Yer Baglama Tranformatörü Aşırı Akım Koruma Rölelerinin Yanlış Çalışması Üzerine Vaka Analizi

Nötrleme modu, elektrik sisteminin nötr noktasının toprağa bağlanmasını ifade eder. Çin'deki 35 kV ve altı sistemlerde yaygın yöntemler arasında nötr noktanın toprağa bağlanmaması, ark söndürme bobini ile topraklama ve küçük dirençli topraklama bulunmaktadır. Nötr noktanın toprağa bağlanmaması tek faz topraklama arızalarında kısa süreli işlemi sağladığı için yaygın olarak kullanılırken, küçük dirençli topraklama hızlı arıza giderimi ve aşırı gerilim sınırlaması nedeniyle ana akım haline gelmiştir. Birçok transformator subesinde nötr topraklamayı yeniden düzenleme amacıyla topraklama transformatörleri kurulur, ancak bu değişen arıza karakteristikleri röle korumasını etkileyerek yanlış çalışmayı veya reddetmeyi riske atar.

Bu makale, topraklama transformatörünün prensiplerini ve özelliklerini tanıtır, küçük dirençli sistemlerdeki mevcut koruma yapılandırmasını/ayarlamasını açıklar, yanlış çalışma nedenlerini analiz eder ve bir tek faz topraklama örneği üzerinden koruma eylemlerini ve başarısızlık köklerini incelemektedir. Bu, arıza işleme/önleme referansları sağlar, bakım personelinin anlayışını derinleştirir, sorun giderme verimliliğini artırır ve potansiyel tehlikeleri ortadan kaldırır.

Topraklama Transformatörünün Çalışma Prensibi

Üçgen bağlantılı, nötr nokta toprağa bağlı olmayan bir transformator subesinin küçük dirençli topraklama sistemine dönüştürülmesi sırasında, en yaygın uygulama, busbarda bir topraklama transformatörü eklemektir. Şu anda genellikle topraklama noktasını tanıtmak için Z tipi topraklama transformatörü seçilir. Şimdi Z tipi topraklama transformatörünün çalışma prensibini analiz edeceğiz.

Z tipi topraklama transformatörü, yapısal olarak sıradan bir güç transformatörüne benzerdir. Ancak, her faz çekirdeğindeki sarım iki eşit turlu bölüme, üst ve alta, zigzag şeklinde bağlanmıştır. Bağlantı şekli Şekil 1'de gösterilmiştir.

Bir toprak kısa devre oluştuğunda, sıfır dizi akımı nötr noktadan akar. Z tipi topraklama transformatörünün zigzag bağlantısı, üst ve alt sarım sıfır dizi akımlarını birbirine karşı çıkararak manyetik akıları iptal eder ve sıfır dizi impedansını minimize ederek aşırı ark-topraklama aşırı gerilimini önler. Pozitif/negatif dizi akımları için, geleneksel transformatörün elektromanyetik özellikleri yüksek impedans oluşturur, bu da onların akışını kısıtlar.

Normal işlemler sırasında, topraklama transformatörü neredeyse boş yükte (ikincil yük yok) çalışır. Toprak arızası sırasında, pozitif, negatif ve sıfır dizi arıza akımları ondan geçer. "Yüksek pozitif/negatif dizi, düşük sıfır dizi impedansı" nedeniyle, koruma cihazı çoğunlukla şebekenin sıfır dizi akımını ölçer.

2. Topraklama Transformatörleri için Akım Korumasının Yapılandırılması ve Analizi

Topraklama transformatörü akım koruması genellikle faz-faz ve sıfır dizi akım koruması kullanır. İşte ayrıntıları:

2.1 Faz-Faz Akım Korumasının Ayarlanması
2.1.1 Ayarlama Prensipleri

Bu koruma, anlık kesme ve aşırı akım korumasını içerir:

• Anlık Kesme: Aynı tarafındaki güç transformatörünün yedek aşırı akım korumasıyla koordinasyonu sağlar. İki faz kısa devresi (minimum operasyon modu) sırasında hassasiyeti sağlar ve giriş akımlarını (7-10 x topraklama transformatörü nominal akımı) ve düşük gerilim tarafı arıza akımlarını önler.

• Aşırı Akım Koruması: Topraklama transformatörünün nominal akımını ve dıştek tek faz topraklama sırasında maksimum arıza faz akımını önleyecek şekilde ayarlanır, güvenilirliği sağlar.

• İşlem Mantığı: Anlık kesme hemen (gecikme olmadan) harekete geçer; aşırı akım koruması (faz-faz kısa devre için yedek) kısa bir gecikme ile daha düşük ayarlarla seviyeli koordinasyon sağlar.

2.1.2 Kesme Modları

Topraklama transformatörünün güç transformatörüne bağlantıya göre:

• Düşük gerilim busbarına bağlandı: Anlık kesme/aşırı akım koruması aynı tarafındaki devre kesicileri kırmak için çabuk arıza izolasyonu sağlar.

• Düşük gerilim çıkışına bağlandı: Koruma tüm taraf devre kesicilerini kırmak için arıza yolunu keser ve genişlemeyi önler.

2.2 Topraklama Transformatörleri için Sıfır Dizi Akım Korumasının Ayarlanması
2.2.1 Ayarlama Prensipleri

• Akım ayar değeri, tek faz-to-pra arızası olduğunda yeterli hassasiyeti sağlamak zorundadır.

• Alt düzey sıfır dizi akım korumasının tam hat hassasiyeti için uzun gecikmeli korumanın ayar değerine uyum sağlar.

• Sıfır dizi akımın ilk zaman limiti, iki hat üzerinde ardışık tek faz-to-pra arızalarının oluşmasını önlemek için düşünülmelidir.

• Çalışma süresi, otobüsün her bir bağlı bileşeninin sıfır dizi akımının Bölüm Ⅱ'nin maksimum çalışma süresinden daha uzun olmalıdır.

Topraklama transformatörünün sıfır dizi akım koruması, ana koruma olarak hizmet vermediğinden, üç zaman limiti vardır, bunlar aşağıdaki gibidir:

Formülde: t0¹, t0², t0³ sırasıyla topraklama transformatörünün sıfır dizi akım korumasının 1., 2. ve 3. zaman limitleridir; t_0I' çıkış hatının sıfır dizi akımının Bölüm I'nin zaman ayar değeridir; t_0II' topraklama transformatörü hariç otobüste bulunan tüm ekipmanların sıfır dizi akım korumasının Bölüm II'nin en uzun zaman ayar değeridir; Δt 0.2 - 0.5 s olarak ayarlanır.

2.2.2 Kesme Modları

• Topraklama transformatörü, alt transformatörün karşılık gelen otobüsüne bağlı olduğunda, sıfır dizi akım koruması çalışır: 1. zaman limiti otobus bağlantısı devre kesicisini veya bölüm devre kesicisini kıracaktır ve otomatik yedek güç giriş cihazını (kısa olarak "otomatik yedek giriş" olarak adlandırılır) engeller; 2. zaman limiti, topraklama transformatörünün ve güç transformatörünün aynı tarafındaki devre kesicilerini kıracaktır.

• Topraklama transformatörü, alt transformatörün karşılık gelen çıkışına bağlı olduğunda, sıfır dizi akım koruması çalışır: 1. zaman limiti otobus bağlantısı devre kesicisini veya bölüm devre kesicisini kıracaktır ve otomatik yedek giriş cihazını engeller; 2. zaman limiti, alt transformatörün aynı tarafındaki devre kesicisini kıracaktır; 3. zaman limiti, alt transformatörün tüm tarafındaki devre kesicilerini kıracaktır.

2.3 Topraklama Transformatörleri için Akım Koruma İşlevi Analizi

Topraklama transformatörü koruma yapılandırmasının analizi, faz-faz ve sıfır dizi akım koruması arasındaki kesme modlarında önemli farklılıklar göstermektedir: sıfır dizi koruma, çalışırken otomatik yedek giriş cihazını engeller, faz-faz koruma ise engellemez.

Koruma cihazı tarafından ölçülen sıfır dizi akım değeri, topraklama transformatörü küçük dirençli topraklama sisteminde tek sıfır dizi akım yolu olduğu durumda, arıza gerçekleştiğinde (topraklama transformatörü aracılığıyla), cihaz arızayı algılar ancak konumunu belirleyemez. Eğer arıza çıkış hatasında ise, koruma topraklama transformatörünü kırdıktan sonra, otomatik yedek giriş cihazı yedek otobüsüne geçer. Eğer yedek otobüsü hatalı hatla yeniden bağlanırsa, üzerindeki topraklama transformatörü hala sıfır dizi akımını algılar ve tekrar kesmeye neden olur. Otomatik yedek giriş cihazı henüz şarjlanmadığı için, kesinti aralığı genişleyebilir. Bu nedenle, sıfır dizi koruma, otomatik yedek giriş cihazını engellemelidir.

Faz-faz koruma çalıştığında (sıfır dizi koruma çalışmadığında), cihaz topraklama transformatöründe faz-faz kısa devre olduğunu değerlendirir. Topraklama transformatörünü kıracak, güç transformatörünün aynı tarafındaki devre kesicisi paralel olarak kıracak ve otomatik yedek giriş cihazı yedek otobüsüne geçecektir. Arıza kıran topraklama transformatöründeyken, yedek otobüsü normal hatla yeniden bağlar, güç sağlar.

Sonuç olarak, topraklama transformatörlerinin faz-faz ve sıfır dizi akım koruması, arıza nedeni ve konum değerlendirme açısından büyük farklılıklar gösterir, bu nedenle farklı ayarlar ve yapılandırma gerektirir. Ancak, toprak kısa devre sırasında, faz-faz koruma ölçülen sıfır dizi bileşenleri nedeniyle yanlış çalışabilir. Otomatik yedek giriş mantıklarının farklı olması, yanlış çalışma, arıza aralığını genişletir veya hatta tüm subesinin güç kesintisine neden olabilir.

3 Örnek Analizi
3.1 Arıza Süreci

110 kV subesinin birincil bağlantı şeması Şekil 2'de gösterilmiştir. Arıza öncesi, Transformatör 1'in düşük gerilim tarafı 018 devre kesicisi kapalıydı, Transformatör 2'nin düşük gerilim tarafı 032 devre kesicisi kapalıydı ve 034 devre kesicisi test pozisyonundaydı.

30 Temmuz 2023'te saat 06:14'te, No. 2 topraklama transformatörünün aşırı akım I bölümü koruması aktive oldu, No. 2 topraklama transformatörünün 022 devre kesicisini kesti. Ayrıca, Transformatör 2'nin düşük gerilim tarafı 032 devre kesicisini de kesti, bu da 10 kV II ve III otobüslerinin güç kaybına neden oldu. Otomatik yedek güç cihazı (otomatik yedek) 10 kV I/II otobüsü bağlantı 020 devre kesicisini kapattı.

Saat 06:36'da, No. 1 topraklama transformatörünün aşırı akım I bölümü koruması aktive oldu, No. 1 topraklama transformatörünün 015 devre kesicisini kesti ve Transformatör 1'in düşük gerilim tarafı 018 devre kesicisini de kesti, bu da tüm 10 kV I, II ve III otobüslerinin güç kaybına neden oldu. Otomatik yedek cihaz, Transformatör 2'nin düşük gerilim tarafı 032 devre kesicisini ve No. 2 topraklama transformatörünün 022 devre kesicisini kapattı. Ancak, arıza devam etti ve No. 2 topraklama transformatörünün aşırı akım I bölümü korumasını tekrar tetikledi. 022 devre kesicisi kesti ve 032 devre kesicisini de kesti, sonunda subenin 10 kV sisteminin tamamen güç kaybına neden oldu.

3.2 Sahada Ekipman Kontrol Sonuçları
Birincil ekipman kontrol sonuçları:

• Topraklama transformatör gövdesi: No.1 ve No.2 topraklama transformatörlerinde herhangi bir anormallik bulunamadı, sarım ve çekirdeklerde açık bir arıza izi yoktu.

• 10 kV III. Otobüs PT aralığı (040 anahtarlama kabını):

• Anahtarlama kabının üst kapağında açık su izleri vardı, yağmur suyunun sızdığına işaret ediyordu.

• Kasa kapak bariyeri C fazı konumunda ciddi bir erozyon vardı, üst kapakta iki delik açılmıştı.

• C fazı üst temas kutusu ve statik temas yanmış ve hasar görmüştü, kutunun içinde sıvı su birikmişti.

• Yanıcı el arabasının C fazı üst/alt hareketli temaslarında ark yanığı izleri, paslanmış yaylar ve hasarlı temas kolü izolatör silindiri vardı.

• Otobüs kasasındaki C fazı dış izolatör tüpü yanmış ve çatlamıştı. Otobüs kasasının arka plakasında C fazı bölgesinde su izi sızıntısı ve canlı görüntü sensöründe su damlacıkları oluşmuştu.

• Gerilim transformatörü kasasının tabanında az miktarda su birikmişti, ancak üç fazlı PT'lerin açık dış anormallikleri yoktu.

10 kV III. Otobüs PT kasasının üzerine yerleştirilmiş çelik destekten sızan yağmur suyu, izolasyonu bozdu ve C fazı deşarjına neden oldu, bu da metalyik topraklama arızasına evrildi. Küçük dirençli topraklama sisteminde, No. 2 topraklama transformatörü ~4.3 A/faz sıfır dizi akımını tespit etti (2.5 A aşırı akım I bölümü ayarını aştı) ve kesme tetiklendi. Aşırı akım koruması 10 kV otomatik yedek giriş cihazını engellemedi, bu da tekrarlayan işlemlere neden oldu. Son kesme, otomatik yedek giriş cihazının şarjlanmadığı bir durumda, 10 kV sistemin tamamen güç kaybına neden oldu.

Önemli katkı faktörü: "Faz akımı sıfır dizi iptali" kontrol kelimesi devre dışı bırakıldı (0 olarak ayarlandı), bu da faz akımlarındaki sıfır dizi bileşenlerinin yazılı filtrelenmesini engelledi. 13 A sıfır dizi akımı ile aşırı akım koruması yanlış çalıştı. Doğru etkinleştirilseydi, bu kontrol arızayı önleyecekti. Bunun yerine, sıfır dizi aşırı akım koruması I bölümü (1.4 A olarak ayarlandı) çalıştı: 1. zaman limiti otobus bağlantısı devre kesicisini kırdı ve otomatik yedek giriş cihazını engelledi; 2. zaman limiti, topraklama ve ana transformatör devre kesicilerini kırdı, II/III Bölümlerini izole etti, I Bölümü güç alındı.

Ana neden: Devre dışı bırakılan sıfır dizi iptal kontrol kelimesi, faz akımlarının yanlış yorumlanmasına neden oldu.

4 Sonuç

Bu makale, topraklama transformatörü koruma ayarlarını tanıtır, yüksek sıfır dizi akımlar altında yanlış çalışma risklerini analiz eder ve bir örnek sunar. Tekrarlanmasını önlemek için:

• Küçük dirençli topraklama sistemlerinde yazılı sıfır dizi iptal özelliklerini (örneğin, "faz akımı sıfır dizi iptal" kontrol kelimesi) etkinleştirin.

• Eğer bu özellikler mevcut değilse, aşırı akım ve sıfır dizi koruma ayarlarının koordinasyonunu optimize edin.

Ana sonuç: Topraklama arızaları sırasında yanlış çalışmalardan korunmak için koruma yazılımının proaktif yapılandırması kritik öneme sahiptir.