La corrente di magnetizzazione transitoria causa l'intervento errato della protezione differenziale nel trasformatore principale: perché il blocco alla seconda armonica fallisce?

Dopo una grande revisione, un trasformatore principale da 31,5 MVA è stato sottoposto a messa in tensione a vuoto: "Intervento!" La protezione differenziale è intervenuta, ma in sito non vi era il minimo segno di alcun guasto. Non si trattava di un guasto, eppure ha causato un'interruzione di corrente non programmata:

Perché, anche se si tratta di una corrente di inserzione, il sistema di protezione "non riesce a riconoscerla"?

Conclusione in una frase:

Il contenuto di seconda armonica della corrente di inserzione trifase è interamente al di sotto della soglia di blocco del 15% (con la fase più alta intorno al 10%). Di conseguenza, il singolo criterio di "frenatura a seconda armonica" fallisce, portando a un'errata identificazione della corrente di inserzione come guasto interno. La causa principale risiede nell'effetto combinato di "elevato magnetismo residuo più caratteristiche di risonanza del sistema", che deprimono significativamente il contributo armonico della corrente di inserzione. Inoltre, lo schema di protezione manca di un criterio di riserva basato sulla simmetria della forma d'onda o sull'angolo di discontinuità.

I. Descrizione dell'evento (Mascherato)

• Scenario: Una certa sottostazione a 110 kV: dopo una grande revisione, il trasformatore principale n. 1 (31,5 MVA, 110/35/10 kV; parametri indicativi) viene messo in tensione in condizioni di vuoto.
• Fenomeno: Al momento della chiusura, la protezione differenziale del trasformatore principale (differenziale percentuale + frenatura a seconda armonica) interviene, facendo scattare gli interruttori su tutti e tre i lati.
• Impatto: La sottostazione ha subito una breve interruzione di corrente. Dopo il passaggio alla modalità di manutenzione, la richiusura secondaria ha avuto successo e non si sono verificati danni alle apparecchiature. Tuttavia, il falso intervento ha causato un'interruzione di corrente primaria non programmata.
• Prima reazione: Sospetto di "chiusura in presenza di guasto interno" o "problema di circuito".

II. Prove in sito (Caratteristiche della forma d'onda)

Perché si verifica la corrente di inserzione durante la chiusura a vuoto?

La corrente di inserzione esiste solo sul lato alimentazione (il lato di chiusura); non c'è corrente sull'altro lato. Una volta che la protezione differenziale rileva la corrente di inserzione su un solo lato, si forma immediatamente una corrente differenziale, causando l'intervento certo del relè differenziale. La possibilità che la protezione venga correttamente bloccata dipende interamente dai criteri utilizzati per identificare la corrente di inserzione.

III. Catena di ragionamento (Dal fenomeno alla causa principale)

1. Inanzitutto, verificare la presenza di guasti: analisi dei gas, cromatografia dell'olio, aspetto e isolamento: tutto è normale → Non si tratta di un guasto reale; la corrente di inserzione è stata identificata in modo errato.
2. Ricontrollare il circuito: la polarità e il funzionamento dei TA sono entrambi corretti → Non si tratta di un errore di circuito.
3. Strato del criterio di blocco: L'onda registrata durante il guasto mostra chiaramente la corrente di inserzione, quindi perché il blocco non è intervenuto? — Il criterio di blocco è "contenuto della seconda armonica > soglia (15%)"; tuttavia, questa volta, i rapporti della seconda armonica I₂/I₁ per tutte e tre le fasi sono al di sotto della soglia (con la fase più alta intorno al 10%): Fisicamente, si tratta di una corrente di inserzione, ma secondo il criterio, le condizioni di blocco non sono soddisfatte. (Nota: Nella protezione a microprocessore, la frenatura a seconda armonica è specifica per fase; ogni fase viene confrontata in modo indipendente e l'azione di blocco si applica alla fase corrispondente o assume il valore massimo tra le fasi.)
4. Per approfondire ulteriormente il motivo per cui la seconda armonica è così bassa, consideriamo due fattori che si sovrappongono: ① Appena prima che il trasformatore principale venisse chiuso, aveva recentemente subito la clearance di un guasto trifase di zona, lasciando un'alta magnetizzazione residua nel nucleo. L'angolo di chiusura, sovrapposto a questa magnetizzazione residua, ha causato una forte distorsione della corrente di inserzione, alterando le caratteristiche armoniche e riducendo la proporzione della seconda armonica. ② Le caratteristiche risonanti formate dal banco di condensatori in derivazione all'interno della sottostazione e dall'impedenza di rete modificano la distribuzione delle armoniche della corrente di inserzione nel punto di campionamento (un effetto di shunt), abbassando così ulteriormente la proporzione della seconda armonica. (Questo fattore è controverso nella comunità ingegneristica e viene fornito qui come spiegazione ausiliaria.)
5. Vulnerabilità della configurazione di protezione: Questo schema di protezione si basa esclusivamente sul criterio di "frenatura a seconda armonica" e non incorpora il principio di simmetria dell'onda o il criterio dell'angolo di discontinuità come misure di backup. Se il singolo criterio fallisce, l'intera linea perderà la protezione.

IV. Causa principale fisica (una frase)

Il contenuto della seconda armonica della corrente di inserzione viene soppresso al di sotto della soglia di blocco da "alta magnetizzazione residua più caratteristiche di risonanza del sistema", mentre lo schema di protezione si basa esclusivamente su un criterio di frenatura a seconda armonica. Di conseguenza, la catena di discriminazione tra la corrente di inserzione e i guasti interni diventa inefficace.

Ciò rivela una carenza nella capacità di distinguere tra ridondanza e guasto del componente: qualsiasi singola caratteristica della corrente di inserzione potrebbe non soddisfare le specifiche in determinate condizioni operative. Il contenuto della seconda armonica delle correnti di inserzione nei trasformatori moderni ad alta capacità e basse perdite (tipicamente caratterizzati da nuclei in acciaio al silicio ad alta permeabilità o nuclei in ferro amorfo comunemente utilizzati nei trasformatori di distribuzione) è generalmente piuttosto basso, e questo è diventato un fattore di rischio riconosciuto a livello industriale.

V. Correzione e prevenzione (Tre linee)

1. Logica di protezione (priorità massima)

• Il principio di simmetria dell'onda e il criterio dell'angolo di discontinuità, combinati con la frenatura a seconda armonica, formano una logica "OR", il che significa che non appena uno qualsiasi di questi criteri viene soddisfatto, la protezione differenziale verrà bloccata (questo approccio è identico al metodo discusso al Forum sulla Protezione dei Relè del 2014: "Frenatura a seconda armonica + Analisi della simmetria dell'onda per prevenire gli interventi errati causati dalla corrente di inserzione").
• Rivedere il rapporto di frenatura a seconda armonica (esempio: 15% → 12%) e verificare contemporaneamente la sensibilità ai guasti interni (incluse le componenti della corrente di inserzione) per prevenire il falso blocco e il ritardo dell'intervento per i guasti reali.
• Mantenere la protezione differenziale a intervento rapido (senza blocco della corrente di inserzione) per garantire un intervento affidabile e rapido in caso di chiusura su un guasto interno.
• Il test di trasmissione ha aggiunto una nuova voce di test: "Corrente di inserzione simulata a bassa seconda armonica", per verificare i limiti operativi del criterio composito.

2. Modalità operativa

• La chiusura del trasformatore principale viene prioritizzata con il dispositivo di chiusura selettiva di fase (che sopprime l'ampiezza della corrente di inserzione e la distorsione armonica).
• Prima di chiudere l'interruttore, valutare l'impatto della modalità operativa del banco di condensatori in derivazione sulla distribuzione del campionamento armonico (e disconnettere temporaneamente un gruppo se necessario).

3. Gestione e archivi

• Ogni volta che il trasformatore principale viene acceso e i suoi dati d'onda vengono registrati e archiviati, si accumula un database delle caratteristiche della corrente di inserzione per quel specifico trasformatore principale, che funge da base per la verifica dei valori di impostazione e l'analisi dei guasti.
• Dopo la manutenzione, eseguire la procedura standard di smagnetizzazione per ridurre l'impatto del magnetismo residuo.
• Includere "intervento errato dovuto a corrente di inserzione a bassa seconda armonica" come caso di studio nella formazione del team di manutenzione sulle contromisure.

VI. Domande e risposte degli esperti (FAQ)

D1: A quale livello di contenuto della seconda armonica nella corrente di inserzione verrà attivato il rischio di intervento errato?

Diventa inefficace quando non viene raggiunta la soglia per il blocco (che indica il 15%). Nella pratica ingegneristica, non è raro che il rapporto trifase I₂/I₁ scenda al di sotto del 10%–12% durante le correnti di inserzione: fattori come nuclei ad alta capacità e basse perdite, chiusura ad alta magnetizzazione residua e caratteristiche di risonanza del sistema tendono tutti a sopprimere il contenuto armonico. Pertanto, non si deve considerare "seconda armonica > 15%" come un evento inevitabile.

D2: Oltre alla seconda armonica, quali altri criteri di discriminazione della corrente di inserzione esistono?

I quattro metodi comunemente utilizzati sono: ① Frenatura a seconda armonica; ② Discriminazione dell'angolo di discontinuità (l'angolo di discontinuità della corrente di inserzione monofase varia tipicamente da 60° a 120°; discriminazione fase per fase: a causa dei vari angoli di chiusura o del magnetismo residuo, l'angolo di discontinuità di solito non è evidente in almeno una fase per le correnti di inserzione trifase; le correnti di guasto, tuttavia, non mostrano alcuna discontinuità); ③ Principio di simmetria delle onde (le correnti di inserzione mostrano asimmetria tra le due semionde prima e dopo l'inserzione, mentre le onde di guasto sono simmetriche); ④ Discriminazione basata sulle caratteristiche del flusso magnetico (ΔΦ). Gli schemi di protezione moderni dovrebbero impiegare almeno un doppio criterio o una combinazione logica di "seconda armonica + simmetria dell'onda/angolo di discontinuità".

D3: Se si riscontra un intervento errato della protezione differenziale del trasformatore principale in sito, cosa si dovrebbe controllare per primo?

Seguire la sequenza: "Prima escludere i guasti reali → Poi controllare il cablaggio del circuito → Infine verificare i criteri di funzionamento": ① La cromatografia dei gas/dell'olio, l'analisi dell'isolamento e l'ispezione visiva confermano l'assenza di guasti reali; ② Verificare la polarità dei TA ed eseguire le prove operative; ③ Analizzare qualitativamente la registrazione delle forme d'onda (Si tratta di corrente di inserzione? È una condizione di guasto?), e ricalcolare il contenuto armonico e il margine rispetto alle soglie di intervento; ④ Confermare che le impostazioni di protezione corrispondano allo stato dei dispositivi di manovra. La registrazione delle forme d'onda funge da prova decisiva: acquisire prima la forma d'onda, poi procedere con qualsiasi azione fisica.

Non esiste un unico "proiettile magico" per identificare le correnti di inserzione: quando le condizioni operative cambiano, un singolo criterio può facilmente diventare inefficace. Una combinazione di più criteri, unita alla profilazione delle caratteristiche, rappresenta la soluzione ingegneristica per la protezione differenziale del trasformatore.