Amélioration de la logique de protection et application ingénierie des transformateurs de terre dans les systèmes d’alimentation électrique du transport ferroviaire

1. Configuration du système et conditions de fonctionnement
Les transformateurs principaux des postes de transformation principaux du Centre des Expositions et du Stade Municipal du Métro de Zhengzhou adoptent une connexion en étoile/triangle avec un mode de fonctionnement à point neutre non connecté à la terre. Du côté de la barre de 35 kV, un transformateur de mise à la terre Zigzag est utilisé, connecté à la terre par l'intermédiaire d'une résistance de faible valeur, et il alimente également les charges de service de la station. Lorsqu'une panne de court-circuit monophasée à la terre se produit sur une ligne, un chemin est formé à travers le transformateur de mise à la terre, la résistance de mise à la terre et le réseau de mise à la terre, générant un courant de séquence nulle.

Cela permet une protection de séquence nulle hautement sensible et sélective dans la section défectueuse pour fonctionner de manière fiable et immédiate, en déclenchant les disjoncteurs correspondants, isolant ainsi la panne et limitant son impact. Si le transformateur de mise à la terre est déconnecté, le système devient un système non mis à la terre. Dans cette condition, une panne de court-circuit monophasée menacerait gravement l'isolation du système et la sécurité des équipements. Par conséquent, lors de l'activation de la protection du transformateur de mise à la terre, non seulement le transformateur de mise à la terre doit être déclenché, mais le transformateur principal associé doit également être interverrouillé et déclenché.

2. Limites des schémas de protection existants
Dans les systèmes d'alimentation des postes de transformation principaux du Centre des Expositions et du Stade Municipal du Métro de Zhengzhou, la protection existante pour le transformateur de service de mise à la terre ne comprend que la protection contre les surintensités. Lorsqu'une panne cause le déclenchement et la sortie de service du transformateur de mise à la terre, elle ne déclenche que son propre matériel de commutation sans interverrouiller le disjoncteur d'alimentation entrante correspondant.

Cela entraîne une opération prolongée de la section de barre affectée sans point de mise à la terre. En cas de panne de court-circuit monophasée dans de telles conditions, une surtension peut se produire ou le système de protection peut ne pas détecter le courant de séquence nulle, provoquant un dysfonctionnement ou une absence de fonctionnement de la protection de séquence nulle - potentiellement aggravant l'incident et compromettant la sécurité globale du système électrique.

De plus, lors des opérations de transfert automatique de barre (basculage automatique de barre), le transformateur de service de mise à la terre sur la section de barre déenergie n'est pas interverrouillé pour être déclenché. Cela peut causer une interconnexion des deux sections de barre via le disjoncteur de basculement, entraînant une condition de mise à la terre à deux points dans le système. Une telle condition de mise à la terre à deux points peut conduire à deux problèmes sérieux : (1) une mauvaise classification du courant de séquence nulle lors des pannes de court-circuit, provoquant un refus de fonctionnement de la protection ou un déclenchement erroné ; et (2) des courants circulants induits par le courant de séquence nulle, entraînant un surchauffage et des dommages à l'isolation des équipements.

La logique de protection actuelle présente des limites significatives. Les dispositifs de protection conventionnels ne surveillent que l'état de fonctionnement du transformateur de mise à la terre et n'établissent pas de logique d'interverrouillage avec les disjoncteurs d'alimentation entrante ou le disjoncteur de basculement - manquant de mécanismes de blocage/interverrouillage nécessaires.

3. Recommandations pour améliorer les limites de la protection existante

3.1 Mesures d'amélioration proposées

Ajouter une logique logicielle "Interverrouillage de déclenchement du transformateur de service de mise à la terre"

• Condition de déclenchement : Le disjoncteur du transformateur de service de mise à la terre s'ouvre. Si le système utilise une mise à la terre à faible résistance, la disparition du courant de la résistance de mise à la terre peut être ajoutée comme critère supplémentaire.

• Conception de la logique d'interverrouillage de déclenchement : Déclencher le disjoncteur d'alimentation entrante : Si le transformateur de service de mise à la terre est retiré et qu'il n'existe aucun autre point de mise à la terre sur la section de barre, interverrouiller le déclenchement du disjoncteur d'alimentation entrante pour forcer le transfert de charge vers une autre barre. Déclencher le disjoncteur de basculement : Si les deux sections de barre sont en parallèle via le disjoncteur de basculement, interverrouiller le déclenchement du disjoncteur de basculement pour isoler la section de barre non mise à la terre.

• Recommandation d'implémentation technique : Ajouter une protection de courant de séquence nulle. Lors d'un fonctionnement de surintensité ou de courant de séquence nulle, le dispositif de protection doit déclencher son disjoncteur local et envoyer simultanément des commandes d'interverrouillage de déclenchement au disjoncteur d'alimentation entrante correspondant et au disjoncteur de basculement. Les fabricants de dispositifs de protection doivent modifier le diagramme de logique d'interverrouillage en conséquence et effectuer des mises à jour logicielles basées sur cette logique.

3.2 Amélioration de la protection basée sur la tension de séquence nulle

• Fonction de blocage/déclenchement de surtension de séquence nulle : Ajouter une protection de surtension de séquence nulle au schéma de protection de la barre en tant que sauvegarde lorsque le transformateur de service de mise à la terre est hors service. Si la tension de séquence nulle dépasse le seuil défini pendant une durée supérieure au délai prédéfini, déclencher automatiquement le disjoncteur d'alimentation entrante ou le disjoncteur de basculement.

• Coordination avec l'état de fonctionnement du transformateur de mise à la terre : Relier la fonction de protection de tension de séquence nulle au signal d'état de fonctionnement du transformateur de service de mise à la terre : Lorsque le transformateur de mise à la terre fonctionne normalement, la protection de tension de séquence nulle fonctionne en mode d'alarme. Lorsque le transformateur de mise à la terre est hors service, la protection de tension de séquence nulle passe en mode de déclenchement.

• Notes d'implémentation - Mesures anti-malfunction : Ajouter un délai pour éviter un déclenchement erroné en raison de perturbations transitoires. Utiliser une logique de critères "ET" (par exemple, tension de séquence nulle + transformateur de mise à la terre hors service) pour améliorer la fiabilité.

3.3 Modification du circuit de commande (amélioration matérielle)

• Ajouter des circuits d'interverrouillage câblés entre le dispositif de protection du transformateur de service de mise à la terre et le dispositif de protection du disjoncteur d'alimentation entrante. Lorsque le transformateur de mise à la terre est déclenché, le signal de déclenchement de la sortie du dispositif de protection du transformateur de mise à la terre → déclenche la sortie du dispositif de protection du disjoncteur d'alimentation entrante → déclenche le disjoncteur d'alimentation entrante.

• Lors de l'opération automatique de transfert de la liaison de bus, lorsque le dispositif de protection de la liaison de bus envoie un signal pour déclencher le disjoncteur d'alimentation entrante, il envoie simultanément un signal via sa sortie d'interverrouillage → à la sortie du dispositif de protection du transformateur de service de terre → pour déclencher le disjoncteur du transformateur de terre.

3.4 Mise en œuvre sur site de la rénovation
Comme le montre le tableau 1, les options 1 et 2 nécessitent une modification et une mise à niveau des dispositifs de protection. Cependant, les postes principaux du Centre des conventions et expositions et du Stade municipal sont des postes vieillissants dont les équipements sont bien au-delà de la garantie. La mise en œuvre de l'option 1 ou de l'option 2 nécessiterait que le fabricant d'origine des dispositifs de protection effectue des mises à jour logicielles, impliquant un investissement humain et financier important. Par conséquent, le personnel opérationnel a opté pour l'option 3 - la mise en œuvre de modifications sur site en ajoutant des circuits d'interverrouillage câblés.

Lorsque le transformateur de terre est déclenché en raison d'une panne, il est nécessaire d'interrompre en interverrouillage le disjoncteur de l'alimentation entrante. Après inspection, il a été constaté que les sorties de secours 1, 2 et 3 n'étaient pas utilisées. Une fois les opérations de train terminées, le personnel de maintenance a demandé une autorisation de travail ("demande d'autorisation de travail") au dispatcheur d'équipement. Le dispatcheur a effectué un transfert de charge selon les exigences opérationnelles et a approuvé l'autorisation de travail une fois les conditions adéquates pour la construction.

Pour le circuit d'interverrouillage : la sortie de secours 2 (bornes 517/518) sur la carte de signal 5# du dispositif de protection WCB-822C - contacts normalement ouverts - a été connectée en série dans un nouveau circuit d'interverrouillage câblé. Ce circuit a ensuite été routé vers les bornes normalement ouvertes de la sortie 5 (bornes 13/14) sur la carte de sortie 4# du dispositif de protection WBH-818A pour le poste de distribution de l'alimentation entrante. Après le signal de sortie du bloc de bornes, le disjoncteur d'alimentation entrante s'est déclenché. Le câblage physique a été installé entre le poste de distribution du transformateur de terre et le poste de distribution de l'alimentation entrante, et intégré au circuit d'interdiction câblé via un lien de plaque de pression physique. L'engagement ou le désengagement de cette plaque de pression détermine si la fonction d'interdiction est active.

Les points de modification pour l'autre section de bus sont identiques à ceux mentionnés ci-dessus. Pendant la rénovation des deux sections de bus, des alimentations entrantes sectionnalisées ont été utilisées pour assurer une alimentation continue aux zones de service respectives, minimisant ainsi l'impact sur l'entretien des équipements post-opérationnels.

Après la réalisation des modifications, des essais de relais de protection ont été effectués pour vérifier la fonctionnalité d'interverrouillage. Une fois vérifiée comme normale, le système a été mis directement en service.

Concernant l'interverrouillage du transformateur de station de terre sur le bus déconnecté lors de l'opération de transfert automatique de bus (BATS) : après inspection, il a été constaté que les sorties de secours 3 à 7 n'étaient pas utilisées. Après la fin des opérations de train, le personnel de maintenance a demandé une autorisation de travail au dispatcheur d'équipement. Le dispatcheur a effectué un basculement de charge selon les besoins opérationnels et a accordé l'autorisation une fois les conditions de construction remplies.

Pour la rénovation sur site du transformateur de station de terre de la section I de bus : un nouveau circuit câblé a été ajouté. La sortie de secours 3 (bornes 519/520) sur la carte de signal 5# du dispositif de protection WBT-821C - contacts normalement ouverts - a été connectée en série dans le nouveau circuit câblé, qui a ensuite été routé vers les bornes normalement ouvertes de la sortie de secours 1 (bornes 514/515) sur la carte de sortie 5# du dispositif de protection WCB-822C dans le poste de distribution du transformateur de station de terre de la section I. Après le signal de sortie du bloc de bornes, le disjoncteur du transformateur de terre s'est déclenché. Le nouveau circuit câblé a été installé sur les portes des armoires secondaires du poste de distribution du transformateur de terre et du poste de jonction de bus, et connecté au circuit d'interdiction câblé via un lien de plaque de pression physique. La fonction d'interdiction peut être activée ou désactivée par l'engagement ou le désengagement de la plaque de pression.

Pour la rénovation sur site du transformateur de station de terre de la section II de bus : un nouveau circuit câblé a été ajouté. La sortie de secours 4 (bornes 311/312) sur la carte d'extension 3# du dispositif de protection WBT-821C - contacts normalement ouverts - a été connectée en série dans le nouveau circuit câblé, qui a ensuite été routé vers les bornes normalement ouvertes de la sortie de secours 1 (bornes 514/515) sur la carte de sortie 5# du dispositif de protection WCB-822C dans le poste de distribution du transformateur de station de terre de la section II. Après le signal de sortie du bloc de bornes, le disjoncteur du transformateur de terre s'est déclenché. Le nouveau circuit câblé a été installé sur les portes des armoires secondaires du poste de distribution du transformateur de terre et du poste de jonction de bus, et connecté au circuit d'interdiction câblé via un lien de plaque de pression physique. La fonction d'interdiction peut être activée ou désactivée par l'engagement ou le désengagement de la plaque de pression.

La modification du signal d'interverrouillage du transformateur de station de terre sur le bus déconnecté lors du démarrage du transfert automatique de bus a été réalisée pendant le processus de rénovation du bus simple pour la section de bus correspondante.

4. Conclusion

En tant que point neutre artificiel introduit dans les systèmes électriques à configuration neutre non mise à la terre, le transformateur de terre joue un rôle crucial pour assurer la sécurité et le fonctionnement stable du système. Les améliorations décrites ci-dessus renforcent considérablement la sécurité du système lorsque le transformateur de terre est retiré du service, évitant efficacement les risques de surtension et de dommages aux équipements causés par l'absence d'un point de mise à la terre. Avant la mise en œuvre effective, une vérification détaillée doit être effectuée en fonction des modèles d'équipements spécifiques et des paramètres du système.