Analys av orsakerna till felaktig utlösning av jordningstransformatorsskydd

I Kinas eldnät använder 6 kV-, 10 kV- och 35 kV-nät vanligtvis en driftsättning med opåtrogen neutralpunkt. Fördelningsvoltagesidan av huvudtransformatorerna i nätet är normalt ansluten i delta-konfiguration, vilket ger ingen neutralpunkt för att ansluta jordningsmotstånd. När ett ensidigt jordfel uppstår i ett system med opåtrogen neutralpunkt förblir spänningsfyrkant symmetrisk, vilket orsakar minimal störning för användarnas drift. Dessutom kan vissa tillfälliga jordfel släcka sig själva när kapacitiv ström är relativt liten (mindre än 10 A), vilket är mycket effektivt för att öka elnätets tillförlitlighet och minska avbrottsfall.

Med den kontinuerliga utvidgningen och utvecklingen av energisektorn uppfyller denna enkla metod inte längre dagens krav. I moderna stadseldnät har ökade användningen av kabellösningar lett till betydligt högre kapacitiva strömmar (över 10 A). Under dessa förhållanden kan ej jordbågen pålitligt släckas, vilket leder till följande konsekvenser:

• Intermittent släckning och återupptändning av ensidig jordbåge kan generera jordöverspänningar med amplitud upp till 4U (där U är spikspänningen) eller ännu högre, som varar under lång tid. Detta utgör allvarliga hot mot isoleringen av elektriska apparater, vilket kan leda till brytningar vid svaga isoleringspunkter och stora förluster.

• En bestående båge joniserar omgivande luft, vilket minskar dess isolerande egenskaper och ökar sannolikheten för mellanfasshortcircuit.

• Ferroresonansöverspänningar kan uppstå, vilket lätt skadar spänningsomvandlare och överspänningsskydd—potentiellt kan det till och med leda till explosion av överspänningsskydd. Dessa konsekvenser utgör allvarliga hot mot isoleringens integritet hos nätutrustning och hotar den säkra drift av hela elsystemet.

För att förhindra sådana incidenter och ge tillräcklig nollsekvensström och spänning för att säkerställa pålitlig drift av jordfelsskydd måste en artificiell neutralpunkt skapas så att ett jordningsmotstånd kan anslutas. Detta behov ledde till utvecklingen av jordningsomvandlare (vanligtvis kallade "jordningsomvandlare" eller "jordningsenheter"). En jordningsomvandlare skapar artificiellt en neutralpunkt med ett jordningsmotstånd, vanligtvis med mycket låg resistans (normalt mindre än 5 ohm).

På grund av sina elektromagnetiska egenskaper visar jordningsomvandlaren hög impedans för positiv- och negativsekvensströmmar, vilket endast tillåter en liten uppmuntringsström att flöda genom virringarna. På varje kärnben är två virringssektioner virrade i motsatt riktning. När lika stora nollsekvensströmmar flödar genom dessa virringar visar de låg impedans, vilket resulterar i minimal spänningsfall över virringarna under nollsekvensförhållanden.

Specifikt, under ett jordfel bärs positiv-, negativ- och nollsekvensströmmar av virringen. Den visar hög impedans för positiv- och negativsekvensströmmar men låg impedans för nollsekvensström. Detta beror på att, inom samma fas, är de två virringarna seriekopplade med motsatt polaritet; deras inducerade elektromotoriska krafter är lika stora men i motsatt riktning, vilket effektivt neutraliserar varandra, vilket resulterar i låg impedans för nollsekvensström.

I många tillämpningar används jordningsomvandlare endast för att ge en neutralpunkt med ett litet jordningsmotstånd och levererar ingen sekundär belastning. Därför är många jordningsomvandlare utformade utan sekundär virring. Under normal nätverksdrift fungerar jordningsomvandlaren nästan utan last. Men under fel fungerar den bara under en kort tidsperiod. I ett nät med låg impedansjordning, när ett ensidigt jordfel uppstår på 10 kV-sidan, identifierar och isolerar ett mycket känsligt nollseknesskydd snabbt den felaktiga linjen.

Jordningsomvandlaren är aktiv endast under den korta perioden mellan felets uppståndelse och operation av linjens nollsekvensskydd. Under denna tid flödar nollsekvensström genom den neutrala jordningsmotståndet och jordningsomvandlaren, enligt formeln: I_R = U / (R₁ + R₂), där U är systemets fasvoltage, R₁ är det neutrala jordningsmotståndet, och R₂ är den ytterligare resistansen i jordfelsslingan.

Baserat på ovanstående analys är driftsegenskaperna för en jordningsomvandlare: långsiktig drift utan last och kortvarig överbelastning under fel.

Sammanfattningsvis skapar en jordningsomvandlare artificiellt en neutralpunkt för att ansluta ett jordningsmotstånd. Under ett jordfel visar den hög impedans för positiv- och negativsekvensströmmar men låg impedans för nollsekvensström, vilket garanterar pålitlig drift av jordfelsskydd.

För närvarande tjänar jordningsomvandlare installerade i transformatorstationer två huvudsakliga syften:

• Att leverera lågspänningsväxelström för transformatorstations hjälpbruk;

• Att skapa en artificiell neutralpunkt på 10 kV-sidan, vilket, kombinerat med en bågutsläckarkrets (Petersen-krets), kompenserar för kapacitiv jordfelström under ensidiga jordfel på 10 kV, vilket släcker bågen vid felpunkten. Principen är följande:

Längs hela längden av ledare i ett trefaselnet finns det kapacitans både mellan faser och mellan varje fas och mark. När nätets neutralpunkt inte är solidt jordad blir kapacitansen till marken för den defekta fasen noll under ett ensidigt jordfel, medan spänningen för de andra två faserna ökar till √3 gånger den normala fasvoltage. Även om denna ökade spänning fortfarande ligger inom isoleringsdesigngränserna, ökar den deras kapacitans till mark. Kapacitiv jordfelström under ett ensidigt fel är ungefär tre gånger den normala kapacitiva strömmen per fas. När denna ström blir stor, håller den enkelt upp intermittenta bågar, vilket exciterar resonansoscillationer i nätets induktiv-kapacitiva krets och genererar överspänningar upp till 2,5–3 gånger fasvoltage. Ju högre nätspänning, desto större risk från sådana överspänningar. Därför kan endast system under 60 kV drivas med en opåtrogen neutralpunkt, eftersom deras ensidiga kapacitiva jordfelströmmar fortfarande är små. För högervoltagesystem måste en jordningsomvandlare användas för att ansluta neutralpunkten genom impedans.

När ena sidan av ett transformatorstationens huvudtransformator (t.ex. 10 kV-sidan) är ansluten i delta eller stjärna utan att neutralpunkten är frambringad och det ensidiga kapacitiva jordströmmen är stor, finns det ingen tillgänglig neutralpunkt för jordning. I sådana fall används en jordningstransformator för att skapa en konstgjord neutralpunkt, vilket möjliggör anslutning till en bågavbrytarkolv. Denna konstgjorda neutralpunkt tillåter systemet att kompensera kapacitiv ström och släcka jordbågar—detta är den grundläggande funktionen hos en jordningstransformator.

Under normal drift upplever jordningstransformatorn balanserade trefasvoltage och bär endast en liten spänningsupprätthållande ström, vilket betyder att den i princip fungerar obelastad. Potentialskillnaden mellan neutralpunkten och marken är noll (med undantag för mindre neutralförskjutningsspänning från bågavbrytarkolven), och inget ström flödar genom kolven. Om t.ex. fas C drabbas av en jordfel, flödar den resulterande nollsekvensvoltagen (som härleds från asymmetrin) genom bågavbrytarkolven till mark. Kolven genererar en induktiv ström som kompenserar den kapacitiva jordfelströmmen, vilket eliminerar bågen—funktionellt identiskt med en fristående bågavbrytarkolv.

Under de senaste åren har det inträffat flera felaktiga utlösningar av skydd för jordningstransformatorer i 110 kV-transformatorstationer i en viss region, vilket har påverkat nätets stabilitи на сеть. Для выявления коренных причин были проведены анализы, приняты корректирующие меры и обмен опытом, чтобы предотвратить повторное возникновение и направлять другие регионы.

Med ökande användningen av kabelförsörjning i 110 kV-transformatorstations 10 kV-nät, har ensidiga kapacitiva jordströmmar ökat betydligt. För att undertrycka överspänningarnas magnitud vid jordfel installerar många 110 kV-transformatorstationer nu jordningstransformatorer för att implementera lågohmsjordning, vilket skapar en nollsekvensströmsväg. Detta möjliggör selektiv nollsekvensskydd för att isolera jordfel baserat på plats, förhindrar återupptändning av bågar och säkerställer säker eldistribution.

Sedan 2008 har en viss region moderniserat sina 110 kV-transformatorstations 10 kV-system till lågohmsjordning genom installation av jordningstransformatorer och relaterade skyddsenheter. Detta möjliggör snabb isolering av eventuella 10 kV-försörjningslednings jordfel, vilket minimerar nätets påverkan. Emellertid, nyligen har fem 110 kV-transformatorstationer i regionen upplevt upprepade felaktiga utlösningar av jordningstransformatorskydd, vilket orsakat driftstopp och utmaningar för nätstabiliteten. Därför är det viktigt att identifiera orsaker och implementera lösningar.

1. Analys av orsaker till felaktig utlösning av jordningstransformatorskydd

När en 10 kV-försörjningsledning drabbas av ett jordfel, bör försörjningsledningens nollsekvensskydd vid 110 kV-transformatorstationen först agera för att isolera felet. Om det misslyckas, aktiverar jordningstransformatorns reservnollsekvensskydd busbindelnings- och huvudtransformatorbrytare för att innesluta felet. Därför är korrekt fungerande 10 kV-försörjningsledningsskydd och brytare avgörande. Statistisk analys av felaktiga utlösningar i fem transformatorstationer visar att bristande försörjningsledningsskydd är den primära orsaken.

10 kV-försörjningsledningens nollsekvensskydd fungerar som följer: nollsekvens CT-prover → skydd initieras → brytare aktiveras. Nyckelkomponenter är nollsekvens CT, skyddrelä och brytare. Analys fokuserar på dessa:

1.1 Felaktiga nollsekvens CT som orsakar felaktig utlösning
Vid ett jordfel upptäcker den defekta försörjningsledningens nollsekvens CT felet, vilket aktiverar dess skydd. Samtidigt uppfattar jordningstransformatorns nollsekvens CT också strömmen. För att säkerställa selektivitet är försörjningsledningsskyddsinriktningar (t.ex. 60 A, 1,0 s) lägre än jordningstransformatorinriktningar (t.ex. 75 A, 1,5 s för att trip busbindeln, 2,5 s för att trip huvudtransformator). Men CT-fel (t.ex. -10% för jordningstransformator CT, +10% för försörjningsledning CT) kan göra faktiska pickup-strömmar nästan lika (67,5 A jämfört med 66 A), vilket beror endast på tidsfördröjning. Detta ökar risken för jordningstransformatoröverskridande.

1.2 Felaktig kabellindning jordning som orsakar felaktig utlösning
10 kV-försörjningsledningar använder sköldade kablar med skölder jordade vid båda ändarna—en vanlig EMI-minimeringsmetod. Nollsekvens CT-er är vanligtvis toroidala, installerade runt kablen vid växelskåpsuttag. Vid ett jordfel inducerar ojämnviktsströmmen ett signal i CT. Men om skölden är jordad vid båda ändarna passerar cirkulerande sköldströmmar också genom CT, vilket förvränger mätningen. Utan korrekt installation (t.ex. sköldjordningsledning passerar korrekt genom CT), kan försörjningsledningsskydd misslyckas, vilket leder till jordningstransformatoröverskridande.

1.3 Försörjningsledningsskyddmisslyckande som orsakar felaktig utlösning
Trots att mikroprocessorbaserade reläer erbjuder hög prestanda, varierar produktnivån. Vanliga misslyckanden gäller ström, provtagning, CPU eller tripputdata-moduler. Om de inte upptäcks, kan de leda till skyddsmisslyckande, vilket leder till felaktig utlösning av jordningstransformator.

1.4 Försörjningsledningsbrytarmisslyckande som orsakar felaktig utlösning
Ålder, ofta operationer eller dåliga brytare (särskilt äldre GG-1A-typ i landsbygdsområden) ökar misslyckandefrekvensen. Kontrollkretsfel—särskilt brända trippspoilar—förhindrar brytaroperation även när skyddet befaller en tripp, vilket tvingar jordningstransformatorns reserv att agera.

1.5 Högimpedans jordfel på en eller två försörjningsledningar som orsakar felaktig utlösning
Om två försörjningsledningar samtidigt upplever högimpedans jordfel på samma fas, kan individuella nollsekvensströmmar (t.ex. 40 A och 50 A) vara under försörjningsledningens pickup (60 A), men deras summa (90 A) överskrider jordningstransformatorns inställning (75 A), vilket leder till överskridande. Även ett enda allvarligt högimpedansfel (t.ex. 58 A) kombinerat med normal kapacitiv ström (t.ex. 12–15 A) kan närma sig 75 A. Systemstörningar kan sedan utlösa felaktig utlösning.

2. Åtgärder för att förhindra felaktig utlösning

2.1 Hantera CT-fel

Använd högkvalitativa nollsekvens CT-er; avvisa enheter med >5% fel vid inrättning; ställ in skyddströsklar baserat på primära värden; verifiera inställningar via primärinmatningstest.

2.2 Korrigera kabellindningsjordning

• Ruta skyddsgroundkabler nedåt genom nollsekvens-CT och isolera från kabelfodral; undvik kontakt före CT.

• Lämna exponerade ledningsändar för testning; isolera resten.

• Om groundpunkten är under CT, ruttera den inte genom CT. Undvik att placera groundpunkten inom CT-fönstret.

• Utbilda skyddspersonal och kabelläggare i korrekt installation.

• Tvinga gemensamma acceptansinspektioner av relä, drift och kabelteam.

2.3 Förhindra skyddsavvisande

Använd beprövade, tillförlitliga reläer; byt ut åldrade eller defekta enheter; förbättra underhåll; installera kylning/ventilation för att förhindra överhettning.

2.4 Förhindra brytaravvisande

Använd tillförlitliga, moderna brytare (t.ex., fjädror- eller motorladdade segeltyper); fasauta gamla GG-1A-kabiner; underhåll styrkretsar; använd högkvalitativa trippslinor.

2.5 Minska risker för högimpedansfel

Undersök och rensa utförare snabbt vid jordalarmsignal; reducera utförlängder; balansera fasbelastningar för att minimera normal kapacitiv ström.

3. Sammanfattning

Även om grundtransformatorer förbättrar nätstrukturen och stabiliteten, visar återkommande feloperationer på dolda risker. Detta dokument analyserar viktiga orsaker och föreslår praktiska lösningar för att guida regioner som har installerat eller planerar att installera grundtransformatorer.

Zigzag (Z-typ) Grundtransformatorer

I 35 kV och 66 kV-distributionsnät är transformatorvindningar vanligtvis wye-anslutna med en neutralpunkt tillgänglig, vilket eliminerar behovet av grundtransformatorer. Men i 6 kV och 10 kV-nät saknar delta-anslutna transformatorer en neutralpunkt, vilket kräver en grundtransformator för att erbjuda en—främst för anslutning av bukgasningslinor.

Grundtransformatorer använder zigzag (Z-typ) vindningsanslutningar: varje fasvinding delas över två kärnlimbar. Nollsekvensmagnetiska flöden från de två vindningarna neutraliserar varandra, vilket resulterar i mycket låg nollsekvensimpedans (vanligtvis <10 Ω), låga tomkörningsförluster och användning av mer än 90 % av nominalkapaciteten. I kontrast har konventionella transformatorer mycket högre nollsekvensimpedans, vilket begränsar bukgasningslinokapaciteten till ≤20 % av transformatorns rating. Därför är Z-typ transformatorer optimala för grundningsapplikationer.

När systemets obalansvolt är stor räcker balanserade Z-typ vindningar för mätning. I låg-obalanssystem (t.ex., fullkablat nät) är neutralen utformad för att producera 30–70 V obalansvolt för mätbehov.

Grundtransformatorer kan också leverera sekundärbelastningar, fungerande som stationstransformatorer. I sådana fall är huvudratingen lika med summan av bukgasningslinokapaciteten och sekundärbelastningskapaciteten.

Den primära funktionen hos en grundtransformator är att leverera jordfelkompensationsström.

Figur 1 och Figur 2 visar två vanliga Z-typ grundtransformatoranslutningar: ZNyn11 och ZNyn1. Principen bakom låg nollsekvensimpedans är följande: varje kärnlimb innehåller två identiska vindningar anslutna till olika fasvolter. Vid positiv- eller negativsekvensvolt är magnetisk drivkraft (MMF) på varje limb vektorsumman av två fas-MMF. De tre limb MMF är balanserade och 120° ifrån varandra, bildar en stängd magnetisk väg med låg motstånd, hög flux, hög inducerad spänning och därmed hög magnetiseringsspets.

Vid nollsekvensvolt producerar de två vindningarna på varje limb lika men motsatta MMF, vilket resulterar i noll netto MMF per limb. Inga nollsekvensflöden flyter i kärnan; istället cirkulerar de genom tanken och omgivande medium, möter hög motstånd. Därför är nollsekvensflöde och impedans mycket låga.