Uchambuzi wa Sababu za Kutenda vibaya kwa Msaada wa Mfungaji wa Chini

Katika mifumo ya umeme nchini China, mitandao ya 6 kV, 10 kV, na 35 kV mara nyingi hutumia mfumo wa kutumia neutral-point ungrounded. Upande wa voltage wa distribution wa transformers zinazotumiwa katika mitandao huunganishwa kwa mfumo wa delta, ambayo haiwezi kupata neutral point kwa ajili ya kuunganisha grounding resistors. Waktu hupatikana hitilafu ya ground single-phase katika mfumo wa neutral-point ungrounded, mraba wa line-to-line voltage bado hushiriki uzima, kufanya kudhibiti kidogo sana kwa matumizi ya wateja. Hivyo pia, wakati current capacitivo ni ndogo (chini ya 10 A), baadhi ya hitilafu za ground transient zinaweza kujitokomeza, ambayo ni muhimu sana kwa kuongeza uhakika wa kuwasilisha umeme na kupunguza vinguvu za kutosha.

Hata hivyo, kwa maendeleo na ukuaji wa endelea wa umeme, njia hii rahisi si inayofanikiwa na matarajio ya leo. Katika mitandao ya umeme ya miji ya kisasa, matumizi ya circuit za cable yameongezeka, kuleta current capacitivo kubwa sana (zaidi ya 10 A). Kwa masharti haya, arc ya ground haipati kujitokomekana kwa uhakika, kusababisha matokeo ifuatayo:

• Ukosefu na ujirudi wa arc wa single-phase ground unaweza kugawa overvoltages za arc-ground ambazo zinaweza kurejelea 4U (ambapo U ni peak phase voltage) au zaidi, kusukuma muda mrefu. Hii hutoa hatari kubwa kwa insulation ya vyombo vya umeme, inaweza kusababisha kuvunjika kwenye sehemu zenye insulation duni na kusababisha hasara kubwa.

• Arc ya kuendelea kunyaza hewa yake, kuharibu mahitaji ya insulation yake na kukubalika ya short circuits ya phase-to-phase.

• Ferroresonant overvoltages zinaweza kutokea, kuyaharibu transformers za voltage na surge arresters—ambayo zinaweza kusababisha kupopoka kwa arresters. Matokeo haya yanaweza kusababisha hatari kubwa kwa integrity ya insulation ya vyombo vya grid na kusababisha hatari kwa usalama wa kazi ya system ya umeme nzima.

Kutokoe matukio haya na kupatia current na voltage za zero-sequence kutosha ili kuhakikisha kuwa protection ya ground-fault inafanya kazi vizuri, lazima tuundee neutral point artificial ili grounding resistor aweze kuuunganishwa. Haja hii iliyotokana ilihusu kujenga transformers za grounding (zenye kutambiwa "transformers za grounding" au "units za grounding"). Transformer wa grounding huanza neutral point artificial na grounding resistor, ambayo mara nyingi ina resistance chache (zaidi ya chini ya 5 ohms).

Zaidi ya hayo, kwa sababu ya electromagnetic characteristics zake, transformer wa grounding hupiga impedance kubwa kwa positive- na negative-sequence currents, akikubali tu current excitation ndogo tu kumporogesha windings zake. Kwenye kila core limb, sections mbili za winding zinapowound kinyume cha moja kwa moja. Wakati current za zero-sequence sawa safiri kwa windings hizo, wanavyoonyesha impedance chache, kusababisha drop voltage ndogo kwenye windings kwenye masharti za zero-sequence.

Kwa undani, wakati hitilafu ya ground, winding hupiga positive-, negative-, na zero-sequence currents. Inapiga impedance kubwa kwa positive- na negative-sequence currents lakini impedance chache kwa zero-sequence current. Hii ni kwa sababu, kwenye fasi moja, windings mbili zimeunganishwa series kinyume cha moja kwa moja; electromotive forces zinazoungwa zina magnitude sawa lakini kinyume cha direction, kusababisha kuzingatia kinyume cha zero-sequence current.

Katika nguvu zote, transformers za grounding zinatumika tu kutoa neutral point na grounding resistor ndogo na hazitosha sekondari load. Kwa hiyo, transformers nyingi za grounding zimeundwa bila sekondari winding. Wakati grid inafanya kazi sahihi, transformer wa grounding anafanya kazi kwa hali ya no-load. Lakini, wakati hitilafu, ana carry fault current tu muda mfupi. Katika system ya grounded low-resistance, wakati hitilafu ya single-phase ground inapatikana upande wa 10 kV, zero-sequence protection yenye sensitivity kubwa huchukua haraka na kuzuia feeders ya faulty temporal.

Transformer wa grounding anafanya kazi tu muda mfupi kati ya wakati wa kupatikana hitilafu na operation ya zero-sequence protection ya feeder. Wakati huo, zero-sequence current inasafiri kwenye neutral grounding resistor na transformer wa grounding, kufuata formula: I_R = U / (R₁ + R₂), ambapo U ni system phase voltage, R₁ ni neutral grounding resistor, na R₂ ni resistance additional katika ground fault loop.

Kulingana na tathmini hii, operational characteristics za transformer wa grounding ni: operation ya no-load ya muda mrefu na overload ya muda mfupi wakati hitilafu.

Kwa ufupi, transformer wa grounding huanza neutral point artificial ili kuunganisha grounding resistor. Wakati hitilafu ya ground, inapiga impedance kubwa kwa positive- na negative-sequence currents lakini impedance chache kwa zero-sequence current, kusaidia kuhakikisha kuwa protection ya ground-fault inafanya kazi vizuri.

Sasa, transformers za grounding zilitengenezwa katika substations zinatumika kwa mamlaka mawili:

• Kusafirisha nguvu AC ya chini kwa matumizi ya auxiliary ya substation;

• Kuanza neutral point artificial upande wa 10 kV, ambayo, ikizunguka na arc suppression coil (Petersen coil), inachukua current capacitivo wa ground-fault wakati hitilafu ya single-phase 10 kV, kusababisha arc ya kuendelea kwenye tovuti ya hitilafu kujitokomekana. Sifa ni ifuatavyo:

Kwenye length nzima ya conductors katika grid ya umeme ya tatu, capacitance inapatikana kati ya fasi na kati ya kila fasi na ground. Wakati neutral ya grid haijawahi grounding, capacitance ground ya fasi iliyohitilafu inakuwa zero wakati hitilafu ya single-phase ground, huku voltages za fasi mbili zingine zinazidi √3 mara normal phase voltage. Ingawa zinazidi hii zinafika kwenye limit design za insulation, zinongeza capacitance yao ground. Current capacitivo ground-fault wakati hitilafu ya single-phase ni karibu thelathini mara normal per-phase capacitive current. Wakati current hii inakuwa kubwa, inaweza kusaidia arcs za intermittent, kuexcite resonant oscillations katika circuit inductive-capacitive ya grid na kugawa overvoltages zinazorejelea 2.5–3 mara phase voltage. Zaidi ya grid voltage, zaidi ya hatari kutokana na overvoltages haya. Kwa hiyo, systems tu zinazokuwa chini ya 60 kV zinaweza kufanya kazi na neutral ungrounded, kwa sababu current capacitivo ground-fault zao single-phase zinafikia ndogo. Kwa systems za voltage kubwa, lazima tu tumie transformer wa grounding ili kuunganisha neutral point kupitia impedance.

Wakati upande mmoja wa transformer mkuu wa substation (kwa mfano, upande wa 10 kV) unajulikana kama delta au wye bila neutrali kutolewa, na current ya capacitive single-phase ni mkubwa, hakuna neutral point inayotumika kwa grounding. Katika hali hii, transformer wa grounding hutumiwa kuboresha neutral point ya artificial, ikifanya uwezo wa kuunganisha arc suppression coil. Neutral point ya artificial hii inawezesha system kupambana na current ya capacitive na kuzuia ground arcs—hii ndiyo nia muhimu ya transformer wa grounding.

Wakati wa matumizi sahihi, transformer wa grounding huwa na voltage ya three-phase yenye mizani na anaweza kuwa na current chache tu ya excitation, akijitahidi kazi isiyokuwa na mizigo. Tofauti ya potential kati ya neutral na ardhi ni sifuri (bila kuzingatia tofauti ndogo za neutral displacement voltage kutokana na arc suppression coil), na hakuna current inayopita kwenye coil. Kwa mfano, ikiwa phase C inapata hitilafu ya grounding, zero-sequence voltage (iliyotokana na asymmetry) inapita kwenye arc suppression coil na kuelekea ardhi. Coil hutoa current inductive ambayo inapambana na current ya capacitive ya ground-fault, kwa hivyo kuondokana na arc—kama arc suppression coil yoyote yenye umbo.

Katika miaka mingi, misoperations zaidi za protection ya transformer wa grounding zimekuwa zinatokea katika substations za 110 kV katika eneo fulani, kuburudisha ustawi wa grid. Kupata sababu msingi, analisis zimefanyika, hatua za kusaidia zimechukuliwa, na mafundisho yamehamishwa ili kuzuia kurudi tena na kuhudumia maeneo mengine.

Kutokana na matumizi zinazobadilika za cable feeders katika mitandao ya 10 kV ya substations za 110 kV, current za capacitive single-phase zimeongezeka sana. Ili kupunguza ukubwa wa overvoltage wakati wa ground faults, substations nyingi za 110 kV zimeanza kuinstala transformers wa grounding ili kutekeleza grounding ya low-resistance, kuanzisha njia ya current ya zero-sequence. Hii inawezesha protection ya selective zero-sequence kupunguza ground faults kulingana na mahali, kuzuia arc reignition na kuaminisha umiliki wa power.

Tangu 2008, eneo fulani limejaribu mitandao ya 10 kV ya substations zake za 110 kV ili kuwape grounding ya low-resistance kwa kuinstala transformers wa grounding na devices za protection zinazohusiana. Hii inawezesha uzinduzi wa haraka wa ground fault wowote wa feeder wa 10 kV, kuchoma mfululizo wa grid. Lakini, karibu sasa, tano substations za 110 kV zenye eneo lile limehitimu na misoperations mara kwa mara za protection ya transformer wa grounding, kusababisha vifungo na kukatiza ustawi wa grid. Kwa hivyo, kupata sababu na kutumia suluhisho ni muhimu.

1. Analisi ya Sababu za Misoperation ya Protection ya Transformer wa Grounding

Wakati feeder wa 10 kV anapata hitilafu ya grounding, protection ya zero-sequence ya feeder katika substation ya 110 kV inapaswa kufanya kazi kwanza ili kupunguza hitilafu. Ikiwa itafail, protection ya backup zero-sequence ya transformer wa grounding itatupe bus tie na main transformer breakers ili kupunguza hitilafu. Kwa hivyo, matumizi sahihi ya protection ya feeder ya 10 kV na breakers ni muhimu. Analisi ya takriban ya misoperations katika substations tano inadhowa kuwa failure ya protection ya feeder ni sababu msingi.

Protection ya zero-sequence ya feeder ya 10 kV hutenda kama ifuatavyo: zero-sequence CT samples → protection inaanza → breaker hutupa. Komponenti muhimu ni zero-sequence CT, protection relay, na breaker. Analisi inaonekana kwenye haya:

1.1 Akosa za zero-sequence CT zinazosababisha misoperation
Wakati wa ground fault, zero-sequence CT ya feeder ya hitilafu hunapata current ya hitilafu, kumpokeza protection yake. Pamoja, zero-sequence CT ya transformer wa grounding pia hujihisi current. Ili kuhakikisha selectivity, settings za protection ya feeder (kwa mfano, 60 A, 1.0 s) ni chache kuliko settings za transformer wa grounding (kwa mfano, 75 A, 1.5 s kumpokeza bus tie, 2.5 s kumpokeza main transformer). Lakini, akosa za CT (kwa mfano, -10% kwa CT ya transformer wa grounding, +10% kwa CT ya feeder) zinaweza kufanya pickup currents kweli zinakuwa sawa (67.5 A vs. 66 A), kunategemea tu time delay. Hii inongeza hatari ya transformer wa grounding kupunguza.

1.2 Kuweka grounding ya cable shield siyo sahihi kusababisha misoperation
Feeders wa 10 kV hutumia cables za shielded ambazo zina shields grounded moja kwa moja—ni mtazamo wa kawaida wa EMI mitigation. Zero-sequence CTs zinazotumika ni toroidal, zinazounganishwa kwenye cable kwenye switchgear outlet. Wakati wa ground fault, current ya unbalanced inaleta signal kwenye CT. Lakini, ikiwa shield imegrounded moja kwa moja, circulating shield currents pia hupita kwenye CT, kubadilisha measurement. Bila installation sahihi (kwa mfano, shield ground wire inapita sahihi kwenye CT), protection ya feeder inaweza kushindwa, kusababisha transformer wa grounding kupunguza.

1.3 Failure ya protection ya feeder kusababisha misoperation
Hata ingawa relays za microprocessor zinatumia performance ya juu, ubora wa bidhaa unabadilika. Akosa zinazozingatia ni power, sampling, CPU, au trip output modules. Ikiwa hazitajulikane, hayo zinaweza kusababisha protection refusal, kusababisha transformer wa grounding kupunguza.

1.4 Failure ya breaker ya feeder kusababisha misoperation
Mudu, matumizi mengi, au breakers duni (hasa aina za GG-1A za wilaya) huzidhibiti vihati. Vihati vya control circuit—hasa trip coils vilivyovunjika—huwasilisha breaker hawezi kufanya kazi hata ikiwa protection inatumainisha kupokeza, kusababisha transformer wa grounding backup kutumika.

1.5 High-impedance ground faults kwenye feeder moja au mbili kusababisha misoperation
Ikiwa feeders mbili zinapata high-impedance ground faults pamoja kwenye phase moja, individual zero-sequence currents (kwa mfano, 40 A na 50 A) zinaweza kuwa chache kuliko pickup ya feeder (60 A), lakini sum zao (90 A) inapanda setting ya transformer wa grounding (75 A), kusababisha kupunguza. Hata ground fault moja tu ya high-impedance (kwa mfano, 58 A) pamoja na current ya capacitive ya normal (kwa mfano, 12–15 A) inaweza kujioka 75 A. Disturbances za system zinaweza kusababisha misoperation.

2. Upatikanaji wa Hatua za Kusababisha Misoperation

2.1 Kusimamia akosa za CT

Tumia zero-sequence CTs bora; rudia units zinazoko na error >5% wakati wa commissioning; set protection thresholds kwa primary values; thibitisha settings kwa primary injection testing.

2.2 Kuweka grounding ya cable shield sahihi

• Nipeleke mizizi ya chini ya kijani kwa kushuka kati ya CT ya sifuri-kutanu na uingieze kutoka kwenye vibora vya kablayo; dharau maudhui kabla ya CT.

• Wacha pembeni za mizizi yenye kuonekana kwa ajili ya uji; uingieze zaidi.

• Ikiwa nukta ya kijani ya shiedhi ni chini ya CT, usipeleke kwenye CT. Dharau kupanga nukta ya kijani ndani ya dirisha la CT.

• Funde wale wa uzalishaji na watu wa kablayo juu ya upatikanaji sahihi.

• Jitahidi kuhakikisha utambuzi wa pamoja kwa mashirika ya relay, matumizi, na kablayo.

2.3 Kuzuia ukata kwa uzalishaji

Tumia relays zenye imara na inaweza kubadilishwa; badilisha vifaa vilivyopungua au vinavyokuwa na hitimisho; ongeza huduma; instala majukwaa ya baridi/pepetani ili kuzuia moto mkali.

2.4 Kuzuia ukata kwa circuit breaker

Tumia circuit breakers zenye imara na mapya (mfano, aina za spring- au motor-charged sealed); tafuta kadi za GG-1A za zamani; hifadhi mitandao ya mikawaju; tumia coils za tripping za ubora.

2.5 Kuondokana na hatari za magonjwa ya impedansi-juu

Utambue na ufute feeders mara moja tu wakati alama za ardhi yanapatikana; punguza urefu wa feeders; salama mizizi ya fasi ili kupunguza current ya capacitance ya asili.

3. Mwisho

Ingawa transformers za kijani huongeza muundo na ustawi wa grid, mishtari yasiyofanikiwa yanaonyesha hatari yenye kukimbilia. Ripoti hii hunaliza sababu muhimu na kunakupa suluhisho ya kazi ili kusaidia eneo linalofanya au linachotaka kufanya transformers za kijani.

Transformers za Kijani za Aina Zigzag (Z-Type)

Katika mitandao ya ugawaji wa 35 kV na 66 kV, mizizi ya transformers mara nyingi yanaunganishwa kwa njia ya wye na nukta ya kati inapatikana, kutosha kutoa transformers za kijani. Lakini katika mitandao ya 6 kV na 10 kV, transformers zinazounganishwa kwa njia ya delta hazina nukta ya kati, kulingana na haki ya transformer wa kijani kutoa moja—kutokana na kutumia coils za kuzuia nyota.

Transformers za kijani hutumia uunganisho wa mizizi wa zigzag (Z-type): mizizi kila fasi inagawanyika kwenye miguu miwili ya core. Magnetic fluxes za sifuri-kutanu kutoka kwa mizizi miwili huonyesha kila mmoja, kusababisha impedance ya sifuri-kutanu chache (kawaida <10 Ω), losses za no-load chache, na kutumia zaidi ya 90% ya uwezo wa rated. Ingawa, transformers za kawaida wanaweza kuwa na impedance ya sifuri-kutanu chache, kusababisha uwezo wa coil za kuzuia nyota kuwa ≤20% ya rating ya transformer. Kwa hivyo, transformers wa aina Z ni bora kwa matumizi ya kijani.

Wakati unatumia voltage wa system unaendelea, mizizi ya Z-type yanayofanana yanaweza kutumika kwa ajili ya utambuzi. Katika mitandao ya chache (mfano, mitandao yote ya kablayo), neutral imeundwa kutoa 30–70 V ya unbalance voltage kwa ajili ya mahitaji ya utambuzi.

Transformers za kijani zinaweza pia kutumia mizizi ya sekondari, kutumika kama transformers za station service. Katika hali hii, rating ya msingi ni jumla ya uwezo wa coil za kuzuia nyota na uwezo wa sekondari.

Kazi kuu ya transformer wa kijani ni kutoa current ya compensation ya ground-fault.

Figure 1 na Figure 2 huonyesha mzunguko wa mizizi wa transformers wa kijani wa aina Z: ZNyn11 na ZNyn1. Sifa ya impedance ya sifuri-kutanu chache ni ifuatayo: kila mguu wa core una mizizi miwili sawa sawa unayounganishwa kwa voltages tofauti za fasi. Wakati unatumia voltage ya positive- au negative-sequence, magnetic motive force (MMF) kwa kila mguu ni sumu ya MMFs ya fasi miwili. MMFs miwili ya mgumu yanaonekana na ni 120° tofauti, kujenga njia ya magnetic ya imara, high flux, high induced voltage, na kwa hivyo magnetizing impedance imara.

Wakati unatumia voltage ya sifuri-kutanu, mizizi miwili kwenye kila mguu huunda MMFs sawa lakini viungo vyenye vipimo viungo, kusababisha net MMF kwa kila mguu kuwa sifuri. Hakuna flux ya sifuri-kutanu inayoflowa kwenye core; badala yake, ina circulate kwenye tank na medium ya karibu, kutegemea reluctance chache. Kwa hiyo, flux na impedance ya sifuri-kutanu ni chache.