Zpracování jednofázového zemního spojení na distribuční čáře 35 kV

Vedení distribuční sítě: Klíčová součást elektrických systémů

Vedení distribuční sítě jsou klíčovou součástí elektrických systémů. Na stejné sběrnici stejného napěťového stupně je připojeno několik vedení distribuční sítě (pro vstup nebo výstup), každé s mnoha odvětvími uspořádanými radiálně a spojenými s transformátory distribuční sítě. Po snížení napětí těmito transformátory na nízké napětí se elektřina dodává široké škále koncových uživatelů. V těchto distribučních sítích často dochází k poruchám, jako jsou mezi fázemi krátké spojení, přetížení (přetok) a jednofázové zemní poruchy. Mezi nimi jsou jednofázové zemní poruchy nejčastější, tvoří více než 70 % celkových poruch systému. Kromě toho mnoho krátkých spojení vzniká z jednofázových zemních poruch, které se vyvíjejí v vícefázové zemní poruchy.

Jednofázové zemní poruchy označují situace, kdy jakákoli z tří fází (A, B nebo C) na vedení distribuční sítě praskne a dopadne na zem, dotýká se stromů, budov, sloupů nebo stožárů, tím vytvářejíc vodivou cestu s zemí. Mohou také vznikat z přetlaku způsobeného blesky nebo jinými atmosférickými podmínkami, což poškozuje izolaci distribučního zařízení a způsobuje výrazné pokles izolačního odporu k zemi.

Když dojde k jednofázové zemní poruše v systému s malým proudem zemnění, není okamžitě vytvořena kompletní smyčka poruchy. Kondenzátorový zemní proud je mnohem menší než zátěžový proud a napětí na liniích zůstává symetrické, takže dodávka energie uživatelům není okamžitě narušena. Proto předpisy umožňují pokračování provozu s jednou zemní poruchou až po 2 hodiny. Nicméně, napětí na nefaultovaných fázích vzroste vzhledem k zemi, což hrozí poškozením izolace. Proto je nutné rychle identifikovat a řešit vedení s existující zemní poruchou.

I. Identifikace jednofázových zemních poruch na pomocných sběrnicích 35kV

Při výskytu jednofázových zemních poruch, ferorézonance, chybě fáze nebo přehoření vysokonapěťových pojistek v transformátorech napětí (VT) mohou pozorované jevy být podobné, ale důkladná analýza odhalí rozdíly.

• Jednofázová zemní porucha:
  Podstanice a SCADA systém vydají signály, jako "zemnění sběrnice 35kV" nebo "aktivován dezodulační cívka č. X." Relé ochrana nezaznamená skok, ale aktivuje alarmové signály. Napětí na porušené fázi klesne, zatímco napětí na ostatních dvou fázích vzroste. Indikační světlo VT pro porušenou fázi ztmavne, zatímco ostatní dvě osvětlí. Při pevném (kovovém) zemním spojení klesne napětí na porušené fázi na nulu a napětí na ostatních dvou fázích vzroste o √3, zatímco linkové napětí zůstane neměnné. Výstup 3V₀ VT bude asi 100V a osvětlí se indikační světlo harmonického potlačení. Dezodulační cívka nese proud, rovnající se kompenzačnímu proudu odpovídajícímu jejímu nastavení. Pokud je instalován selektor malých proudu, aktivuje se a identifikuje porušené vedení. Pokud je porucha uvnitř podstanice, fyzické znaky, jako viditelné oblouky, kouř a hlasité elektřinové zvuky, usnadňují identifikaci místa poruchy.

• Ferorézonance:
  Vygeneruje se posunuté napětí neutrálního bodu, což změní třífázové fázové napětí. Typicky se zvýší napětí na jedné fázi, zatímco na ostatních dvou klesne, nebo naopak, a linkové napětí se také změní podle toho. Protože neutrální napětí není nulové, proud teče přes dezodulační cívku a mohou se objevit signály "zemnění sběrnice" v závislosti na velikosti posunutého napětí.

• Chyba fáze:
  Napětí na straně nad průběžnou fází, která byla ztracena, vzroste na 1,5 násobek normálního napětí, zatímco napětí pod průběžnou fází klesne na nulu. Proud na porušené fázi se stane nulový a napětí na ostatních dvou fázích mírně klesne. Linkové napětí zůstane neměnné. 3V₀ bude asi 50V, dezodulační cívka nese proud a je vydán signál zemnění. Uživatelé pravděpodobně ohlásí výpadky proudu.

• Přehoření vysokonapěťové pojistky VT:
  Napětí na prasklé fázi klesne výrazně (typicky pod polovinu normálního fázového napětí), zatímco napětí na ostatních fázích nevzroste. Linkové napětí se stane nerovnoměrné. Všechny vývodní okruhy na sběrnici spustí poplach "otevřený obvod napětí". 3V₀ bude asi 33V a je vydán signál zemnění.

I když tyto čtyři stavu – jednofázová zemní porucha, ferorézonance, chyba fáze a přehoření pojistky VT – ukazují podobné symptomy, důkladná analýza fázového napětí, linkového napětí, 3V₀, proudu dezodulační cívky, automatizačních signálů SCADA a hlášení z operační síně mohou přesně rozlišit jednofázovou zemní poruchu.

II. Postup řešení jednofázových zemních poruch na pomocné sběrnici 35kV

Když dojde k zemní poruše na vedení 35kV, sběrnice 35kV podstanice Wan’an vydá poplach o zemnění. Okamžitě se musí oznámit personálu centrální stanice, aby provedl kontrolu zařízení a stavu ochrany v podstanici (včetně napětí 3V₀, stavu selektoru malých proudu, teploty/proudu dezodulační cívky atd.) a vypravit tým operativního vedení pro prohlídku vedení. Po získání zpětné vazby z centrální stanice, potvrzující zemní poruchu, by měla být provedena zkoušková přepnutí (zkouškové vypnutí) vedení. Před zkouškovým přepnutím musí být upozorněni klíčoví uživatelé. 

Pro systémy bez zařízení pro zkouškové přepnutí je možné vzdálené vypnutí prostřednictvím SCADA, ale musí být nejdříve převedeny zátěže na dolních podstanicích. V systémech s vnitřními mostovými spojeními musí být zakázány automatické přepínače (ATS), aby nedošlo k přenosu poruchy na zdravé sekce.Jakmile je identifikováno specifické vedení jako porušené, by měla být přednost dána převodu jeho zátěže, než bude porušené vedení odstaveno. Tým operativního vedení a personál centrální stanice by pak měli být informováni o prohlídce vedení 35kV a kontrole zařízení 35kV v příslušné podstanici 35kV. 

Aby se zabránilo eskalaci poruchy na mezi fázemi krátké spojení, které by mohlo způsobit náhlé výpadky, musí být porušené zařízení rychle nalezeno a izolováno. Kromě toho, aby se zabránilo přehřátí a poškození dezodulační cívky, by mělo být porušené zařízení obecně izolováno do 2 hodin. Teplotní stoupání cívky by mělo být sledováno a udržováno pod 55°C. Pokud je toto překročeno, musí být okamžitě zastaven provoz s jednofázovou zemní poruchou a porušené zařízení odpojeno. Pokud se zemní stav udrží déle než 2 hodiny, situace musí být nahlášena vyššímu vedení.

III. Závěr

Když dojde k jednofázové zemní poruše na vedení distribuční sítě, velikost a fáze napětí na vedení zůstávají neměnné, což umožňuje krátkodobé pokračování v provozu bez odpojení porušeného zařízení. Ačkoli to zlepšuje spolehlivost dodávky, napětí na dvou zdravých fázích stoupne na úroveň mezi fázemi, což zvyšuje riziko porušení izolace a následného dvoufázového zemního krátkého spojení. To představuje významné riziko pro bezpečné a ekonomické fungování zařízení v podstanici a distribuční sítě. Proto by takové poruchy měly být tam, kde je to možné, předcházet, a jakmile se vyskytnou, musí být rychle identifikovány a odstraněny, aby se zlepšila celková spolehlivost dodávky energie.