Millorament de la lògica de protecció i aplicació enginyerística dels transformadors de terra en sistemes d' alimentació elèctrica de transport ferroviari

1. Configuració del sistema i condicions d'operació
Els transformadors principals de la subestació principal del Centre de Convencions i Exposicions i la subestació principal de l'Estadi Municipal de Zhengzhou Rail Transit adopten una connexió d'enrotllament en estrella/triangle amb un mode d'operació de punt neutre no aterrado. Al costat del bus de 35 kV, s'utilitza un transformador d'aterrament Zigzag, connectat a terra a través d'una resistència de baix valor, i també alimenta les càrregues de servei de la subestació. Quan es produeix un defecte de curtcircuït monofàsic a terra en una línia, es forma un camí a través del transformador d'aterrament, la resistència d'aterrament i la xarxa d'aterrament, generant corrent zero-sequencial.

Això permet que la protecció zero-sequencial de alta sensibilitat i selectiva en la secció defectuosa funcioni de manera fiable i tripi immediatament els interruptors corresponents, aïllant així el defecte i limitant-ne l'impacte. Si el transformador d'aterrament es desconnecta, el sistema es converteix en un sistema sense aterrar. En aquesta condició, un defecte de monofàsic a terra amenaçaria gravement l'aislament del sistema i la seguretat de l'equipament. Per tant, quan es dispara la protecció del transformador d'aterrament, no només cal tripir el propi transformador d'aterrament, sinó que també cal intercanviar i tripir el transformador principal associat.

2. Limitacions dels esquemes de protecció existents
En els sistemes d'alimentació de la subestació principal del Centre de Convencions i Exposicions i la subestació principal de l'Estadi Municipal de Zhengzhou Rail Transit, la protecció existent per al transformador de servei de subestació d'aterrament només inclou protecció contra sobrecorrent. Quan un defecte fa que el transformador d'aterrament tripi i es desconnecti, només tripi la seva pròpia armariada sense intercanviar i tripir el correspondient interruptor d'alimentació d'entrada.

Això resulta en que la secció de bus afectada operi durant un període prolongat sense un punt d'aterrament. En cas de defecte de monofàsic a terra en aquestes condicions, pot produir-se sobre-tensió o el sistema de protecció pot no detectar la corrent zero-sequencial, causant que la protecció zero-sequencial falli o no funcioni—potencialment escalant l'incident i comprometent la seguretat general del sistema d'alimentació.

Addicionalment, durant les operacions d'auto-transferència de l'interconnexió de bus (auto-transferència de bus tie), el transformador de servei de subestació d'aterrament en la secció de bus desenergitzada no es tripa de manera intercanviada. Això pot fer que ambdues seccions de bus es connectin a través de l'interruptor de bus tie, resultant en una condició de dos punts d'aterrament dins del sistema. Aquest escenari de dos punts d'aterrament pot conduir a dos problemes seriosos: (1) mala classificació de la corrent zero-sequencial durant defectes a terra, causant que la protecció no funcioni o tripi falsament; i (2) corrents circulants induïdes per la corrent zero-sequencial, provocant sobrecalentament de l'equipament i daños a l'aislament.

La lògica de protecció actual té limitacions significatives. Els dispositius de protecció convencionals només monitoritzen l'estat operatiu del transformador d'aterrament i no estableixen lògica d'intercanvi amb els interruptors d'alimentació d'entrada o l'interruptor de bus tie—falten mecanismes necessaris de bloqueig/intercanvi.

3. Recomanacions per millorar les limitacions de la protecció existent

3.1 Mesures de millora proposades

Afegir lògica "Trip Interlock del Transformador de Servei de Subestació d'Aterrament"

• Condició de disparador: L'interruptor del transformador de servei de subestació d'aterrament s'obre. Si el sistema utilitza aterrament de baixa resistència, la desaparició de la corrent de la resistència d'aterrament pot afegir-se com a criteri addicional.

• Disseny de lògica d'intercanvi de trip: Tripar l'interruptor d'alimentació d'entrada: Si el transformador de servei de subestació d'aterrament es treu i no hi ha cap altre punt d'aterrament en la secció de bus, intercanviar i tripir l'interruptor d'alimentació d'entrada per forçar la transferència de càrrega a un altre bus. Tripar l'interruptor de bus tie: Si ambdues seccions de bus estan operant en paral·lel a través de l'interruptor de bus tie, intercanviar i tripir l'interruptor de bus tie per aïllar la secció de bus sense aterrar.

• Recomanació d'implementació tècnica: Afegir protecció de corrent zero-sequencial. En cas de sobrecorrent o operació de corrent zero-sequencial, el dispositiu de protecció hauria de tripir el seu propi interruptor local i enviar simultàniament ordres d'intercanvi de trip als corresponents interruptors d'alimentació d'entrada i de bus tie. Els fabricants de dispositius de protecció haurien de modificar el diagrama de lògica d'intercanvi i realitzar actualitzacions de programari basades en aquesta lògica.

3.2 Millora de la protecció basada en tensió zero-sequencial

• Funció de bloqueig/trip de sobre-tensió zero-sequencial: Afegir protecció de sobre-tensió zero-sequencial al pla de protecció del bus com a reserva quan el transformador de servei de subestació d'aterrament està fora de servei. Si la tensió zero-sequencial supera el llindar establert durant un temps superior al retard predefinit, tripir automàticament l'interruptor d'alimentació d'entrada o de bus tie.

• Coordinació amb l'estat operatiu del transformador d'aterrament: Enllaçar la funció de protecció de tensió zero-sequencial amb el senyal d'estat operatiu del transformador de servei de subestació d'aterrament: Quan el transformador d'aterrament opera normalment, la protecció de tensió zero-sequencial funciona en mode d'alarma. Quan el transformador d'aterrament està fora de servei, la protecció de tensió zero-sequencial canvia a mode de trip.

• Notes d'implementació – mesures anti-malfuncionament: Afegir retard per evitar tris falsos deguts a pertorbacions transitories. Utilitzar criteris de lògica "AND" (per exemple, tensió zero-sequencial + estat fora de servei del transformador d'aterrament) per augmentar la fiabilitat.

3.3 Modificació del circuit de control (millora de maquinària)

• Afegir circuits d'intercanvi en cable entre el dispositiu de protecció del transformador de servei de subestació d'aterrament i el dispositiu de protecció de l'interruptor d'alimentació d'entrada. Quan el transformador d'aterrament tripi, el senyal de trip des de la terminal de sortida del dispositiu de protecció → activa la terminal de sortida del dispositiu de protecció de l'interruptor d'alimentació d'entrada → tripi l'interruptor d'alimentació d'entrada.

• Durant l'operació d'auto-transferència de la barra d'enllaç, quan el dispositiu de protecció de la barra d'enllaç envia una senyal per trencar el disjuntor d'alimentació entrant, envia simultàniament una senyal a través del seu terminal de bloqueig de sortida → al terminal de sortida del dispositiu de protecció del transformador de servei de terra → per trencar el disjuntor del transformador de terra.

3.4 Implementació de la retrofita en lloc
Com es mostra a la Taula 1, tant l'Opció 1 com l'Opció 2 requereixen la modificació i actualització dels dispositius de protecció. No obstant això, els substacions principals del Centre de Convencions i Exposicions i del Estadi Municipal són substacions vellutes, amb equipaments ben més enllà de la garantia. Implementar l'Opció 1 o l'Opció 2 requeriria que el fabricant original del dispositiu de protecció realitzés actualitzacions de programari, involucrant una inversió significativa de mà d'obra i finançament. Per tant, el personal operatiu ha optat per l'Opció 3—implementar modificacions en lloc afegint circuits de bloqueig de cable.

Quan el transformador de terra es desconnecta per una falla, cal interrompre la càrrega de l'interruptor d'alimentació d'entrada. S'ha comprovat que les sortides de reserva 1, 2 i 3 no s'utilitzaven. Un cop finalitzada l'operació dels trens, el personal de manteniment va sol·licitar un permís de treball ("solicitud d'autorización de trabajo") al dispatcher d'equips. El dispatcher va realitzar la transferència de càrrega segons les necessitats operatives i va aprovar el permís de treball quan les condicions eren adequades per a la construcció.

Per al circuit d'intertravament: la sortida de reserva 2 (terminals 517/518) de la placa de senyals 5# del dispositiu de protecció WCB-822C—contactes normalment oberts—es va connectar en sèrie a un nou circuit d'intertravament amb cable. Aquest circuit va ser enrutat als terminals normalment oberts de la sortida 5 (terminals 13/14) de la placa de sortida 4# del dispositiu de protecció WBH-818A per al quadre d'interruptor d'alimentació d'entrada. Després de la senyal de sortida del terminal, l'interruptor d'alimentació d'entrada es va desconnectar. La instal·lació de cable s'ha realitzat entre el quadre d'interruptor de terra i el quadre d'interruptor d'alimentació d'entrada, i s'ha integrat al circuit d'intertravament amb cable mitjançant un enllaç físic de plaques de pressió. L'activació o desactivació d'aquesta placa de pressió determina si la funció d'intertravament està activa.

Els punts de modificació per a l'altre secció de bus són idèntics als anteriors. Durant la retrofitació de les dues seccions de bus, s'han utilitzat alimentacions d'entrada segmentades per assegurar un subministrament ininterrupte a les àrees de servei corresponents, minimitzant així l'impacte en el manteniment dels equips post-operatius.

Un cop completades les modificacions, es van realitzar proves de relés de protecció per verificar la funcionalitat d'intertravament. Un cop verificat que era normal, el sistema es va posar directament en servei.

En relació a l'intertravament del transformador de servei de terra de la barra desenergitzada durant l'operació de transferència automàtica de barres (BATS): s'ha comprovat que les sortides de reserva 3 a 7 no s'utilitzaven. Un cop finalitzada l'operació dels trens, el personal de manteniment va sol·licitar un permís de treball al dispatcher d'equips. El dispatcher va executar la commutació de càrrega segons les necessitats operatives i va donar aprovació un cop s'havien complert les condicions de construcció.

Per a la retrofitació a l'escena del transformador de servei de terra de la Secció I de la barra: s'ha afegit un nou circuit amb cable. La sortida de reserva 3 (terminals 519/520) de la placa de senyals 5# del dispositiu de protecció WBT-821C—contactes normalment oberts—es va connectar en sèrie al nou circuit amb cable, que va ser enrutat als terminals normalment oberts de la sortida de reserva 1 (terminals 514/515) de la placa de sortida 5# del dispositiu de protecció WCB-822C del quadre d'interruptor de terra de la Secció I. Després de la sortida del terminal, l'interruptor del transformador de terra es va desconnectar. El nou circuit amb cable s'ha instal·lat a les portes dels quadres secundaris tant del quadre d'interruptor de terra com del quadre d'interruptor de barra, i s'ha connectat al circuit d'intertravament amb cable mitjançant un enllaç físic de plaques de pressió. La funció d'intertravament es pot habilitar o deshabilitar enganxant o desenganxant la placa de pressió.

Per a la retrofitació a l'escena del transformador de servei de terra de la Secció II de la barra: s'ha afegit un nou circuit amb cable. La sortida de reserva 4 (terminals 311/312) de la placa d'expansió 3# del dispositiu de protecció WBT-821C—contactes normalment oberts—es va connectar en sèrie al nou circuit amb cable, que va ser enrutat als terminals normalment oberts de la sortida de reserva 1 (terminals 514/515) de la placa de sortida 5# del dispositiu de protecció WCB-822C del quadre d'interruptor de terra de la Secció II. Després de la sortida del terminal, l'interruptor del transformador de terra es va desconnectar. El nou circuit amb cable s'ha instal·lat a les portes dels quadres secundaris tant del quadre d'interruptor de terra com del quadre d'interruptor de barra, i s'ha connectat al circuit d'intertravament amb cable mitjançant un enllaç físic de plaques de pressió. La funció d'intertravament es pot habilitar o deshabilitar enganxant o desenganxant la placa de pressió.

La modificació de la senyal d'intertravament del transformador de servei de terra de la barra desenergitzada durant l'arrancada de la transferència automàtica de barres s'ha completat durant el procés de retrofit de la secció de bus única corresponent.

4. Conclusió

Com a punt neutre introduït artificialment en sistemes elèctrics amb configuracions de neutre sense terra, el transformador de terra joca un paper crític en assegurar la seguretat i l'estabilitat del sistema. Les millorates descrites anteriorment augmenten significativament la seguretat del sistema quan el transformador de terra es treu de servei, evitant eficientment els riscos de sobretensió i danys a l'equipament causats per la operació sense un punt de terra. Abans de la implementació real, cal realitzar una verificació detallada basada en models específics d'equips i paràmetres del sistema.