Obsługa uszkodzeń jednofazowych do ziemii na linii dystrybucyjnej 35kV

Linie dystrybucyjne: Kluczowy element systemów energetycznych

Linie dystrybucyjne są kluczowym elementem systemów energetycznych. Na tym samym zbarierce napięciowym poziomu napięcia podłączone są wiele linii dystrybucyjnych (do wejścia lub wyjścia), każda z wieloma odgałęzieniami ułożonymi promieniście i połączonymi z transformatorami dystrybucyjnymi. Po obniżeniu napięcia do niskiego przez te transformatory energia elektryczna jest dostarczana szerokiemu gronu końcowych użytkowników. W takich sieciach dystrybucyjnych często występują awarie, takie jak przekroczenia międzyfazowe, przepięć (przeładunki) i jednofazowe przekroczenia do ziemi. Spośród nich, jednofazowe przekroczenia do ziemi są najpowszechniejsze, stanowiące ponad 70% wszystkich awarii systemowych. Ponadto wiele awarii przekroczeń międzyfazowych rozwinęło się z jednofazowych przekroczeń do ziemi, które ewoluowały w wielofazowe przekroczenia do ziemi.

Jednofazowe przekroczenia do ziemi odnoszą się do sytuacji, gdy dowolna z trzech faz (A, B lub C) na linii dystrybucyjnej przerwie się i upadnie na ziemię, dotknie drzew, budynków, słupów lub masztów, tworząc przewodzącą ścieżkę z ziemią. Mogą one również wynikać z przepięć spowodowanych piorunami lub innymi warunkami atmosferycznymi, które uszkadzają izolację urządzeń dystrybucyjnych, powodując znaczny spadek oporu izolacyjnego względem ziemi.

Gdy jednofazowe przekroczenie do ziemi wystąpi w systemie o niskim prądzie ziemnym, nie powstaje bezpośrednio pełny obwód awaryjny. Prąd kondensacyjny do ziemi jest znacznie mniejszy niż prąd obciążenia, a napięcia liniowe pozostają symetryczne, dlatego dostawa energii do użytkowników nie jest natychmiast przerywana. Zatem przepisy zezwalają na kontynuowanie działania z jedną awarią do ziemi przez maksymalnie 2 godziny. Jednakże napięcie na fazach bez awarii wzrasta względem ziemi, co stanowi zagrożenie dla izolacji. Dlatego linie z istniejącą awarią do ziemi muszą być szybko identyfikowane i usuwane.

I. Identyfikacja jednofazowych przekroczeń do ziemi na pomocniczych zbarierach 35kV

Gdy wystąpią jednofazowe przekroczenia do ziemi, ferorozbrzmienia, utrata fazy lub przepalenia zabezpieczeń wysokiego napięcia w transformatorach napięcia (TN), zaobserwowane zjawiska mogą być podobne, ale dokładna analiza ujawnia wyraźne różnice.

• Jednofazowe przekroczenie do ziemi:
  Stacja i system SCADA wydadzą sygnały takie jak „zbarier 35kV do ziemi” lub „Aktywacja cewki tłumienia nr X”. Ochrona relacyjna nie wyłączy się, ale wyzwoli sygnały alarmowe. Napięcie fazy z awarią spada, podczas gdy napięcie dwóch innych faz wzrasta. Wskaźnik TN dla fazy z awarią przygasa, podczas gdy dwa inne jaśnieją. W przypadku stałego (metalicznego) przekroczenia do ziemi, napięcie fazy z awarią spada do zera, a napięcia dwóch innych faz względem ziemi zwiększają się √3 razy, podczas gdy napięcia liniowe pozostają niezmienione. Wyjście 3V₀ TN wynosi około 100V, a zapala się dioda tłumienia harmonicznych. Cewka tłumienia niesie prąd równy prądowi kompensacyjnemu odpowiadającemu jej nastawie. Jeśli zainstalowany jest selektor linii z małym prądem awaryjnym, aktywuje się i identyfikuje linię z awarią. Jeśli awaria występuje w stacji, fizyczne oznaki, takie jak widoczne łuki, dym i głośne hałasy elektryczne, ułatwiają identyfikację miejsca awarii.

• Ferorozbrzmienie:
  Generowane jest napięcie przesunięcia punktu neutralnego, zmieniające napięcia trójfazowe. Zazwyczaj napięcie jednej fazy wzrasta, podczas gdy dwie inne maleją, lub na odwrót, a napięcia liniowe również odpowiednio zmieniają się. Ponieważ napięcie neutralne nie jest zerowe, prąd płynie przez cewkę tłumienia, a mogą pojawić się sygnały „zbarier do ziemi” w zależności od wielkości napięcia przesunięcia.

• Utrata fazy:
  Napięcie po stronie górnej utraconej fazy wzrasta do 1,5 raza normalnego napięcia, podczas gdy napięcie po stronie dolnej spada do zera. Prąd fazy z awarią staje się zerowy, a napięcia dwóch innych faz lekko maleją. Napięcia liniowe pozostają niezmienione. 3V₀ wynosi około 50V, cewka tłumienia niesie prąd, a jest wydawany sygnał doziemienia. Użytkownicy prawdopodobnie zgłaszają przerwy w dostawie energii.

• Przepalenie zabezpieczeń wysokiego napięcia TN:
  Napięcie fazy z przepaleniem znacznie spada (zazwyczaj poniżej połowy normalnego napięcia fazy), podczas gdy napięcia innych faz nie wzrastają. Napięcia liniowe stają się nierównomierne. Wszystkie linie wychodzące z zbariera wywołują alarm „obwód napięciowy otwarty”. 3V₀ wynosi około 33V, a jest wydawany sygnał doziemienia.

Chociaż te cztery warunki — jednofazowe przekroczenie do ziemi, ferorozbrzmienie, utrata fazy i przepalenie zabezpieczeń TN — mają podobne objawy, dokładna analiza napięć fazowych, liniowych, 3V₀, prądu w cewce tłumienia, sygnałów automatyzacji SCADA i raportów operatorów centrali może dokładnie rozróżnić jednofazowe przekroczenie do ziemi.

II. Procedura obsługi jednofazowych przekroczeń do ziemi na pomocniczym zbarierze 35kV

Gdy wystąpi awaria doziemienia linii 35kV, zbarier 35kV stacji Wan’an wydaje alarm doziemienia. Natychmiast należy powiadomić personel centrali, aby sprawdził stan urządzeń i ochrony w stacji (w tym napięcie 3V₀, stan selektora linii z małym prądem awaryjnym, temperaturę/prąd cewki tłumienia itp.), a także wysłać ekipę obsługi linii do patrolowania linii. Po otrzymaniu potwierdzenia z centrali o awarii doziemienia, powinno być wykonane próbne przełączenie (próbne wyłączenie) linii. Przed próbą przełączenia należy powiadomić krytycznych użytkowników. 

W systemach bez urządzeń do próbnego przełączania możliwe jest zdalne wyłączenie przez system SCADA, ale obciążenia w podstacjach dalszych muszą być najpierw przeniesione. W systemach z wewnętrznymi mostkami muszą być wyłączone automaty przełączania (ATS), aby zapobiec przenoszeniu awarii na zdrowe sekcje.Po zidentyfikowaniu konkretnej linii jako zawodowej, priorytetowo powinno się przenieść jej obciążenie, zanim usunie się linię z awarią. Następnie należy powiadomić ekipę obsługi linii i personel centrali, aby patrolowali linię 35kV i sprawdzili urządzenia 35kV w stacji 35kV. 

Aby zapobiec rozszerzeniu się awarii na przekroczenie międzyfazowe, które mogłoby spowodować nagłe przerwy w dostawie, należy szybko zlokalizować i izolować uszkodzone urządzenia. Dodatkowo, aby zapobiec nadgrzewaniu i uszkodzeniu cewki tłumienia, uszkodzone urządzenia powinny być zazwyczaj izolowane w ciągu 2 godzin. Wzrost temperatury cewki powinien być monitorowany i utrzymany poniżej 55°C. Jeśli zostanie przekroczony, operacja z jednofazowym przekroczeniem do ziemi musi być natychmiast zatrzymana, a uszkodzone urządzenie odłączone. Jeśli stan doziemienia utrzymuje się ponad 2 godziny, sytuacja musi być zgłoszona do wyższej zarządzającej instancji.

III. Podsumowanie

Gdy wystąpi jednofazowe przekroczenie do ziemi na linii dystrybucyjnej, amplituda i faza napięcia linii pozostają niezmienione, co pozwala na krótkotrwałe działanie bez odłączenia uszkodzonego urządzenia. Chociaż to poprawia niezawodność dostawy, napięcie na dwóch zdrowych fazach wzrasta do poziomu międzyliniowego, zwiększając ryzyko przepięć izolacji i kolejnych przekroczeń międzyfazowych do ziemi. To stanowi znaczne ryzyko dla bezpiecznej i ekonomicznej pracy urządzeń stacji i sieci dystrybucyjnej. Dlatego takie awarie powinny być zapobiegane, a jeśli wystąpią, miejsce awarii musi być szybko zlokalizowane i usunięte, aby zwiększyć ogólną niezawodność dostawy energii.