Zlepšení logiky ochrany a inženýrské aplikace zemnících transformátorů v elektrických systémech železniční dopravy

1. Konfigurace systému a provozní podmínky
Hlavní transformátory v hlavních elektrárnách Zhengzhou Rail Transit, konkrétně v Kongresovém a výstavištním centru a v Městském stadionu, používají spojení vinutí hvězda/triangle s nezemleným neutrálním bodem. Na straně sběrnice 35 kV se používá zigzagový zemlovací transformátor, který je připojen k zemi přes nízkoodporový rezistor a také zásobuje stanici elektrickou energií. V případě, že dojde na lince k jednofázové zemní krátkodobé závadě, vznikne cesta přes zemlovací transformátor, zemlovací rezistor a zemlovací síť, což vyvolá nulovou sekvenci proudu.

To umožňuje vysokou citlivost a selektivní ochranu nulovou sekvenci proudu u sekce s poruchou, aby fungovala spolehlivě a okamžitě vypnula odpovídající spínače, čímž izoluje poruchu a omezí její dopad. Pokud je zemlovací transformátor odpojen, systém se stane nezemleným systémem. V této situaci by jednofázová zemní závada mohla vážně ohrozit izolaci systému a bezpečnost zařízení. Proto po zapnutí ochrany zemlovacího transformátoru musí být nejen sám zemlovací transformátor vypnut, ale také příslušný hlavní transformátor musí být vzájemně propojen a vypnut.

2. Omezení stávajících schémat ochrany
V elektrizačních systémech hlavních elektráren Kongresového a výstavištního centra a Městského stadionu Zhengzhou Rail Transit existující ochrana zemlovacího stanice služebního transformátoru zahrnuje pouze ochranu před přetokem. Když závada způsobí, že zemlovací transformátor vypadne a je odpojen, vypne pouze své vlastní spínače bez vzájemného propojení s vypnutím odpovídajícího příchozího přívodu elektrické energie.

Toto má za následek, že postižená sekce sběrnice pracuje dlouhou dobu bez zemního bodu. V případě, že dojde v takových podmínkách k jednofázové zemní závadě, může dojít k přetlaku nebo ochranný systém může selhat v detekci nulové sekvence proudu, což může vést k nefunkčnosti nebo selhání ochrany nulové sekvence proudu – což může zhoršit incident a ohrozit celkovou bezpečnost elektrizačního systému.

Kromě toho během automatického přepínání mezi sběrnicemi (automatické přepínání mezi sběrnicemi) není zemlovací stanice služebního transformátoru na deenergizované sběrnici vzájemně propojen s vypnutím. To může vést k tomu, že obě sekce sběrnice budou propojeny přes spínač mezi sběrnicemi, což vede k dvoubodovému zemlení v systému. Tato dvoubodová zemlení mohou způsobit dva vážné problémy: (1) nesprávné klasifikace nulové sekvence proudu při zemních závadách, což může vést k selhání ochrany nebo falešnému vypnutí; a (2) indukované oběžné proudy způsobené nulovou sekvencí proudu, což může vést k přehřátí zařízení a poškození izolace.

Současná logika ochrany má významná omezení. Tradiční ochranná zařízení monitorují pouze stav funkce zemlovacího transformátoru a nevytvářejí vzájemné propojení s příchozími spínači přívodu elektrické energie nebo spínačem mezi sběrnicemi – chybí tedy nezbytné blokovací/vzájemné propojení mechanismy.

3. Doporučení pro zlepšení stávajících omezení ochrany

3.1 Navrhovaná opatření k zlepšení

Přidat „Měkkou logiku pro vzájemné propojení vypnutí zemlovacího stanice služebního transformátoru“

• Podmínka pro aktivaci: Spínač zemlovacího stanice služebního transformátoru se otevře. Pokud systém používá zemlení s nízkým odporem, může být jako dodatečný kritérium přidán zmizelý proud zemlovacího rezistoru.

• Návrh logiky pro vzájemné propojení a vypnutí: Vypnout příchozí spínač přívodu elektrické energie: Pokud je zemlovací stanice služebního transformátoru odpojen a na sběrnici neexistuje žádný jiný zemní bod, vzájemně propojte a vypněte příchozí spínač přívodu elektrické energie, aby se naložilo přenos na jinou sběrnici. Vypnout spínač mezi sběrnicemi: Pokud jsou obě sekce sběrnice paralelně v provozu přes spínač mezi sběrnicemi, vzájemně propojte a vypněte spínač mezi sběrnicemi, aby byla izolována nenezemlená sekce sběrnice.

• Doporučení pro technické provedení: Přidejte ochranu před nulovou sekvencí proudu. Po přetoku nebo operaci nulové sekvence proudu by ochranné zařízení mělo vypnout svůj lokální spínač a současně poslat příkazy k vzájemnému propojení a vypnutí příchozího spínače přívodu elektrické energie a spínače mezi sběrnicemi. Výrobci ochranných zařízení by měli upravit diagram vzájemného propojení a provést softwareové aktualizace na základě této logiky.

3.2 Modernizace ochrany založené na nulovém napětí

• Funkce blokování/vypnutí při přetlaku nulového napětí: Přidejte ochranu před přetlakem nulového napětí do schématu ochrany sběrnice jako zálohu v případě, že zemlovací stanice služebního transformátoru není v provozu. Pokud nulové napětí překročí nastavenou hranici déle než nastavený časový interval, automaticky vypněte příchozí spínač přívodu elektrické energie nebo spínač mezi sběrnicemi.

• Synchronizace se stavem zemlovacího transformátoru: Spojujte funkci ochrany před nulovým napětím s signálem stavu funkce zemlovacího stanice služebního transformátoru: Když zemlovací transformátor funguje normálně, ochrana před nulovým napětím funguje v režimu varování. Když zemlovací transformátor není v provozu, ochrana před nulovým napětím přechází do režimu vypnutí.

• Poznámky k provedení – opatření proti falešnému vypnutí: Přidejte časový interval, abyste zabránili falešnému vypnutí kvůli dočasným rušivým jevům. Použijte logiku „AND“ (např. nulové napětí + stav vypnutí zemlovacího transformátoru) pro zvýšení spolehlivosti.

3.3 Modifikace řídicí obvody (vylepšení hardwaru)

• Přidejte pevné vzájemné propojení mezi ochranným zařízením zemlovacího stanice služebního transformátoru a ochranným zařízením příchozího spínače přívodu elektrické energie. Když zemlovací transformátor vypadne, signál k vypnutí z výstupního terminálu jeho ochranného zařízení → aktivuje výstupní terminál ochranného zařízení příchozího spínače přívodu elektrické energie → vypne příchozí spínač přívodu elektrické energie.

• Během automatického převzetí mezi sběrnými šinami, když ochranné zařízení sběrné šiny pošle signál k vypnutí příchozího vstupního spínace, současně pošle signál svým interlockovým výstupem → na výstup ochranného zařízení transformátoru stanice zemnícího napětí → k vypnutí spínace transformátoru zemnícího napětí.

3.4 Implementace modernizace na místě
Jako je uvedeno v tabulce 1, jak možnost 1, tak možnost 2 vyžadují úpravu a modernizaci ochranných zařízení. Nicméně, hlavní rozvodna Výstaviště a hlavní rozvodna Městského stadionu jsou stárnoucí rozvodny, jejichž zařízení již dávno překročilo záruční lhůtu. Implementace možnosti 1 nebo možnosti 2 by vyžadovala, aby původní výrobce ochranného zařízení provedl aktualizace softwaru, což by znamenalo významné finanční a lidské náklady. Proto operační personál zvolil možnost 3 – implementaci místních úprav přidáním pevných interlockových obvodů.

Když je zemnící transformátor vyřazen z důvodu poruchy, je třeba společně vyřadit příchozí vstupní člen. Při kontrole bylo zjištěno, že rezervní výstupy 1, 2 a 3 nebyly použity. Po ukončení provozu vlaků si údržbáři požádali o povolení k práci („žádost o autorizaci k práci“) u dispečera zařízení. Dispečer provedl převod zatížení podle operačních požadavků a schválil povolení k práci, jakmile byly splněny podmínky pro stavbu.

Pro obvod společného vyřazování: rezervní výstup 2 (kontakty 517/518) na signálním modulu 5# ochranného zařízení WCB-822C – normálně otevřené kontakty – byl sériově zapojen do nově přidaného pevného drátového obvodu společného vyřazování. Tento obvod pak vedl k normálně otevřeným kontaktům výstupu 5 (kontakty 13/14) na výstupním modulu 4# ochranného zařízení WBH-818A pro vstupní člen rozvodu. Po signálu z terminálové desky byl vstupní člen vyřazen. Pevné drátování bylo nainstalováno mezi skříní zemnícího transformátoru a vstupní skříní členu, a integrováno do blokovacího obvodu prostřednictvím fyzického tlakového spoje. Zapnutí nebo vypnutí tohoto pevného tlakového spoje určuje, zda je funkce blokování aktivní.

Úpravy pro druhou část sběrnice jsou stejné jako výše uvedené. Během modernizace obou částí sběrnice byly použity sekcionalizované vstupní členy, aby bylo zajištěno nepřetržité dodávání energie do příslušných servisních oblastí, což minimalizuje dopad na údržbu zařízení po provozu.

Po dokončení úprav byla provedena testování ochranných relé k ověření funkce společného vyřazování. Jakmile bylo ověřeno, že je funkce v pořádku, byl systém přímo zaveden do provozu.

Pokud jde o společné vyřazování zemnícího stanice transformátoru na odpojené sběrnici během automatického přepínání sběrnice (BATS): při kontrole bylo zjištěno, že rezervní výstupy 3 až 7 nebyly použity. Po ukončení provozu vlaků si údržbáři požádali o povolení k práci. Dispečer provedl přepínání zatížení podle operačních potřeb a schválil povolení, jakmile byly splněny podmínky pro stavbu.

Pro místní modernizaci zemnícího transformátoru stanice na první části sběrnice: byl přidán nový pevný drátový obvod. Rezervní výstup 3 (kontakty 519/520) na signálním modulu 5# ochranného zařízení WBT-821C – normálně otevřené kontakty – byl sériově zapojen do nového pevného drátového obvodu, který pak vedl k normálně otevřeným kontaktům rezervního výstupu 1 (kontakty 514/515) na výstupním modulu 5# ochranného zařízení WCB-822C ve skříni zemnícího transformátoru stanice první části sběrnice. Po výstupu z terminálové desky byl zemnící transformátor vyřazen. Nový pevný drátový obvod byl nainstalován na sekundárních dveřích skříní zemnícího transformátoru a skříně propojovacího členu a byl zapojen do blokovacího obvodu prostřednictvím fyzického tlakového spoje. Funkce blokování lze zapnout nebo vypnout zapnutím nebo vypnutím pevného tlakového spoje.

Pro místní modernizaci zemnícího transformátoru stanice na druhé části sběrnice: byl přidán nový pevný drátový obvod. Rezervní výstup 4 (kontakty 311/312) na rozšířeném modulu 3# ochranného zařízení WBT-821C – normálně otevřené kontakty – byl sériově zapojen do nového pevného drátového obvodu, který pak vedl k normálně otevřeným kontaktům rezervního výstupu 1 (kontakty 514/515) na výstupním modulu 5# ochranného zařízení WCB-822C ve skříni zemnícího transformátoru stanice druhé části sběrnice. Po výstupu z terminálové desky byl zemnící transformátor vyřazen. Nový pevný drátový obvod byl nainstalován na sekundárních dveřích skříní zemnícího transformátoru a skříně propojovacího členu a byl zapojen do blokovacího obvodu prostřednictvím fyzického tlakového spoje. Funkce blokování lze zapnout nebo vypnout zapnutím nebo vypnutím pevného tlakového spoje.

Úprava signálu společného vyřazování zemnícího transformátoru stanice na odpojené sběrnici během automatického přepínání sběrnice byla dokončena během výše uvedeného procesu modernizace jedné sběrnice pro příslušnou část sběrnice.

4. Závěr

Jako uměle zavedený neutrální bod v elektrických systémech s nenapajenými neutrálními konfiguracemi hraje zemnící transformátor klíčovou roli v zajištění bezpečnosti a stabilního chodu systému. Výše popsané vylepšení značně zvyšují bezpečnost systému, když je zemnící transformátor vyřazen z provozu, efektivně se tak zabránilo rizikům přetlaku a poškození zařízení způsobenému chodem bez zemnícího bodu. Před skutečným zavedením musí být provedena detailní verifikace na základě specifických modelů zařízení a parametrů systému.