Miglioramento della logica di protezione e applicazione ingegneristica dei trasformatori di raccordo a terra nei sistemi di alimentazione del trasporto ferroviario

1. Configurazione del sistema e condizioni operative
I trasformatori principali della sottostazione principale del Centro Congressi e della sottostazione principale dello Stadio Municipale di Zhengzhou Rail Transit adottano una connessione a stella/delta con un punto neutro non terra. Sul lato bus da 35 kV, viene utilizzato un trasformatore di terra Zigzag, collegato a terra attraverso una resistenza a basso valore, e fornisce anche carichi di servizio alla stazione. Quando si verifica un cortocircuito monofase a terra su una linea, si forma un percorso attraverso il trasformatore di terra, la resistenza di terra e la griglia di terra, generando corrente zero sequenza. 

Ciò consente una protezione selettiva a alta sensibilità basata sulla corrente zero sequenza all'interno della sezione in fallo per funzionare in modo affidabile e immediatamente far scattare i corrispondenti interruttori, isolando così il guasto e limitandone l'impatto. Se il trasformatore di terra viene disconnesso, il sistema diventa un sistema non a terra. In questa condizione, un guasto monofase a terra minaccerebbe gravemente l'isolamento del sistema e la sicurezza degli apparecchi. Pertanto, quando si attiva la protezione del trasformatore di terra, non solo deve essere fatto scattare il trasformatore di terra stesso, ma anche l'interconnessione e lo scatto del trasformatore principale associato.

2. Limitazioni degli schemi di protezione esistenti
Nel sistema di alimentazione delle sottostazioni principali del Centro Congressi e dello Stadio Municipale di Zhengzhou Rail Transit, la protezione esistente per il trasformatore di servizio di terra include solo la protezione contro sovratensione. Quando un guasto causa lo scatto e la rimozione dal servizio del trasformatore di terra, fa scattare solo l'apparecchiatura di propria competenza senza interconnettere lo scatto dell'interruttore di alimentazione in entrata corrispondente. 

Questo comporta che la sezione di bus interessata operi per un periodo prolungato senza un punto di terra. In caso di guasto monofase a terra in tali condizioni, potrebbe verificarsi una sovratensione o il sistema di protezione potrebbe non rilevare la corrente zero sequenza, causando un malfunzionamento o un mancato funzionamento della protezione zero sequenza - potenzialmente aggravando l'incidente e compromettendo la sicurezza complessiva del sistema elettrico.

Inoltre, durante le operazioni di trasferimento automatico tra i bus (commutazione automatica tra i bus), il trasformatore di servizio di terra sul bus de-energizzato non è interconnesso allo scatto. Ciò può causare l'interconnessione dei due bus tramite l'interruttore di commutazione, risultando in una condizione di doppio punto di terra all'interno del sistema. Tale scenario di doppio punto di terra può portare a due problemi gravi: (1) classificazione errata della corrente zero sequenza durante i guasti a terra, causando un rifiuto di funzionamento della protezione o un falso scatto; e (2) correnti circolanti indotte dalla corrente zero sequenza, causando surriscaldamento e danni all'isolamento degli apparecchi.

La logica di protezione attuale presenta limitazioni significative. I dispositivi di protezione convenzionali monitorano solo lo stato operativo del trasformatore di terra e non stabiliscono logiche di interconnessione con gli interruttori di alimentazione in entrata o l'interruttore di commutazione tra i bus - mancando di meccanismi di blocco/interconnessione necessari.

3. Raccomandazioni per migliorare le limitazioni delle protezioni esistenti

3.1 Misure di miglioramento proposte

Aggiungi logica software "Interconnessione allo scatto del trasformatore di servizio di terra"

• Condizione di trigger: L'interruttore del trasformatore di servizio di terra si apre. Se il sistema utilizza un terra a bassa resistenza, la scomparsa della corrente della resistenza di terra può essere aggiunta come ulteriore criterio.

• Progettazione della logica di interconnessione allo scatto: Far scattare l'interruttore di alimentazione in entrata: Se il trasformatore di servizio di terra viene rimosso e non esiste altro punto di terra sulla sezione del bus, interconnettete lo scatto dell'interruttore di alimentazione in entrata per forzare il trasferimento del carico a un altro bus. Far scattare l'interruttore di commutazione tra i bus: Se entrambi i bus stanno operando in parallelo tramite l'interruttore di commutazione, interconnettete lo scatto dell'interruttore di commutazione per isolare il bus non a terra.

• Raccomandazione per l'implementazione tecnica: Aggiungi protezione contro la corrente zero sequenza. Quando si verifica un sovracorrente o una corrente zero sequenza, il dispositivo di protezione dovrebbe far scattare il suo interruttore locale e inviare comandi di interconnessione allo scatto agli interruttori di alimentazione in entrata e di commutazione tra i bus corrispondenti. I produttori di dispositivi di protezione dovrebbero modificare il diagramma logico di interconnessione e eseguire aggiornamenti software in base a tale logica.

3.2 Aggiornamento della protezione basato sulla tensione zero sequenza

• Funzione di blocco/scatto per sovratensione zero sequenza: Aggiungi protezione contro la sovratensione zero sequenza allo schema di protezione del bus come backup quando il trasformatore di servizio di terra è fuori servizio. Se la tensione zero sequenza supera la soglia impostata per un tempo superiore al ritardo preimpostato, fai scattare automaticamente l'interruttore di alimentazione in entrata o l'interruttore di commutazione tra i bus.

• Coordinamento con lo stato operativo del trasformatore di terra: Collega la funzione di protezione contro la tensione zero sequenza al segnale di stato operativo del trasformatore di servizio di terra: Quando il trasformatore di terra è in funzione normale, la protezione contro la tensione zero sequenza opera in modalità di allarme. Quando il trasformatore di terra è fuori servizio, la protezione contro la tensione zero sequenza passa in modalità di scatto.

• Note sull'implementazione - Misure anti-malfunzionamento: Aggiungi un ritardo per evitare falsi scatti dovuti a disturbi transitori. Usa criteri logici "E" (ad esempio, tensione zero sequenza + trasformatore di terra fuori servizio) per aumentare l'affidabilità.

3.3 Modifica del circuito di controllo (miglioramento hardware)

• Aggiungi circuiti di interconnessione cablati tra il dispositivo di protezione del trasformatore di servizio di terra e il dispositivo di protezione dell'interruttore di alimentazione in entrata. Quando il trasformatore di terra fa scattare, il segnale di scatto dall'uscita del dispositivo di protezione del trasformatore di terra → attiva l'uscita del dispositivo di protezione dell'interruttore di alimentazione in entrata → fa scattare l'interruttore di alimentazione in entrata.

• Durante l'operazione di trasferimento automatico del bus tie, quando il dispositivo di protezione del bus tie invia un segnale per aprire l'interruttore dell'alimentazione in entrata, invia contemporaneamente un segnale attraverso il suo terminale di interblocco → al terminale di uscita del dispositivo di protezione dell'interruttore del trasformatore di servizio di terra → per aprire l'interruttore del trasformatore di terra.

3.4 Implementazione sul campo della retrofit
Come mostrato nella Tabella 1, sia l'Opzione 1 che l'Opzione 2 richiedono la modifica e l'aggiornamento dei dispositivi di protezione. Tuttavia, i sottostazioni principali del Centro Esposizioni e dello Stadio Comunale sono impianti obsoleti, la cui attrezzatura è ben oltre la garanzia. L'implementazione dell'Opzione 1 o dell'Opzione 2 richiederebbe al produttore originale dei dispositivi di protezione di eseguire aggiornamenti software, coinvolgendo un significativo investimento di manodopera e finanziario. Pertanto, il personale operativo ha optato per l'Opzione 3—l'implementazione di modifiche sul campo aggiungendo circuiti di interblocco a filo diretto.

Quando il trasformatore di terra viene disattivato a causa di un guasto, è necessario interrompere in cascata l'interruttore dell'alimentatore in entrata. Durante l'ispezione, si è scoperto che le uscite di riserva 1, 2 e 3 non erano utilizzate. Al termine delle operazioni dei treni, il personale di manutenzione ha richiesto al dispatching dell'equipaggiamento un permesso di lavoro ("richiesta di autorizzazione per il lavoro"). Il dispatching ha eseguito il trasferimento del carico in base alle esigenze operative e ha approvato il permesso di lavoro una volta che le condizioni erano adatte per la costruzione.

Per il circuito di interruzione in cascata: l'uscita di riserva 2 (terminali 517/518) sulla scheda di segnalazione n. 5 del dispositivo di protezione WCB-822C—contatti normalmente aperti—è stata inserita in serie in un nuovo circuito di interruzione in cascata cablato fisicamente. Questo circuito è poi stato diretto ai terminali normalmente aperti dell'uscita 5 (terminali 13/14) sulla scheda di uscita n. 4 del dispositivo di protezione WBH-818A per l'armadio di commutazione dell'alimentatore in entrata. Dopo il segnale di uscita dal blocco terminale, l'interruttore dell'alimentatore in entrata si è disattivato. Il cablaggio fisico è stato installato tra l'armadio di commutazione del trasformatore di terra e l'armadio di commutazione dell'alimentatore in entrata, ed è stato integrato nel circuito di blocco cablato fisicamente tramite un collegamento a placca fisica. L'ingaggio o lo sgancio di questa placca fisica determina se la funzione di blocco è attiva.

I punti di modifica per l'altro bus sono identici a quelli sopra descritti. Durante il retrofit di entrambi i bus, sono stati utilizzati alimentatori in entrata sezionati per garantire l'approvvigionamento ininterrotto di energia alle rispettive aree di servizio, minimizzando così l'impatto sulla manutenzione degli equipaggiamenti post-operativi.

Dopo il completamento delle modifiche, è stata eseguita una verifica del relè di protezione per verificare la funzionalità di interruzione in cascata. Una volta verificata come normale, il sistema è stato messo direttamente in servizio.

Riguardo all'interruzione in cascata del trasformatore di servizio di terra sul bus de-energizzato durante l'operazione di auto-trasferimento del bus (BATS): durante l'ispezione, si è scoperto che le uscite di riserva 3 a 7 non erano utilizzate. Al termine delle operazioni dei treni, il personale di manutenzione ha richiesto al dispatching dell'equipaggiamento un permesso di lavoro. Il dispatching ha eseguito il trasferimento del carico in base alle esigenze operative e ha concesso l'approvazione una volta soddisfatte le condizioni per la costruzione.

Per il retrofit sul campo del trasformatore di servizio di terra del bus I: è stato aggiunto un nuovo circuito cablato fisicamente. L'uscita di riserva 3 (terminali 519/520) sulla scheda di segnalazione n. 5 del dispositivo di protezione WBT-821C—contatti normalmente aperti—è stata inserita in serie nel nuovo circuito cablato, che è poi stato diretto ai terminali normalmente aperti dell'uscita di riserva 1 (terminali 514/515) sulla scheda di uscita n. 5 del dispositivo di protezione WCB-822C nell'armadio di commutazione del trasformatore di servizio di terra del bus I. Dopo l'uscita del terminale, l'interruttore del trasformatore di terra si è disattivato. Il nuovo circuito cablato è stato installato sulle porte secondarie di entrambi gli armadi di commutazione del trasformatore di terra e del bus tie, e collegato al circuito di blocco cablato fisicamente tramite un collegamento a placca fisica. La funzione di blocco può essere abilitata o disabilitata ingaggiando o sconnettendo la placca fisica.

Per il retrofit sul campo del trasformatore di servizio di terra del bus II: è stato aggiunto un nuovo circuito cablato fisicamente. L'uscita di riserva 4 (terminali 311/312) sulla scheda di espansione n. 3 del dispositivo di protezione WBT-821C—contatti normalmente aperti—è stata inserita in serie nel nuovo circuito cablato, che è poi stato diretto ai terminali normalmente aperti dell'uscita di riserva 1 (terminali 514/515) sulla scheda di uscita n. 5 del dispositivo di protezione WCB-822C nell'armadio di commutazione del trasformatore di servizio di terra del bus II. Dopo l'uscita del terminale, l'interruttore del trasformatore di terra si è disattivato. Il nuovo circuito cablato è stato installato sulle porte secondarie di entrambi gli armadi di commutazione del trasformatore di terra e del bus tie, e collegato al circuito di blocco cablato fisicamente tramite un collegamento a placca fisica. La funzione di blocco può essere abilitata o disabilitata ingaggiando o sconnettendo la placca fisica.

La modifica del segnale di interruzione in cascata del trasformatore di servizio di terra sul bus de-energizzato durante l'avvio dell'auto-trasferimento del bus è stata completata durante il processo di retrofit del singolo bus per la sezione di bus corrispondente.

4. Conclusione

Come punto neutro artificiale introdotto nei sistemi di potenza con configurazioni di neutro non terra, il trasformatore di terra svolge un ruolo critico per garantire la sicurezza e l'operatività stabile del sistema. Le migliorie descritte sopra migliorano significativamente la sicurezza del sistema quando il trasformatore di terra viene rimosso dal servizio, evitando efficacemente i rischi di sovratensione e danni agli equipaggiamenti causati dall'operazione senza un punto di terra. Prima della reale implementazione, deve essere eseguita una verifica dettagliata in base ai modelli specifici dell'equipaggiamento e ai parametri del sistema.