Аналіз причин неправильного функціонування захисту заземлюючого трансформатора
У електроенергетичній системі Китаю 6 кВ, 10 кВ та 35 кВ мережі зазвичай використовують нейтральну точку, яка не заземлена. Сторона розподілу напруги основних перетворювачів у мережі зазвичай підключена в трикутну конфігурацію, що не надає нейтральної точки для підключення заземлюючих резисторів. Коли в системі з незаземленою нейтральною точкою виникає однофазова земляна аварія, трикутник фазової напруги залишається симетричним, що мінімально порушує роботу користувачів. Більше того, коли ємкісний струм досить невеликий (менше 10 А), деякі тимчасові земляні аварії можуть самостійно згасати, що є дуже ефективним для покращення надійності постачання електроенергії та зменшення випадків відключень.
Однак, з постійним розширенням та розвитком енергетичної галузі, цей простий метод більше не задовольняє поточні потреби. У сучасних міських електроенергетичних мережах зростання використання кабельних ліній призводить до значного збільшення ємкісних струмів (понад 10 А). При таких умовах, дуга земляної аварії не може надійно згасати, що призводить до наступних наслідків:
Перервне згасання та повторне запалення однофазової земляної дуги може спричинити перевищення напруги дугової земляної аварії з амплітудою, що досягає 4U (де U — пикове фазове напруга) або навіть більше, що триває довгий час. Це становить серйозну загрозу ізоляції електричного обладнання, може призвести до пробою в слабких точках ізоляції та значних втрат.
Тривала дуга іонізує оточуюче повітря, погіршуючи його ізоляційні властивості та збільшуючи ймовірність фазово-фазових коротких замикань.
Можуть виникнути ферорезонансні перевищення напруги, що легко можуть пошкодити перетворювачі напруги та громушки — можливо, навіть призводячи до вибухів громушок. Ці наслідки сильно загрожують цілісності ізоляції обладнання мережі та безпеці роботи всієї електроенергетичної системи.
Для запобігання таких випадків та забезпечення достатнього нульового послідовного струму та напруги для надійної роботи захисту від земляних аварій, необхідно створити штучну нейтральну точку, щоб до неї можна було під'єднати заземлюючий резистор. Ця потреба призвела до розробки заземлюючих перетворювачів (зазвичай відомих як "заземлюючі перетворювачі" або "заземлюючі блоки"). Заземлюючий перетворювач штучно створює нейтральна точку з заземлюючим резистором, який, зазвичай, має дуже низьку опір (зазвичай менше 5 ом).
Крім того, завдяки своїм електромагнітним характеристикам, заземлюючий перетворювач представляє високий опір для позитивних та негативних послідовних струмів, дозволяючи проходити лише невеликий струм збудження через його вітки. На кожному середньому стержні намотані дві секції віток у протилежних напрямках. Коли через ці вітки пройдуть рівні нульові послідовні струми, вони демонструють низький опір, що призводить до мінімального падіння напруги на вітках при нульових послідовних умовах.
Зокрема, під час земляної аварії вітка несе позитивні, негативні та нульові послідовні струми. Вона представляє високий опір для позитивних та негативних послідовних струмів, але низький опір для нульових послідовних струмів. Це тому, що в одній фазі дві вітки підключені послідовно з протилежними полярностями; їх індуковані електродвижущі сили рівні за величиною, але протилежні за напрямком, ефективно компенсуючи одна одну, таким чином, представляючи низький опір для нульових послідовних струмів.
У багатьох застосуваннях заземлюючі перетворювачі використовуються лише для створення нейтральної точки з невеликим заземлюючим резистором і не поставляють жодного вторинного навантаження. Тому багато заземлюючих перетворювачів проектуються без вторинної вітки. Під час нормальної роботи мережі заземлюючий перетворювач фактично працює в режимі без навантаження. Однак, під час аварії, він несе аварійний струм лише на короткий час. У системі з низькоопірним заземленням, коли на стороні 10 кВ виникає однофазова земляна аварія, високочутливий нульовий послідовний захист швидко виявляє та тимчасово відокремлює аварійний фідер.
Заземлюючий перетворювач активний лише на короткий період між моментом виникнення аварії та виконанням нульового послідовного захисту фідера. Під час цього часу нульовий послідовний струм проходить через нейтральний заземлюючий резистор та заземлюючий перетворювач, відповідно до формули: I_R = U / (R₁ + R₂), де U — фазова напруга системи, R₁ — нейтральний заземлюючий резистор, а R₂ — додатковий опір у контурі земляної аварії.
На основі вищевказаного аналізу, робочі характеристики заземлюючого перетворювача такі: довготривала робота без навантаження та короткотривала перевантаження під час аварій.
В заключенні, заземлюючий перетворювач штучно створює нейтральну точку для підключення заземлюючого резистора. Під час земляної аварії він представляє високий опір для позитивних та негативних послідовних струмів, але низький опір для нульових послідовних струмів, таким чином, забезпечуючи надійну роботу захисту від земляних аварій.
На сьогодні заземлюючі перетворювачі, встановлені в підстанціях, виконують дві основні функції:
Постачання низьковольтного чергового струму для допоміжного використання на підстанції;
Створення штучної нейтральної точки на стороні 10 кВ, яка, поєднана з резонансним додатком (сполуком Петерсона), компенсує ємкісний земляний аварійний струм під час однофазових земляних аварій на 10 кВ, що призводить до згасання дуги в точці аварії. Принцип такий:
По всій довжині провідників у трифазній електроенергетичній мережі існує ємність, яка присутня я між фазами, так і між кожною фазою та землею. Коли нейтральна точка мережі не заземлена, ємність до землі аварійної фази стає нульовою під час однофазової земляної аварії, тоді як напруги інших двох фаз зростають до √3 разів від нормальної фазової напруги. Хоча ця збільшена напруга залишається в рамках проектних обмежень ізоляції, вона збільшує їхню ємність до землі. Ємкісний земляний аварійний струм під час однофазової аварії приблизно у три рази більший за нормальний ємкісний струм на фазу. Коли цей струм стає великим, він легко підтримує перервні дуги, стимулюючи резонансні коливання в індуктивно-ємкісному контурі мережі та генеруючи перевищення напруги до 2,5–3 разів від фазової напруги. Чим вища напруга мережі, тим більшим є ризик від таких перевищень напруги. Тому лише системи нижче 60 кВ можуть працювати з незаземленою нейтральною точкою, оскільки їхні однофазові ємкісні земляні аварійні струми залишаються невеликими. Для високонапігних систем необхідно використовувати заземлюючий перетворювач, щоб під'єднати нейтральну точку через опір.
Коли одна сторона основного трансформатора підстанції (наприклад, бок 10 кВ) з'єднана у дельту або зірку без виведеного нейтрального проводу, і однофазний ємнісний струм до землі великий, немає доступної нейтральної точки для заземлення. У таких випадках застосовується заземлювальний трансформатор, щоб створити штучну нейтральну точку, що дозволяє підключитися до катушки підсилення. Ця штучна нейтраль дозволяє системі компенсувати ємнісний струм і гасити дугові короткозамкнення — це фундаментальна роль заземлювального трансформатора.
При нормальній роботі заземлювальний трансформатор досить симетричної напруги на трьох фазах і несе лише невеликий струм сполучення, практично не завантажений. Різниця потенціалів між нейтральним проводом і землею дорівнює нулю (знехтувавши малим напруженнім зміщенням нейтрального проводу через катушку підсилення), і жоден струм не проходить через катушку. Якщо, наприклад, фаза С отримає замикання на землю, виникає нульова послідовна напруга (випливає з асиметрії), яка проходить через катушку підсилення до землі. Катушка генерує індуктивний струм, що компенсує ємнісний струм короткозамкнення, таким чином елімінуючи дугу — функціонально однаково з окремою катушкою підсилення.
Останніми роками у деякому регіоні сталася багатьма помилками захисту заземлювального трансформатора на підстанціях 110 кВ, що серйозно впливало на стабільність мережі. Для виявлення корінних причин були проведені аналізи, впроваджені коригуючі заходи та поширені висновки, щоб запобігти повторенню та надати рекомендації іншим регіонам.
З ростом використання кабельних ліній живлення в мережах 10 кВ підстанцій 110 кВ, однофазні ємнісні струми до землі значно зросли. Щоб приглушити амплітуду перевищень напруги при короткозамкненнях на землю, багато підстанцій 110 кВ тепер встановлюють заземлювальні трансформатори для реалізації заземлення з низьким опором, створюючи шлях нульової послідовної струму. Це дозволяє виконувати вибірковий захист нульової послідовності, щоб виділити короткозамкнення на землю залежно від їхнього місцезнаходження, запобігаючи повторному відкриттю дуги та забезпечуючи безпечне живлення.
З 2008 року певний регіон модернізував свої системи 10 кВ підстанцій 110 кВ до заземлення з низьким опором, встановивши заземлювальні трансформатори та пов'язані пристрої захисту. Це дозволяє швидко виділити будь-яке короткозамкнення на землю на лінії 10 кВ, мінімізуючи вплив на мережу. Однак, недавно, п'ять підстанцій 110 кВ в регіоні досі досіталися повторних помилок захисту заземлювального трансформатора, що викликало відключення і загрожувало стабільністю мережі. Тому важливо визначити причини та впровадити вирішення.
1. Аналіз причин помилок захисту заземлювального трансформатора
При короткозамкненні на землю на лінії 10 кВ, захист нульової послідовності лінії на підстанції 110 кВ має спрацювати перший, щоб виділити замикання. Якщо він не спрацьовує, резервний захист нульової послідовності заземлювального трансформатора відключає з'єднувач шин та відключає головний трансформатор, щоб обмежити замикання. Тому правильна робота захисту лінії 10 кВ та відключаючих пристроїв критична. Статистичний аналіз помилок на п'яти підстанціях показує, що невдала робота захисту лінії є основною причиною.
Захист нульової послідовності лінії 10 кВ працює так: нульова послідовна ТТ відбирає проби → захист активується → відключаючий пристрій спрацьовує. Основними компонентами є нульова послідовна ТТ, реле захисту та відключаючий пристрій. Аналіз зосереджується на них:
1.1 Помилки нульової послідовної ТТ, що викликають помилки
При короткозамкненні на землю, нульова послідовна ТТ виявляє струм замикання, що викликає її захист. Одночасно, нульова послідовна ТТ заземлювального трансформатора також виявляє струм. Для забезпечення вибірковості, налаштування захисту лінії (наприклад, 60 А, 1,0 с) нижче, ніж налаштування заземлювального трансформатора (наприклад, 75 А, 1,5 с для відключення з'єднувача шин, 2,5 с для відключення головного трансформатора). Однак, помилки ТТ (наприклад, -10% для ТТ заземлювального трансформатора, +10% для ТТ лінії) можуть зробити фактичні струми майже рівними (67,5 А проти 66 А), полагоджуючись лише на затримку часу. Це збільшує ризик пересягнення заземлювального трансформатора.
1.2 Неправильне заземлення екрану кабелю, що викликає помилки
Лінії 10 кВ використовують кабелі з екраном, які заземлені на обох кінцях — це типова практика зниження ЕМІ. Нульові послідовні ТТ зазвичай є тороподібними, встановленими навколо кабелю виходу комутаційного пристрою. При короткозамкненні на землю, несиметричний струм викликає сигнал у ТТ. Однак, якщо екран заземлений на обох кінцях, циркулюючі струми екрану також проходять через ТТ, спотворюючи вимірювання. Без правильного встановлення (наприклад, провід заземлення екрану правильно проходить через ТТ), захист лінії може відмовити, викликавши пересягнення заземлювального трансформатора.
1.3 Відмова захисту лінії, що викликає помилки
Хоча микропроцесорні реле пропонують високу продуктивність, якість продуктів варіюється. Поширеними відмовами є питання з живленням, відбиранням проб, CPU або модулями відключення. Якщо це не виявлено, це може викликати відмову захисту, що призводить до помилок заземлювального трансформатора.
1.4 Відмова відключаючого пристрою лінії, що викликає помилки
Старіння, часті операції або низькоякісні відключаючі пристрої (особливо старі типи GG-1A у сільських районах) збільшують частоту відмов. Відмови контрольних контурів — особливо спалені катушки відключення — не дозволяють роботи відключаючого пристрою, навіть коли захист вказує на відключення, примусивши резервний захист заземлювального трансформатора діяти.
1.5 Короткозамкнення на землю з високим опором на одній або двох лініях, що викликає помилки
Якщо дві лінії одночасно отримують короткозамкнення на землю з високим опором на одній фазі, окремі нульові послідовні струми (наприклад, 40 А і 50 А) можуть залишатися нижче захоплення лінії (60 А), але їхня сума (90 А) перевищує налаштування заземлювального трансформатора (75 А), призводячи до пересягнення. Навіть одне сильне короткозамкнення з високим опором (наприклад, 58 А) разом з нормальним ємнісним струмом (наприклад, 12–15 А) може наблизитися до 75 А. Збурення системи можуть тоді викликати помилки.
2. Захисти від помилок
2.1 Вирішення проблем з помилками ТТ
Використовуйте високоякісні нульові послідовні ТТ; відхиляйте одиниці з помилкою >5% під час введення в експлуатацію; встановлюйте пороги захисту на основі первинних значень; перевіряйте налаштування через первинні вставки.
2.2 Правильне заземлення екрану кабелю
Прокладайте заземляючі дроти щиту вниз через нульовий послідовний трансформатор і ізольуйте від кабельних каналів; уникайте контакту перед трансформатором.
Залишайте оголені кінці провідників для тестування; ізольуйте решту.
Якщо точка заземлення щиту знаходиться нижче трансформатора, не прокладайте її через трансформатор. Уникайте розташування точки заземлення всередині вікна трансформатора.
Навчайте персонал захисту та кабельного обслуговування правильному монтажу.
Забезпечуйте спільну приймальну перевірку командами реле, експлуатації та кабельного обслуговування.
2.3 Запобігання відмовам захисту
Використовуйте доведені, надійні реле; замінюйте старі або пошкоджені одиниці; покращуйте обслуговування; встановлюйте системи охолодження/вентиляції, щоб запобігти перегріву.
2.4 Запобігання відмовам автоматичних вимикачів
Використовуйте надійні, сучасні автоматичні вимикачі (наприклад, типи з пружинним або електродвигунним заряджанням); виводьте з експлуатації старі шафи GG-1A; підтримуйте цепи керування; використовуйте високоякісні катушки триперації.
2.5 Зниження ризиків високоімпедансних аварій
Швидко досліджуйте та ліквідуйте питаючі лінії, коли виникають сигналізації про заземлення; скорочуйте довжину питаючих ліній; балансуйте фазні навантаження, щоб зменшити нормальний ємнісний струм.
3. Висновки
Хоча заземлюючі трансформатори покращують структуру та стабільність мережі, повторювані невірні операції виділяють приховані ризики. Ця стаття аналізує ключові причини та пропонує практичні рішення, щоб направити регіони, які вже встановили або планують встановити заземлюючі трансформатори.
Зигзагові (Z-тип) заземлюючі трансформатори
У розподільчих мережах на 35 кВ та 66 кВ обмотки трансформаторів зазвичай підключені по схемі "звезда" з доступною нейтральною точкою, що еліминує потребу у заземлюючих трансформаторах. Однак, у мережах на 6 кВ та 10 кВ, де трансформатори підключені по схемі "трикутник", відсутня нейтральна точка, що робить необхідним використання заземлюючого трансформатора для її створення — в основному для підключення кіл загасання дуг.
Заземлюючі трансформатори використовують зигзагові (Z-тип) з'єднання обмоток: кожна фазова обмотка розподілена на дві частини по двох стержнях сердечника. Нуль-послідовні магнітні потоки від двох обмоток взаємно компенсуються, що призводить до дуже низького нуль-послідовного імпедансу (зазвичай <10 Ω), низьких безнавантажених втрат та використання понад 90% номінальної потужності. На відміну від традиційних трансформаторів, які мають набагато більший нуль-послідовний імпеданс, що обмежує потужність кіл загасання дуг до ≤20% від номінальної потужності трансформатора. Таким чином, Z-тип трансформатори є оптимальними для заземлюючих застосувань.
При великих напругах небалансу системи, балансовані Z-тип обмотки достатньо для вимірювання. У системах з низьким небалансом (наприклад, повністю кабельні мережі) нейтраль проектується так, щоб виробляти 30–70 В напруги небалансу для вимірювальних потреб.
Заземлюючі трансформатори також можуть забезпечувати вторинне навантаження, виконуючи роль станційних трансформаторів. У таких випадках, первинна потужність дорівнює сумі потужності кіл загасання дуг та вторинного навантаження.
Основна функція заземлюючого трансформатора полягає в доставці струму компенсації аварійного заземлення.
Рисунок 1 та Рисунок 2 показують два поширені з'єднання Z-тип заземлюючих трансформаторів: ZNyn11 та ZNyn1. Принцип низького нуль-послідовного імпедансу такий: кожен стержень сердечника містить дві однакові обмотки, підключені до різних фазових напруг. При позитивній або негативній послідовності напруг, магнітно-динамічна сила (МДС) на кожному стержні є векторною сумою двох фазових МДС. Три стержневі МДС є збалансованими та розташовані на 120°, формуючи замкнутий магнітний шлях з низьким опором, високим потоком, високою викликаною напругою, та, таким чином, високим магнітним імпедансом.
При нуль-послідовній напругі, дві обмотки на кожному стержні створюють рівні, але протилежні МДС, що призводить до нульової загальної МДС на кожному стержні. Нуль-послідовний потік не проходить через сердечник, а циркулює через корпус та оточуючу середу, зустрічаючи високий опір. В результаті, нуль-послідовний потік та імпеданс є дуже низькими.
