Poprawa logiki ochrony i inżynieryjne zastosowanie transformatorów ziemnych w systemach zasilania kolei miejskiej

1. Konfiguracja systemu i warunki pracy
Główny transformator w głównych stacjach przekształtniczych Zhengzhou Rail Transit – Centrum Wystawiennicze i Stadion Miejski – wykorzystuje połączenie gwiazdowe/deltoidowe z trybem pracy neutralnego punktu niezazemionego. Na stronie szyny 35 kV stosowany jest transformator zazemieniający typu Zigzag, podłączony do ziemi przez rezystor o niskiej wartości, który również zasila obciążenia stacji. Gdy wystąpi awaria jednofazowego zwarcia na linii, powstaje ścieżka przez transformator zazemieniający, rezystor zazemieniający i sieć ziemną, generując prąd zerowej sekwencji.

To umożliwia wysokoczułe, selektywne działanie ochrony zerowej sekwencji w uszkodzonym odcinku, które działa niezawodnie i natychmiastowo odłącza odpowiednie wyłączniki, izolując awarię i ograniczając jej wpływ. Jeśli transformator zazemieniający zostanie odłączony, system staje się systemem niezazemionym. W takim stanie, jednofazowe zwarcie na ziemię stanowiłoby poważne zagrożenie dla izolacji systemu i bezpieczeństwa sprzętu. Dlatego po aktywacji ochrony transformatora zazemieniającego, nie tylko sam transformator musi być odłączony, ale także związany z nim główny transformator musi być współdziałająco odłączony.

2. Ograniczenia istniejących schematów ochrony
W systemach zasilania głównych stacji przekształtniczych Centrum Wystawienniczego i Stadionu Miejskiego Zhengzhou Rail Transit, istniejąca ochrona transformatora zazemieniającego obejmuje wyłącznie ochronę przeciw nadprądowej. Gdy awaria powoduje odłączenie i wyłączenie z eksploatacji transformatora zazemieniającego, odłącza on tylko własne przełączniki bez współdziałającego odłączania odpowiadającego wyłącznika doprowadzającego zasilania.

To prowadzi do długotrwałego działania uszkodzonego odcinka szyny bez punktu zazemienia. W przypadku wystąpienia jednofazowego zwarcia na ziemię w takich warunkach, może dojść do wystąpienia przepięcia lub ochrona systemu może nie wykryć prądu zerowej sekwencji, co powoduje nieprawidłowe działanie lub brak działania ochrony zerowej sekwencji – potencjalnie eskalując incydent i kompromitując bezpieczeństwo całego systemu zasilania.

Dodatkowo, podczas operacji automatycznego przełączenia między szynami (automatyczne przełączenie szyn), transformator zazemieniający na rozłączanej szynie nie jest współdziałająco odłączany. To może spowodować, że oba odcinki szyny stają się połączone poprzez wyłącznik szynowy, tworząc sytuację dwupunktowego zazemienia w systemie. Taka sytuacja dwupunktowego zazemienia może prowadzić do dwóch poważnych problemów: (1) błędnego klasyfikowania prądu zerowej sekwencji podczas zwarcia na ziemię, powodując brak działania lub fałszywe odłączenie ochrony; (2) indukcji prądów wirowych przez prąd zerowej sekwencji, prowadzących do nagrzewania się sprzętu i uszkodzenia izolacji.

Obecna logika ochrony ma znaczne ograniczenia. Tradycyjne urządzenia ochrony monitorują jedynie stan pracy transformatora zazemieniającego, nie ustanawiając logicznych relacji z wyłącznikami doprowadzającymi zasilania ani wyłącznikiem szynowym – brakuje niezbędnych mechanizmów blokady/współdziałania.

3. Rekomendacje dotyczące poprawy istniejących ograniczeń ochrony

3.1 Propozycja środków poprawy

Dodaj „Miękka logika współdziałającego odłączania transformatora zazemieniającego”

• Warunek uruchomienia:Otwarcie wyłącznika transformatora zazemieniającego.Jeśli system używa zazemienia z niską rezystancją, zniknięcie prądu w rezystorze zazemieniającego może być dodatkowym kryterium.

• Projekt logiki współdziałającego odłączania:Odłączanie wyłącznika doprowadzającego zasilania:Jeśli transformator zazemieniający jest odłączony i nie ma innego punktu zazemienia na odcinku szyny, współdziałająco odłącz wyłącznik doprowadzający zasilania, aby wymusić transfer obciążenia na drugą szynę.Odłączanie wyłącznika szynowego:Jeśli oba odcinki szyny działają równolegle poprzez wyłącznik szynowy, współdziałająco odłącz wyłącznik szynowy, aby izolować odcinek szyny bez zazemienia.

• Rekomendacja technicznej implementacji:Dodaj ochronę prądu zerowej sekwencji. Po aktywacji przez nadprąd lub prąd zerowej sekwencji, urządzenie ochrony powinno odłączyć lokalny wyłącznik i jednocześnie wysłać polecenie współdziałającego odłączenia odpowiedniemu wyłącznikowi doprowadzającemu zasilania i wyłącznikowi szynowemu. Producenci urządzeń ochrony powinni dostosować diagram logiki współdziałania i dokonać aktualizacji oprogramowania na podstawie tej logiki.

3.2 Aktualizacja ochrony oparta na napięciu zerowej sekwencji

• Funkcja blokady/odłączania przy nadwyżce napięcia zerowej sekwencji:Dodaj ochronę nadwyżki napięcia zerowej sekwencji do schematu ochrony szyny jako zapasową, gdy transformator zazemieniający jest wyłączony z eksploatacji. Jeśli napięcie zerowej sekwencji przekroczy ustalony próg przez dłuższy czas niż ustawiona wartość czasu opóźnienia, automatycznie odłącz wyłącznik doprowadzający zasilania lub wyłącznik szynowy.

• Koordynacja ze stanem pracy transformatora zazemieniającego:Połącz funkcję ochrony napięcia zerowej sekwencji z sygnałem stanu pracy transformatora zazemieniającego:Gdy transformator zazemieniający pracuje normalnie, ochrona napięcia zerowej sekwencji działa w trybie alarmu.Gdy transformator zazemieniający jest wyłączony z eksploatacji, ochrona napięcia zerowej sekwencji przełącza się w tryb odłączania.

• Uwagi dotyczące implementacji – środki zapobiegające błędowemu odłączeniu:Dodaj czas opóźnienia, aby uniknąć fałszywego odłączenia z powodu przejściowych zakłóceń.Wykorzystaj kryteria logiki „AND” (np. napięcie zerowej sekwencji + wyłączony stan transformatora zazemieniającego), aby zwiększyć niezawodność.

3.3 Modyfikacja obwodów sterujących (wzmocnienie sprzętowe)

• Dodaj mechaniczne obwody współdziałania między urządzeniem ochrony transformatora zazemieniającego a urządzeniem ochrony wyłącznika doprowadzającego zasilania. Gdy transformator zazemieniający jest odłączany, sygnał odłączenia z wyjścia urządzenia ochrony → uruchamia wyjście urządzenia ochrony wyłącznika doprowadzającego zasilania → odłącz wyłącznik doprowadzający zasilania.

• Podczas automatycznego przełączania połączenia szynowego, gdy urządzenie ochronne połączenia szynowego wysyła sygnał do odłączenia przekaźnika zasilającego, jednocześnie wysyła sygnał poprzez swój wyjściowy terminal łączności → do wejściowego terminala urządzenia ochronnego przełącznika transformatora stacji ziemnej → do odłączenia przekaźnika transformatora ziemnego.

3.4 Wdrożenie modernizacji na miejscu
Jak pokazuje tabela 1, zarówno opcja 1, jak i opcja 2 wymagają modyfikacji i modernizacji urządzeń ochronnych. Jednakże Główne Podstacje Centrum Targowo-Wystawienniczego i Miejskiego Stadionu to starzejące się podstacje, których sprzęt jest daleko poza gwarancją. Wdrożenie opcji 1 lub opcji 2 wymagałoby, aby oryginalny producent urządzenia ochronnego przeprowadził aktualizację oprogramowania, co wiązałoby się z istotnymi nakładami ludzkimi i finansowymi. Dlatego personel operacyjny wybrał opcję 3 — wdrożenie modyfikacji na miejscu poprzez dodanie obwodów łączności mechanicznej.

Gdy transformator ziemny jest odłączany z powodu awarii, wymagane jest interlokowanie i odłączenie przełącznika pasma napędowego. Podczas inspekcji stwierdzono, że wyjścia rezerwowe 1, 2 i 3 nie były używane. Po zakończeniu ruchu pociągów personel serwisowy złożył wniosek do dyspozytora sprzętu o zezwolenie na pracę ("prośba o zezwolenie na pracę"). Dyspozytor przeprowadził przeniesienie obciążeń zgodnie z wymaganiami operacyjnymi i zatwierdził zezwolenie na pracę, gdy warunki były odpowiednie do rozpoczęcia prac.

Dla obwodu interlokowania: wyjście rezerwowe 2 (kontakty 517/518) na karcie sygnałowej 5# urządzenia ochronnego WCB-822C—zazwyczaj otwarte kontakty—zostało połączone szeregowo w nowo dodanym obwodzie interlokowania. Ten obwód został następnie skierowany do zazwyczaj otwartych kontaktów wyjścia 5 (kontakty 13/14) na karcie wyjściowej 4# urządzenia ochronnego WBH-818A dla przełącznika pasma napędowego. Po sygnale wyjściowym z bloku terminali, przełącznik pasma napędowego odłączył się. Przewód stałoprzewodowy został zainstalowany między szafą transformatora ziemnego a szafą przełącznika pasma napędowego i zintegrowany z obwodem blokady za pomocą fizycznego łącza płytowego. Zaangażowanie lub rozłączenie tego łącza płytowego określa, czy funkcja blokady jest aktywna.

Punkty modyfikacji dla drugiego odcinka są takie same jak powyżej. Podczas modernizacji obu odcinków, stosowano sekcjonowane pasma napędowe, aby zapewnić ciągłe zasilanie odpowiednich obszarów obsługi, co minimalizowało wpływ na konserwację sprzętu po zakończeniu operacji.

Po ukończeniu modyfikacji przeprowadzono testy urządzeń ochronnych, aby zweryfikować funkcję interlokowania. Gdy funkcja została zweryfikowana jako prawidłowa, system został bezpośrednio wprowadzony do eksploatacji.

W odniesieniu do interlokowania transformatora stacjonarnego podczas automatycznego przenoszenia obciążenia między odcinkami (BATS) na odcinku bez zasilania: podczas inspekcji stwierdzono, że wyjścia rezerwowe 3 do 7 nie były używane. Po zakończeniu ruchu pociągów personel serwisowy złożył wniosek do dyspozytora sprzętu o zezwolenie na pracę. Dyspozytor przeprowadził przełączenie obciążeń zgodnie z potrzebami operacyjnymi i zatwierdził zezwolenie na pracę, gdy warunki były odpowiednie do rozpoczęcia prac.

Dla lokalnej modernizacji transformatora stacjonarnego na odcinku I: dodano nowy obwód stałoprzewodowy. Wyjście rezerwowe 3 (kontakty 519/520) na karcie sygnałowej 5# urządzenia ochronnego WBT-821C—zazwyczaj otwarte kontakty—zostało połączone szeregowo w nowo dodanym obwodzie, który następnie został skierowany do zazwyczaj otwartych kontaktów wyjścia rezerwowego 1 (kontakty 514/515) na karcie wyjściowej 5# urządzenia ochronnego WCB-822C w szafie transformatora stacjonarnego odcinka I. Po sygnale wyjściowym, przełącznik transformatora ziemnego odłączył się. Nowy obwód stałoprzewodowy został zainstalowany na drzwiach wtórnych szafy transformatora ziemnego i szafy połączenia odcinków, i zintegrowany z obwodem blokady za pomocą fizycznego łącza płytowego. Funkcję blokady można włączyć lub wyłączyć przez zaangażowanie lub rozłączenie łącza płytowego.

Dla lokalnej modernizacji transformatora stacjonarnego na odcinku II: dodano nowy obwód stałoprzewodowy. Wyjście rezerwowe 4 (kontakty 311/312) na karcie rozszerzeniowej 3# urządzenia ochronnego WBT-821C—zazwyczaj otwarte kontakty—zostało połączone szeregowo w nowo dodanym obwodzie, który następnie został skierowany do zazwyczaj otwartych kontaktów wyjścia rezerwowego 1 (kontakty 514/515) na karcie wyjściowej 5# urządzenia ochronnego WCB-822C w szafie transformatora stacjonarnego odcinka II. Po sygnale wyjściowym, przełącznik transformatora ziemnego odłączył się. Nowy obwód stałoprzewodowy został zainstalowany na drzwiach wtórnych szafy transformatora ziemnego i szafy połączenia odcinków, i zintegrowany z obwodem blokady za pomocą fizycznego łącza płytowego. Funkcję blokady można włączyć lub wyłączyć przez zaangażowanie lub rozłączenie łącza płytowego.

Modyfikacja sygnału interlokowania transformatora stacjonarnego na odcinku bez zasilania podczas uruchamiania automatycznego przenoszenia obciążenia między odcinkami została ukończona w trakcie opisanego procesu modernizacji pojedynczego odcinka dla odpowiedniego odcinka.

4. Podsumowanie

Jako sztucznie wprowadzony punkt neutralny w systemach zasilania o nienazemionym punkcie neutralnym, transformator ziemny odgrywa kluczową rolę w zapewnianiu bezpieczeństwa i stabilności działania systemu. Opisane ulepszenia znacznie zwiększają bezpieczeństwo systemu, gdy transformator ziemny jest wyłączony z eksploatacji, efektywnie unikając ryzyka nadmiernego napięcia i uszkodzenia sprzętu spowodowanego działaniem bez punktu ziemnego. Przed rzeczywistą implementacją należy przeprowadzić szczegółową weryfikację na podstawie specyficznych modeli sprzętu i parametrów systemu.