zazemljivački transformator aktiviran je samo tijekom kratkog intervala između pojavljivanja prekida i radnje nula-sekvencijske zaštite vodnika. Tijekom tog vremena, nula-sekvencijski tok teče kroz neutralni zazemljivački otpornik i zazemljivački transformator, prema formuli: I_R = U / (R₁ + R₂), gde je U fazonapon sistema, R₁ neutralni zazemljivački otpornik, a R₂ dodatni otpor u zemljanoj petlji prekida.

Na osnovu gore navedene analize, operativne karakteristike zazemljivačkog transformatora su: dugoročni rad bez opterećenja i kratkotrajno preopterećenje tijekom prekida.

Kratko rečeno, zazemljivački transformator umetnički stvara neutralnu tačku za povezivanje zazemljivačkog otpornika. Tijekom zemljanskog prekida, on predstavlja visok impedans pozitivnim i negativnim sekvencijskim tokovima, ali niski impedans nula-sekvencijskom toku, time omogućujući pouzdan rad zashite od zemljanih prekida.

Trenutno, zazemljivački transformatori instalirani u pretvorima služe dvije primarne svrhe:

• Snabdevanje niskonaponskim AC strujama za pomoćne potrebe pretvora;

• Stvaranje umetničke neutralne tačke na strani od 10 kV, koja, kombinovana sa arčnim potisnim zavojnicima (Petersen zavojnice), kompenzira kapacitivni zemljani prekidni tok tijekom jednofaznih zemljanih prekida na 10 kV, time gasi luk na mjestu prekida. Princip je sljedeći:

Duž cijele dužine vodilaca u trofaznom sistemu snabdevanja strujom, postoji kapacitet između faza i između svake faze i zemlje. Kada neutral mreže nije čvrsto zazemljen, kapacitet zemlje defektne faze postaje nula tijekom jednofaznog zemljanskog prekida, dok naponi druge dvije faze porastu na √3 puta normalni fazni napon. Iako ovaj povećani napon ostaje unutar granica dizajna izolacije, povećava njihov kapacitet zemlji. Kapacitivni zemljani prekidni tok tijekom jednofaznog prekida iznosi približno tri puta normalni kapacitivni tok po fazi. Kada ovaj tok postane veliki, lako održava intermitentne lukove, uzbuđujući rezonantne oscilacije u induktivno-kapacitivnom krugu mreže i generišući prenapone do 2,5–3 puta fazni napon. Što je naponski nivo mreže veći, veće je riziko od ovih prenapona. Stoga, samo sistemi ispod 60 kV mogu raditi sa nezazemljenim neutralom, jer njihovi jednofazni kapacitivni zemljani prekidni tokovi ostaju mali. Za sisteme s višim naponom, mora se koristiti zazemljivački transformator kako bi se neutralna tačka povezala kroz impedans.

Kada je jedna strana glavnog transformatora podstajnice (npr. 10 kV strana) spojena u delta ili zvezda bez izvedenog neutralnog točka, a jednofazni kapacitivni zemljni tok je veliki, nema dostupne neutralne točke za zemljenje. U takvim slučajevima se koristi zemljni transformator kako bi se stvorila umetnička neutralna točka, omogućujući vezu na koilu za suzbijanje lukova. Ova umetnička neutralnost dozvoljava sistemu da kompenzira kapacitivni tok i ugasi zemljne luke - ovo je fundamentalna uloga zemljnog transformatora.

Tokom normalne operacije, zemljni transformator iskusava ravnotežu trofaznog napona i nosi samo mali pobudni tok, operativno gotovo neopterećen. Razlika potencijala između neutralne točke i zemlje je nula (zanemarujući malo odstupanje neutralnog napona zbog koile za suzbijanje lukova), i nema toka kroz koilu. Ako, na primjer, faza C trpi grešku zemljivanja, nastaje nultofazni napon (izveden iz asimetrije) koji teče kroz koilu za suzbijanje lukova prema zemlji. Koila generiše induktivni tok koji kompenzira kapacitivni zemljni tok greške, eliminirajući luk - funkcionalno identično samostalnoj koili za suzbijanje lukova.

U poslednjih nekoliko godina, u nekom regionu su se dogodile više neispravnih radnji štite zemljnog transformatora u 110 kV podstajnicama, teže utičući na stabilnost mreže. Radi identifikovanja uzročnih faktora, sprovedene su analize, implementirane korigujúće mere i podeljene lekcije kako bi se sprečilo ponovno pojavljivanje i uputile druge regije.

Sa porastom upotrebe kablovevoda u 10 kV mrežama 110 kV podstajnica, jednofazni kapacitivni zemljni toci su se značajno povećali. Da bi se suzbijale amplitude prekomernih napona tokom grešaka zemljivanja, mnoge 110 kV podstajnice sada instaliraju zemljne transformatore kako bi implementirale zemljivanje sa niskim otporom, stvarajući put nultofaznog toka. To omogućava selektivnu nultofaznu zaštitu da izoluje greške zemljivanja na osnovu lokacije, sprečavajući ponovno zapaljivanje lukova i obezbeđujući siguran pružanja struje.

Od 2008. godine, neki region je modernizovao svoje 10 kV sisteme 110 kV podstajnica na zemljivanje sa niskim otporom putem instaliranja zemljnih transformatora i povezanih zaštitnih uređaja. To dozvoljava brzo izolovanje bilo koje greške zemljivanja 10 kV kablovevoda, minimizirajući uticaj na mrežu. Međutim, nedavno, pet 110 kV podstajnica u regionu su iskusile ponovljene neispravne radnje štite zemljnog transformatora, dovodeći do isključivanja i prijetnji stabilnosti mreže. Stoga je ključno identifikovati uzroke i implementirati rešenja.

1. Analiza uzroka neispravnih radnji štite zemljnog transformatora

Kada 10 kV kablovevod trpi grešku zemljivanja, nultofazna zaštita kablovevoda u 110 kV podstajnici treba da prvo operira kako bi izolovala grešku. Ako to ne uspe, rezervna nultofazna zaštita zemljnog transformatora aktivira prekidace međuspojnica i glavnog transformatora kako bi ograničila grešku. Stoga je kritično da 10 kV kablovevod zaštita i prekidaci ispravno rade. Statistička analiza neispravnih radnji u pet podstajnica pokazuje da je najveći uzrok neuspeh kablovevod zaštite.

Nultofazna zaštita 10 kV kablovevoda funkcioniše ovako: uzorkovanje nultofaznog CT-a → inicijacija zaštite → prekid prekidaca. Ključni komponenti su nultofazni CT, relé zaštite i prekidac. Analiza se fokusira na ove:

1.1 Greške nultofaznog CT-a koje dovode do neispravnih radnji
Tokom greške zemljivanja, nultofazni CT defektne linije detektuje tok greške, aktivirajući njegovu zaštitu. Istovremeno, nultofazni CT zemljnog transformatora takođe oseti tok. Da bi se osigurala selektivnost, postavke zaštite kablovevoda (npr. 60 A, 1.0 s) su niže od postavki zemljnog transformatora (npr. 75 A, 1.5 s za prekid međuspojnica, 2.5 s za prekid glavnog transformatora). Međutim, greške CT-a (npr. -10% za CT zemljnog transformatora, +10% za CT kablovevoda) mogu da čine da su stvarni tokovi skoro jednaki (67.5 A vs. 66 A), ostavljajući samo vremensku razliku. To povećava rizik od prekoračenja zemljnog transformatora.

1.2 Neispravno zemljenje oklopne sluzne što dovodi do neispravnih radnji
10 kV kablovevodi koriste kablove sa oklopnom sluznom, zemljenom na oba kraja - uobičajena praksa za suzbijanje EMI. Nultofazni CT-ovi su tipično toroidalni, instalirani oko kabla na izlazu aparature. Tokom greške zemljivanja, neravnotežni tok indukuje signal u CT-u. Međutim, ako je oklopna služna zemljena na oba kraja, cirkulacioni tokovi oklopne služne takođe prođu kroz CT, distorzirajući merenje. Bez ispravne instalacije (npr. zemljački žice oklopne služne tačno prođu kroz CT), zaštita kablovevoda može propasti, dovodeći do prekoračenja zemljnog transformatora.

1.3 Neuspeh zaštite kablovevoda koji dovodi do neispravnih radnji
Iako mikroprocesorska relé-a nude visoku performansu, kvalitet proizvoda varira. Česte greške uključuju napajanje, uzorkovanje, CPU ili modul za prekid. Ako nisu otkriveni, ovi mogu da dovedu do odbijanja zaštite, dovodeći do neispravnih radnji zemljnog transformatora.

1.4 Neuspeh prekidaca kablovevoda koji dovodi do neispravnih radnji
Starenje, česta korišćenja ili lošeg kvaliteta prekidaci (posebno stariji GG-1A tipi u ruralnim područjima) povećavaju stopu neuspeha. Greške kontrolne mreže - posebno spaljeni cilindrici prekida - sprječavaju rad prekidaca čak i kada zaštita naredi prekid, prisiljujući rezervnu zaštitu zemljnog transformatora da djeluje.

1.5 Visok impedančni zemljni tokovi na jednom ili dva kablovevoda koji dovode do neispravnih radnji
Ako dva kablovevoda iskusavaju istovremene visok impedančne greške zemljivanja na istoj fazi, pojedinačni nultofazni tokovi (npr. 40 A i 50 A) mogu ostati ispod prehvata kablovevoda (60 A), ali njihov zbir (90 A) prevazilazi postavku zemljnog transformatora (75 A), dovodeći do prekoračenja. Čak i jedna teška visok impedančna greška (npr. 58 A) kombinirana sa normalnim kapacitivnim tokom (npr. 12-15 A) može se približiti 75 A. Poremećaji sistema tada mogu da dovedu do neispravnih radnji.

2. Mere za sprečavanje neispravnih radnji

2.1 Rešenje grešaka CT-a

Koristiti visokokvalitetne nultofazne CT-e; odbiti jedinice sa greškom većom od 5% tokom komisije; postaviti pragove zaštite na osnovu primarnih vrednosti; verifikovati postavke putem testiranja primarnog ubrizgavanja.

2.2 Ispravljanje zemljenja oklopne sluzne

• Provedite zemlju štita preko nultog rednog transformatora prema dole i izolujte od kablovskih mostova; izbegavajte kontakt pre transformatora.

• Ostavite otvorene krajeve vodilja za testiranje; izolujte ostatak.

• Ako je tačka zemljenja štita ispod CT, ne vodite je kroz CT. Izbegavajte postavljanje tačke zemljenja unutar prozora CT.

• Obučite osoblvo za zaštitu i kable o pravilnoj instalaciji.

• Unapredite zajedničke pregledi prihvatanja sa timovima za releje, operacije i kablove.

2.3 Sprječavanje odbijanja zaštite

Koristite dokazano pouzdane releje; zamijenite staranje ili defektne jedinice; poboljšajte održavanje; instalirajte hlađenje/ventilaciju kako bi se sprječilo pretjerano zagrijavanje.

2.4 Sprječavanje odbijanja prekidača

Koristite pouzdane, moderne prekidače (npr., tipove sa mitsnim ili motorom); fazonirajte stare GG-1A kabinete; održavajte kontrolesne krugove; koristite visokokvalitetne bobine za prekid.

2.5 Smanjenje rizika od grešaka visokog impedansa

Brzo istražite i očistite prenosne linije kada se pojave alarmi zemljenja; smanjite dužine prenosnih linija; balansirajte fazne opterećenja kako bi se smanjili normalni kapacitivni strujni tokovi.

3. Zaključak

Iako zemljivi transformatori poboljšavaju strukturu i stabilnost mreže, ponavljajuće pogrešne operacije ukazuju na skrivene rizike. Ovaj rad analizira ključne uzroke i predlaže praktična rešenja kako bi uputio regione koji su instalirali ili planiraju da instaliraju zemljive transformatore.

Zig-zag (Z-tip) Zemljivi Transformatori

U distribucijskim mrežama od 35 kV i 66 kV, navojnice transformatora su obično povezane u Y obliku sa dostupnom neutralnom tačkom, što eliminira potrebu za zemljivim transformatorima. Međutim, u mrežama od 6 kV i 10 kV, delta-povezani transformatori nemaju neutralnu tačku, što zahteva zemljivi transformator kako bi pružio jednu - uglavnom za povezivanje koila za suzbijanje lukova.

Zemljivi transformatori koriste zig-zag (Z-tip) veze navojnika: svaki fazni navojnik je podijeljen na dva stuba jezgra. Nulto-redne magnetne fluksije iz dva navojnika se anuliraju, rezultujući vrlo niskim nulto-rednim impedansom (obično <10 Ω), niskim gubitcima bez opterećenja i iskorišćenjem preko 90% nominalne snage. U suprotnosti, konvencionalni transformatori imaju mnogo viši nulto-redni impedans, ograničavajući kapacitet koila za suzbijanje luka na ≤20% kapaciteta transformatora. Stoga su Z-tip transformatori optimalni za primene zemljenja.

Kada je nesimetrija napona sistema velika, ravnotežni Z-tip navojnici su dovoljni za merenje. U sistemima sa niskom nesimetrijom (npr., mreže sa kablom), neutral se dizajnira da produkuje 30–70 V nesimetriju napona za potrebe merenja.

Zemljivi transformatori mogu takođe da snabdevanjuju sekundarne opterećenja, služeći kao stanici servisni transformatori. U takvim slučajevima, primarna snaga jednaka je zbiru kapaciteta koila za suzbijanje luka i sekundarnog opterećenja.

Primarna funkcija zemljivog transformatora je da pruži strujni tok za kompenzaciju grešaka zemljenja.

Slika 1 i Slika 2 pokazuju dve česte veze Z-tip zemljivih transformatora: ZNyn11 i ZNyn1. Princip niskog nulto-rednog impedansa je sljedeći: svaki stub jezgra sadrži dva identična navojnika povezana sa različitim faznim napajanjima. Pod pozitivnim ili negativnim sekvencijskim napajanjem, magneto-motorna snaga (MMF) na svakom stubu je vektorski zbir dva fazna MMF-a. Tri stuba MMF-a su uravnoteženi i udaljeni 120°, formirajući zatvorenu magnetnu putanju sa niskim otporom, visokim fluksom, visokim indukovanim naponom i stoga visokim magnetizirajućim impedansom.

Pod nulto-rednim naponom, dva navojnika na svakom stubu produkuju jednak ali suprotan MMF, rezultujući nultim neto MMF-om po stubu. Nema nulto-rednog fluksa u jezgru; umjesto toga, on cirkuliše kroz rezervoar i okružujuće sredstvo, suočavajući se s visokim otporom. Stoga su nulto-redni fluks i impedans vrlo niski.