Pagsusuri ng mga Dahilan sa Maliit na Paggamit ng Proteksyon ng Grounding Transformer

Sa sistema ng kuryente sa Tsina, ang mga grid na 6 kV, 10 kV, at 35 kV ay karaniwang gumagamit ng mode ng operasyon na walang grounded na neutral point. Ang distribusyon voltage side ng mga pangunahing transformer sa grid ay karaniwang nakakonekta sa delta configuration, na nagbibigay ng walang neutral point para maikonekta ang mga grounding resistors. Kapag may single-phase ground fault sa isang system na walang grounded na neutral point, ang line-to-line voltage triangle ay nananatiling symmetrical, na nagpapahaba ng minimal disruption sa operasyon ng mga user. Bukod dito, kapag ang capacitive current ay mas maliit (baba pa sa 10 A), ang ilang transient ground faults ay maaaring mawala nang natural, na napakaepektibo ito sa pagpapabuti ng reliabilidad ng power supply at pagbabawas ng mga insidente ng brownout.

Gayunpaman, kasabay ng patuloy na paglaki at pag-unlad ng industriya ng kuryente, ang simpleng paraan na ito ay hindi na sapat sa kasalukuyang mga demand. Sa modernong urban power grids, ang pagdagdag sa paggamit ng cable circuits ay nagresulta sa mas mataas na capacitive currents (higit sa 10 A). Sa mga kondisyong ito, ang ground arc ay hindi maaaring mapabilis na mawala, na nagreresulta sa mga sumusunod na banta:

• Ang intermittent na pagwala at pagbabalik ng single-phase ground arc ay maaaring bumuo ng arc-ground overvoltages na may amplitudes na umabot hanggang 4U (kung saan ang U ay ang peak phase voltage) o higit pa, na tumatagal ng mahabang panahon. Ito ay nagpapahamak sa insulation ng mga electrical equipment, na maaaring magresulta sa breakdown sa mga weak insulation points at nagdudulot ng malaking pagkawala.

• Ang patuloy na arcing ay ionizes ang paligid na hangin, na nagpapahina ng mga insulating properties nito at nagpapataas ng posibilidad ng phase-to-phase short circuits.

• Maaaring mangyari ang ferroresonant overvoltages, na madaling nagdudulot ng pinsala sa mga voltage transformers at surge arresters—na maaaring magresulta sa pagsabog ng arrester. Ang mga resulta na ito ay nagpapahamak sa integrity ng insulation ng mga grid equipment at nagbabanta sa ligtas na operasyon ng buong sistema ng kuryente.

Upang maiwasan ang mga insidente na ito at ibigay ang sapat na zero-sequence current at voltage upang matiyak ang reliable na operasyon ng ground-fault protection, kinakailangan ang paglikha ng isang artificial na neutral point upang maikonekta ang grounding resistor. Ang pangangailangan na ito ang nag-udyok sa pagbuo ng grounding transformers (karaniwang tinatawag na "grounding transformers" o "grounding units"). Ang grounding transformer ay artificially naglikha ng isang neutral point na may grounding resistor, na karaniwang may napakababang resistance (madalas bababa sa 5 ohms).

Bukod dito, dahil sa kanyang electromagnetic characteristics, ang grounding transformer ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents, na nagpapahintulot lamang ng maliit na excitation current na lumampas sa kanyang mga winding. Sa bawat core limb, dalawang winding sections ang inuugnay sa opposite directions. Kapag equal na zero-sequence currents ang lumampas sa mga winding na ito, sila ay nagpapakita ng mababang impedance, na nagreresulta sa minimal na voltage drop sa mga winding sa ilalim ng zero-sequence conditions.

Partikular, sa panahon ng ground fault, ang winding ay nagdadala ng positive-, negative-, at zero-sequence currents. Ito ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents pero mababang impedance sa zero-sequence current. Ito ay dahil, sa loob ng parehong phase, ang dalawang windings ay konektado sa series na may opposite polarity; ang kanilang induced electromotive forces ay equal sa magnitude pero opposite sa direksyon, na effectively nagcancancel out, na nagpapakita ng mababang impedance sa zero-sequence current.

Sa maraming aplikasyon, ang grounding transformers ay ginagamit lamang upang ibigay ang isang neutral point na may maliit na grounding resistor at hindi nagbibigay ng anumang secondary load. Kaya, maraming grounding transformers ang idinisenyo na walang secondary winding. Sa normal na operasyon ng grid, ang grounding transformer ay operasyon sa isang no-load state. Gayunpaman, sa panahon ng fault, ito ay nagdadala ng fault current para sa isang maikling panahon. Sa isang low-resistance grounded system, kapag may single-phase ground fault sa 10 kV side, ang highly sensitive na zero-sequence protection ay mabilis na nakakakilala at pansamantalang inihiwalay ang faulty feeder. 

Ang grounding transformer ay aktibo lamang sa maikling interval sa pagitan ng pagkakaroon ng fault at ang operasyon ng feeder’s zero-sequence protection. Sa panahong ito, ang zero-sequence current ay lumampas sa neutral grounding resistor at ang grounding transformer, na sinusunod ang formula: I_R = U / (R₁ + R₂), kung saan ang U ay ang system phase voltage, ang R₁ ay ang neutral grounding resistor, at ang R₂ ay ang additional resistance sa ground fault loop.

Batay sa analisis na ito, ang operational characteristics ng grounding transformer ay: long-term na no-load operation at short-term overload sa panahon ng faults.

Sa kabuuan, ang grounding transformer ay artificially naglikha ng isang neutral point upang maikonekta ang grounding resistor. Sa panahon ng ground fault, ito ay nagpapakita ng mataas na impedance sa positive- at negative-sequence currents pero mababang impedance sa zero-sequence current, na nagpapatiyak ng reliable na operasyon ng ground-fault protection.

Kasalukuyan, ang mga grounding transformers na nai-install sa mga substation ay may dalawang pangunahing layunin:

• Pagbibigay ng mababang voltage na AC power para sa auxiliary use ng substation;

• Paglikha ng isang artificial na neutral point sa 10 kV side, na kapag pinagsama sa isang arc suppression coil (Petersen coil), nagcompensate sa capacitive ground-fault current sa panahon ng 10 kV single-phase ground faults, na nagresulta sa pagwala ng arc sa fault point. Ang prinsipyong ito ay ganito:

Sa buong haba ng mga conductor sa three-phase power grid, may capacitance na umiiral sa pagitan ng mga phase at sa pagitan ng bawat phase at ground. Kapag ang grid neutral ay hindi solidly grounded, ang capacitance to ground ng faulted phase ay naging zero sa panahon ng single-phase ground fault, samantalang ang voltages ng ibang dalawang phases ay tumaas hanggang √3 beses ang normal na phase voltage. Bagama't ang taas na ito ng voltage ay nasa loob pa rin ng insulation design limits, ito ay nagpapataas ng kanilang capacitance to ground. Ang capacitive ground-fault current sa panahon ng single-phase fault ay humigit-kumulang tatlong beses ang normal na per-phase capacitive current. Kapag ang current na ito ay naging malaki, ito ay madaling nagpapanatili ng intermittent arcs, na nag-eexcite ng resonant oscillations sa inductive-capacitive circuit ng grid at nagggenerate ng overvoltages na hanggang 2.5–3 beses ang phase voltage. Ang mas mataas ang grid voltage, ang mas malaking panganib mula sa mga overvoltages. Kaya, ang mga system na mas mababa sa 60 kV lamang ang maaaring mag-operate na walang grounded na neutral, dahil ang kanilang single-phase capacitive ground-fault currents ay naiwan na maliit. Para sa mas mataas na voltage systems, kinakailangan ang paggamit ng grounding transformer upang maikonekta ang neutral point sa pamamagitan ng impedance.

Kapag ang isang bahagi ng pangunahing transformador ng isang substation (halimbawa, ang bahaging 10 kV) ay konektado sa delta o wye nang walang neutral na inilabas, at ang single-phase capacitive ground current ay malaki, walang available na neutral point para sa grounding. Sa mga kaso na ito, ginagamit ang grounding transformer upang lumikha ng isang artipisyal na neutral point, na nagbibigay-daan sa koneksyon sa arc suppression coil. Ang artipisyal na neutral na ito ay nagpapahintulot sa sistema na kompensasyonin ang capacitive current at mawala ang ground arcs—ito ang pundamental na tungkulin ng grounding transformer.

Sa normal na operasyon, ang grounding transformer ay nakakaranas ng balanced three-phase voltage at nagdadala lamang ng maliit na excitation current, na gumagana nang halos walang load. Ang potential difference mula sa neutral hanggang sa lupa ay zero (pinagsasama ang maliit na neutral displacement voltage mula sa arc suppression coil), at walang current ang lumilipad sa loob ng coil. Kung, halimbawa, ang phase C ay may ground fault, ang resulta ng zero-sequence voltage (na galing sa asymmetry) ay lumilipad sa pamamagitan ng arc suppression coil patungo sa lupa. Ang coil ay naglalabas ng inductive current na kompensasyon sa capacitive ground-fault current, na nagwawasak ng arc—functionally identical sa standalone arc suppression coil.

Sa mga nakaraang taon, maraming misoperations ng grounding transformer protection ang naganap sa 110 kV substations sa isang tiyak na rehiyon, na malubhang nakaapekto sa grid stability. Upang matukoy ang mga pinagmulan, ginawa ang mga analisis, ipinatupad ang mga pagwawasto, at ibinahagi ang mga aral upang maprevent ang pag-ulan at magpatuloy sa iba pang rehiyon.

Dahil sa pagtaas ng paggamit ng cable feeders sa 110 kV substation 10 kV networks, ang single-phase capacitive ground currents ay tumaas nang sustansyal. Upang supilin ang magnitudes ng overvoltage sa panahon ng ground faults, marami ngayong 110 kV substations ang nag-install ng grounding transformers upang ipatupad ang low-resistance grounding, na nagtatatag ng zero-sequence current path. Ito ay nagbibigay-daan sa selective zero-sequence protection na i-isolate ang ground faults batay sa lokasyon, na nagpapahinto ng arc reignition at nag-aaseguro ng ligtas na power supply.

Simula noong 2008, ang isang tiyak na rehiyon ay naimprove ang 110 kV substation 10 kV systems nito sa low-resistance grounding sa pamamagitan ng pagsasa-install ng grounding transformers at associated protection devices. Ito ay nagbibigay-daan sa mabilis na isolation ng anumang 10 kV feeder ground fault, na minimina ang impact sa grid. Gayunpaman, kamakailan, limang 110 kV substations sa rehiyon ay naranasan ang paulit-ulit na misoperations ng grounding transformer protection, na nagdudulot ng outages at nanganganib sa grid stability. Kaya, mahalaga ang pagtukoy ng mga sanhi at pag-implement ng solusyon.

1. Analisis ng Mga Sanhi ng Misoperation ng Grounding Transformer Protection

Kapag ang 10 kV feeder ay may ground fault, ang zero-sequence protection ng feeder sa 110 kV substation ang dapat unang gumana upang i-isolate ang fault. Kung hindi ito gumana, ang backup zero-sequence protection ng grounding transformer ang nag-trip ng bus tie at main transformer breakers upang i-contain ang fault. Kaya, mahalaga ang tama na operasyon ng 10 kV feeder protection at breakers. Ang statistical analysis ng misoperations sa limang substation ay nagpapakita na ang feeder protection failure ang pangunahing sanhi.

Ang 10 kV feeder zero-sequence protection ay gumagana sa ganito: zero-sequence CT samples → protection initiates → breaker trips. Ang mga key components ay ang zero-sequence CT, protection relay, at breaker. Ang analisis ay nakatuon sa mga ito:

1.1 Zero-sequence CT errors causing misoperation
Kapag may ground fault, ang zero-sequence CT ng faulty feeder ay detekto ang fault current, na nag-trigger ng protection nito. Samantalang, ang zero-sequence CT ng grounding transformer ay din ang nagsasense ng current. Upang siguruhin ang selectivity, ang feeder protection settings (halimbawa, 60 A, 1.0 s) ay mas mababa kaysa sa grounding transformer settings (halimbawa, 75 A, 1.5 s to trip bus tie, 2.5 s to trip main transformer). Gayunpaman, ang CT errors (halimbawa, -10% para sa grounding transformer CT, +10% para sa feeder CT) ay maaaring gawing halos pantay ang actual pickup currents (67.5 A vs. 66 A), na umaasa lamang sa time delay. Ito ay nagdudulot ng pagtaas ng panganib ng grounding transformer overreach.

1.2 Incorrect cable shield grounding causing misoperation
Ang 10 kV feeders ay gumagamit ng shielded cables na may shields na grounded sa parehong dulo—isa sa mga karaniwang practice sa EMI mitigation. Ang zero-sequence CTs ay tipikal na toroidal, na ininstall sa paligid ng cable sa switchgear outlet. Kapag may ground fault, ang unbalanced current ay nag-induce ng signal sa CT. Gayunpaman, kung ang shield ay grounded sa parehong dulo, ang circulating shield currents ay din lumilipad sa CT, na nag-distort ng measurement. Kung hindi tama ang installation (halimbawa, ang shield ground wire ay lumilipad tama sa CT), ang feeder protection ay maaaring mabigo, na nagdudulot ng grounding transformer overreach.

1.3 Feeder protection failure causing misoperation
Kahit na ang microprocessor-based relays ay nagbibigay ng mataas na performance, ang kalidad ng produkto ay may iba't ibang antas. Ang mga karaniwang pagkakamali ay kasangkot sa power, sampling, CPU, o trip output modules. Kung hindi napagtanto, ang mga ito ay maaaring mabigo, na nagdudulot ng protection refusal, na nagdudulot ng grounding transformer misoperation.

1.4 Feeder breaker failure causing misoperation
Ang pagtanda, maraming operasyon, o mahinang kalidad ng breakers (lalo na ang mas matandang GG-1A types sa rural areas) ay nagdudulot ng pagtaas ng pagkakamali. Ang control circuit faults—lalo na ang burnt trip coils—ay nagpapahinto ng breaker operation kahit na ang protection ay nag-command ng trip, na nagpapakialam ng grounding transformer backup.

1.5 High-impedance ground faults on one or two feeders causing misoperation
Kapag ang dalawang feeders ay may simultaneous high-impedance ground faults sa parehong phase, ang individual zero-sequence currents (halimbawa, 40 A at 50 A) ay maaaring manatili sa ilalim ng feeder pickup (60 A), ngunit ang kanilang sum (90 A) ay lumampas sa grounding transformer setting (75 A), na nagdudulot ng overreach. Kahit na ang iisang severe high-impedance fault (halimbawa, 58 A) na pinagsama sa normal capacitive current (halimbawa, 12–15 A) ay maaaring lumampas sa 75 A. Ang system disturbances ay maaaring trigger ang misoperation.

2. Countermeasures to Prevent Misoperation

2.1 Address CT errors

Gumamit ng high-quality zero-sequence CTs; reject units na may >5% error sa panahon ng commissioning; set protection thresholds batay sa primary values; verify settings via primary injection testing.

2.2 Correct cable shield grounding

• Ilabas ang mga ground wire pababa sa pamamagitan ng zero-sequence CT at insulate mula sa cable trays; iwasan ang pagkakasalubong bago ang CT.

• Iwanan ang mga exposed conductor ends para sa testing; insulate ang iba pa.

• Kung ang shield ground point ay nasa ilalim ng CT, huwag ilabas ito sa pamamagitan ng CT. Iwasan ang paglalagay ng ground point sa loob ng CT window.

• Pagsikapin ang mga tauhan sa proteksyon at kable tungkol sa tamang installation.

• Ipakilala ang joint acceptance inspections sa pamamagitan ng relay, operations, at cable teams.

2.3 Iwasan ang pagtanggi ng proteksyon

Gamitin ang napapatunayang reliable na relays; palitan ang lumang o may kasalang units; palakasin ang maintenance; i-install ang cooling/ventilation upang iwasan ang overheating.

2.4 Iwasan ang pagtanggi ng breaker

Gamitin ang reliable, modern na breakers (halimbawa, spring- o motor-charged sealed types); phase out ang lumang GG-1A cabinets; panatilihin ang control circuits; gamitin ang high-quality trip coils.

2.5 Bawasan ang mga panganib ng high-impedance fault

Agad na imbestigahan at linisin ang feeders kapag may ground alarms; bawasan ang haba ng feeders; balansehin ang phase loads upang minimisahin ang normal capacitive current.

3. Kasamaan

Bagama't ang grounding transformers ay nagpapabuti ng grid structure at stability, ang paulit-ulit na misoperations ay nagpapakita ng nakaambang mga panganib. Ang paper na ito ay analisa ng mga pangunahing dahilan at nagpopropona ng praktikal na solusyon upang gabayan ang mga rehiyon na may na-install o plano na i-install ang grounding transformers.

Zigzag (Z-Type) Grounding Transformers

Sa 35 kV at 66 kV distribution networks, ang mga winding ng transformer ay karaniwang wye-connected na may available neutral point, na nag-iwas sa pangangailangan ng grounding transformers. Gayunpaman, sa 6 kV at 10 kV networks, ang mga delta-connected transformers ay walang neutral point, kaya kinakailangan ang grounding transformer upang magbigay ng isa—primarily para sa koneksyon ng arc suppression coils.

Ang mga grounding transformers ay gumagamit ng zigzag (Z-type) winding connections: bawat phase winding ay nahahati sa dalawang core limbs. Ang mga zero-sequence magnetic fluxes mula sa dalawang windings ay kanselado ang isa't isa, na nagreresulta sa napakababang zero-sequence impedance (karaniwang <10 Ω), mababang no-load losses, at paggamit ng higit sa 90% ng rated capacity. Sa kabaligtaran, ang conventional transformers ay may mas mataas na zero-sequence impedance, na limitado ang capacity ng arc suppression coil sa ≤20% ng rating ng transformer. Kaya, ang Z-type transformers ay optimal para sa grounding applications.

Kapag malaki ang system unbalance voltage, sapat ang balanced Z-type windings para sa measurement. Sa low-unbalance systems (halimbawa, all-cable networks), ang neutral ay disenyo upang lumikha ng 30–70 V unbalance voltage para sa mga pangangailangan ng measurement.

Maaari rin ang mga grounding transformers na magbigay ng secondary loads, na nagbibigay din sila ng serbisyo bilang station service transformers. Sa ganitong mga kaso, ang primary rating ay katumbas ng sum ng capacity ng arc suppression coil at secondary load capacity.

Ang pangunahing tungkulin ng grounding transformer ay magbigay ng ground-fault compensation current.

Ang Figure 1 at Figure 2 ay nagpapakita ng dalawang karaniwang Z-type grounding transformer connections: ZNyn11 at ZNyn1. Ang prinsipyong nasa likod ng mababang zero-sequence impedance ay: bawat core limb ay may dalawang identical na windings na konektado sa iba't ibang phase voltages. Sa ilalim ng positive- o negative-sequence voltage, ang magnetomotive force (MMF) sa bawat limb ay ang vector sum ng dalawang phase MMFs. Ang tatlong limb MMFs ay balanced at 120° apart, na bumubuo ng saradong magnetic path na may mababang reluctance, mataas na flux, mataas na induced voltage, at kaya mataas na magnetizing impedance.

Sa ilalim ng zero-sequence voltage, ang dalawang windings sa bawat limb ay naglalabas ng equal pero opposite MMFs, na nagreresulta sa zero net MMF per limb. Walang zero-sequence flux ang lumilipad sa core; sa halip, ito ay umuusbong sa pamamagitan ng tank at paligid na medium, na nakakarating sa mataas na reluctance. Bilang resulta, ang zero-sequence flux at impedance ay napakababa.