Nollföljdsimpedansens inverkan på nollpunktsreaktorn

Det är troligen känt att en nollpunktsreaktor ansluten till krafttransformatorns eller nollpunktsbildare nollpunkt inte levererar kompenseringsström enligt avläst värde. Mindre känt är kanske varför det förhåller sig på detta visset och hur stor reaktor som kan anslutas till en viss transformator/nollpunktsbildare.

Nollpunktsreaktorns uppgift är att leverera kompenseringsström vid jordfel för att därigenom reducera den spänningssättande strömmen i felstället och släcka en eventuell ljusbåge i felstället. För att få en aktiv felström, vilket gör det lättare att få selektiva, jordfelskydd kopplas även ett motstånd parallellt med reaktorn. Motståndet kopplas antingen mot en nollpunktsbildare eller Y-kopplad transformator.

Först ett litet sidospår: Vid jordfel i icke direktjordade nät påverkas hela systemet av en förhöjd nollföljdsspänning. Denna spänning driver nollföljdsströmmar i praktiskt taget alla delar av systemet, detta medför spänningsfall i nollföljden över de olika nollföljdsimpedanserna. Variationen på nollföljdsspänningarna i nätet kan vara stor, i figuren nedan åskådliggörs detta med beräknade värden för ett större nät [1].

Figur 1. Olika nollföljdsspänningar i ett 20 kV-nät vid stumt jordfel. [1]

Som synes uppstår olika spänningar  i olika delar i systemet och spänningen i felet är i detta fall högre än uppmät spänning vid fördelningsstationen. Detta innebär det bör tas hänsyn till serieimpedansen i nollföljden vid inställning av spänningsmätade jordfelsskydd.

Frågan är bara VAD ÄR serieimedansen i nollföljd för nätet egentligen. Det finns några krångliga formler för att försöka teorisera det men inga riktigt bra svar. För närvarande finns det interna utredningar inom nätbolag som kanske kan ge några svar i saken. I dagsläget brukar dock serieimpedansen försummas med det i bakhuvudet får de spänningsmätandeskydden ha marigal vid inställning för att täcka upp för denna förenkling.

De resistiva komponenterna i ledningarnas nollföljdskomponenter leder till att aktiva komponenter i nollföljdsströmmen tillkommer. Det leder i sin tur till att den spänningssättande strömmen i felstället ökar. Den aktiva komponenten i felstället går inte att kompensera bort med reaktorer. Detta gäller till exempel resistanser i den centrala reakorns och de utlokaliserade reaktorernas lindningar, dessa ger ca 2-4 % aktiva förluster enligt tillverkarna.

Finns det mycket resistiva komponenter i nätet kan jordtagen behöva kompletteras och/eller storleken på nollpunktsresistorn behöva ses över för att fortfarande kunna upprätthålla 100 V:s kravet.

Är det goda jordtagsvärden skulle det kanske också vara idé att fundera på om reaktorn överhuvudtaget är nödvändig, men det är en helt egen artikel.

Som synes i figur 1 ovan så är spänningen på skenan (8,2 kV) inte densamma som spänningen över nollpunktsutrustningen (7,6 kV). Detta beror på att vår transformator inte är ideal utan det finns ett spänningsfall över transformatorns nollpunkt vilket medför att reaktorn inte levererar den kompenseringsström som anges enligt skala på reaktor eller avstämningsautomatik?

Följande modell av nollpunktutrustningen och matande transformators nollpunkt kan användas:

Figur 2. Nollföljdskretsen för transformator och nollpunktsutrustning

Kompenseringsströmmen från spolen (XN) bestäms av spänningen UN. Vid normal drift förekommer bara en mycket liten nollföljdsspänning och spolen levererar ingen ström. Vid jordfel ökar spänningen beroende på felets utbildningsgrad och spolen börjar kompensera de kapacitiva strömmarna. Vid fullt utbildat jordfel har spänningen UN nått sitt maximum och spolen levererar ”maximalt”. På grund av spänningsfallet över transformatorns nollföljdsimpedans (XT + RT) kommer UN aldrig att uppgå till samma nivå som U0 som är systemets nollföljdsspänning.

Nätet kommer att bli någorlunda avstämt så länge reaktorn är tillräckligt stor men då XT och XN ligger i serie kan det sägas att XT motverkar XN, dvs desto högre XT desto högre måste XN skruvas upp för att få ett avstämt nät. Totala reaktansen i transformatorkretsen är vid avstämt nät lika den totala kapacitansen i nätet.

I sammanhanget kan det talas om nollpunktsreaktorns verkningsgrad.

Verkningsgraden beskrivs av förhållandet:

Bli alltså inte förvånad om kapacitiva strömmen räknas ut till ett värde x ampere men rektorn stäms av till ett värde y ampere. Så länge transformatorn eller nollpunktsbildaren har en nollföljdsimpedans så kommer avstämningsvärdet, reaktorns induktans, inte helt korrelera med nätets kapacitans.

Ovanstående likhet gäller om det förutsätts att transformatorns nollföljdsimpedans är konstant.

Av detta följer frågan; Är nollföljdsimpedansen i en transformator eller nollpunktsbildare ström-och/eller spänningsberoende?

Enligt en rapport så är denna svagt strömberoende. [5].  Men detta är ändå relativt svagt.

Magnetiseringsimpedansen är den dominerande impedansen för transformatorn i nollföljden och denna är i sin tur beroende på kärntyp och hur tanken är konstruerad. Nedanstående bild visar magnetiseringsimpedansen i nollföljd på en transformator av kärntyp. [7]

Figur 3. Magnetiseringsimpedansen i nollföljd på en transformator av kärntyp.  [7]

Hur detta egentligen förhåller sig är av stor betydelse i icke direktjordade nät då avstämning  av reaktorn sker då vid låg nollföljdsström/spänning men vid jordfel så är den betydligt högre.

Om avstämningen av reaktorn sker vid låg nollföljdsspäning så skulle enligt ovanstående bild nollföljdsimpedansen skilja sig en del mellan avstämning och vid ett jordfel. Det skulle då också vara skillnad vid olika utbildningsgrad på jordfelet.

När det gäller nollpunktsbildare så menar i alla fall en tillverkare att variationen i nollföjdsimpedansen är försumbar och inte överensstämmer med bilden ovan. [8]

Gäller ovanstående figur för transformatorer? Det vet jag inte och har heller inte fått något svar på, än.

Att få tag på korrekta värden är svårt, speciellt nollföljdsvärden, och än svårare är det att få tag på svepta värden för att få en bild på hur utrustningen fungerar. I dagsläget får vi anta att det är mer eller mindre linjärt.

Data på nollpunktsutrustningen, reaktor och motstånd (XN, RN och RM), fås från respektive apparats märkplåt. När det gäller uppgifter för transformatorns nollföljdsimpedans (XT och RT) så är dessa ibland uppmätta vid transformatorprovningen och finns i sådana fall dokumenterade i provningsprotokollen. Som regel finns de inte eftersom detta inte är en mätning som ingår enligt standarden. På nollpunktsbildare finns de ofta uppmätta men då vid en spänning. Var också observant på vilken enhet som anges; ohm eller ohm/fas.

För transformatorn måste någon form av antaganden göras, allternativ måste mätningar göras ute på den drifttagna transformatorn.  Nollföljdsimpedansen på en transformator varierar bland annat beroende på konstruktion, kopplingsart (med eller utan utjämningslindning), märkeffekten samt storleken på strömmen genom nollpunkten. Förhållandet i (Yy-kopplad transformator utan utjämningslindning) mellan nollföljdsreaktans och plusföljdsreaktans uppskattas till 5 - 10 gånger. Nollföljsresistansen i sin tur är mellan 30 - 45 % av nollföljdsreaktansen. Approximationen gäller enligt referens framförallt för större transformatorer. [2]

Observera mätningar på EN specifik 26 MVA transformator visade ett förhållande på 26 gånger mellan nollföljds- och plusföljdsreaktansen. I transformatorer med utjämningslindning kan det räknas med nollföljdsimpedans på 80-90 % av plusföljdsimpedansen. [6]

Om inget annat så kan de rekommendationer som återfinns i Tabell 1 i ” Kapacitiva jordfelsströmmar i kabelnät på landsbygden” [3].

Tredje rubriken i denna tabell borde kanske ändras till ”Riktvärde för maximal kapacitiv ström i nätet”

Vilken storlek på reaktor som behövs till ovanstående nät beror alltså på nollföljdsimpedansen i transformator/nollpunktsbildare. Detta ger också att nollföljdsimpedansen i transformator/nollpunktsbildare skall vara betydligt lägre än impedansen på reaktorn vid alla nollpunktsspänningar för att få ut så mycket av reaktorn som möjligt.

Vid inställning av jordfelsskydd i nät med nollpunktsutrustning ansluten bör nollföljdsimpedansen tas med i beräkningen. På grund av den relativt stora inverkan på både känslighetsnivån och jordtagskrav som nollföljdsimpedans har kan det ifrågasättas om schablonvärden är tillräckligt för att få en bra felbortkoppling och skydd för person. Det kan i vissa fall vara så att faktiska värden måste mätas upp om uppgifter från fabriksprov saknas.

För att sänka nollföljdsimpedansens påverkan i en befintlig anläggning kan nollpunktsbildare kopplas in exempelvis genom att byta ut lokaltransformatorn mot en sådan. Observera att även denna kommer att ha en nollföljdsimpedans, även om den är avsevärt lägre. Det gäller vid upphandlingen att ställa krav på tillverkaren att hålla en låg och jämn nollföljdsimpedans vilket då iof kan bli dyrare än en ”standard burk”.

En annan sak att ta hänsyn till är jordning av primär och sekundärsida på krafttransformatorn. Om primärsidan jordas och nollpunktsutrustning ansluts till sekundärsidan kan detta vid fel på transformatorns primärsida ge höga fasspänningar i sekundärsidans nät. Det har visat sig att dessa fasspänningar, vid kablifierat sekundärnät, kan överstiga konstruktionsspänning vilket kan orsaka beständiga skador på utrustning. [11]

En lösning på problemet i en befintlig anläggning är att driva transformatorn ojordad på primärsidan, eller att lämna sekundärsidan på transformatorn ojordad och istället sätta nollpunktsutrustningen i en nollpunktsbildare. På så sätt skapas återigen ett avbrott i nollföljd. [4]

Det är tillrådligt att vid köp av Yy-transformator skall denna förses med en utjämningslindning vilket både skapar ett avbrott i nollföljd och en lägre nollföljdsimpedans.

Av ovanstående följer att det inte bör kopplas nollpunktsutrustning i transformatorns nollpunkt på både upp- och nedsida. Uppsidan bör heller ej vara jordad om det skall kopplas nollpunkt på nedsidan.

Räkna inte med att kunna utnyttja hela reaktorns märkstöm, tänk på hur transformatorn jordas men framför allt ta en funderare över hur nätet ser ut. Det är kanske inte nödvändigt att bygga med traditionellt landsbyggdstänk i renodlade kabelnät, eller?

Referenser

[1] Elfving, H., Stråth, N., ”Nätkonsekvenser vid kablifiering av luftledningsnät”, Elforsk, Oktober 2006.

[2] Akke, M. ”E.ON projekt Ic etapp 1”, IEA dokument daterat 2006-08-02

[3] EBR, ”Kapacitiva jordfelsströmmar i kabelnät på landsbygden”, B17:09, maj 2009

[4] Hermansson, C., Olsson, J., ”Nollföljdsmodellering av transformatorer – Beräkningar av följdproblem vid ökad kablifiering på mellanspänningsnivå”, oktober 2007

[5] Selimovic, J., ”Mätning av krafttransformatorers nollföljdsimpedans”, januari 2012

[6] Heathcote. M , “The J & P Transformer Book: A Practical Technology of the Power Transformer”, 1998

[7] Anderson. P , “Analysis of Faulted Power Systems”, 1995

[8] Mail från SWEAB 2014-06

[9] ABB , “Reläskydd för distributionsnät”, 1991

[10] Pettersson A., Stråth, N., Internrapport E.ON ”Dimensionering av nollpunktsreaktorers storlek till anslutande krafttransformator” 2009-10-30

[11] Messing, L., ”Nollpunktsutrustning på 20/10 kV Y0/y0-kopplade transformatorer” 2007-10-08