Улучшение логики защиты и инженерное применение заземляющих трансформаторов в системах электроснабжения железнодорожного транспорта

1. Конфигурация системы и условия эксплуатации
Основные трансформаторы на главных подстанциях Центра конференций и выставок и Муниципального стадиона в Чжэнчжоу используют соединение обмоток звезда/треугольник с незаземленной нейтральной точкой. На стороне шины 35 кВ используется зигзагообразный заземляющий трансформатор, подключенный к земле через резистор малого значения, который также обеспечивает нагрузку станции. При возникновении однофазного замыкания на землю на линии образуется путь через заземляющий трансформатор, резистор заземления и заземляющую решетку, что приводит к появлению нулевой последовательности тока.

Это позволяет высокочувствительному, селективному нулевому защитному устройству в поврежденном участке работать надежно и немедленно отключить соответствующие выключатели, изолируя тем самым неисправность и ограничивая ее влияние. Если заземляющий трансформатор отключен, система становится незаземленной. В этом состоянии однофазное замыкание на землю может серьезно угрожать изоляции системы и безопасности оборудования. Поэтому при срабатывании защиты заземляющего трансформатора необходимо не только отключить сам заземляющий трансформатор, но и блокировать и отключить соответствующий основной трансформатор.

2. Ограничения существующих систем защиты
В системах питания главных подстанций Центра конференций и выставок и Муниципального стадиона в Чжэнчжоу существующая защита для заземляющего служебного трансформатора включает только защиту от перегрузки по току. Когда неисправность вызывает отключение заземляющего трансформатора и вывод его из работы, она отключает только собственный коммутационный аппарат без блокировки и отключения соответствующего входящего линейного выключателя.

Это приводит к тому, что поврежденная секция шины продолжает работать длительное время без точки заземления. В случае однофазного замыкания на землю в таких условиях может произойти перенапряжение или система защиты не сможет обнаружить ток нулевой последовательности, что приведет к отказу или неправильной работе нулевой защиты — потенциально усугубляя инцидент и компрометируя общую безопасность энергосистемы.

Кроме того, при автоматическом переключении между шинами (автоматическое переключение между шинами) заземляющий служебный трансформатор на обесточенной секции шины не блокируется и не отключается. Это может привести к тому, что обе секции шин будут соединены через выключатель шины, создавая двухточечное заземление в системе. Такое двухточечное заземление может вызвать две серьезные проблемы: (1) неверную классификацию тока нулевой последовательности при замыкании на землю, что приводит к отказу защиты или ложному срабатыванию; и (2) циркулирующие токи, вызванные током нулевой последовательности, что приводит к перегреву оборудования и повреждению изоляции.

Существующая логика защиты имеет значительные ограничения. Традиционные устройства защиты только контролируют состояние работы заземляющего трансформатора и не устанавливают блокировочную логику с входящими линейными выключателями или выключателем шины — отсутствуют необходимые механизмы блокировки/блокирования.

3. Рекомендации по улучшению существующих ограничений защиты

3.1 Предложенные меры улучшения

Добавить "мягкую логику" для блокировки отключения заземляющего служебного трансформатора

• Условие срабатывания: Открывается выключатель заземляющего служебного трансформатора. Если система использует заземление с малым сопротивлением, исчезновение тока резистора заземления может быть добавлено как дополнительный критерий.

• Дизайн логики блокировки: Отключение входящего линейного выключателя: Если заземляющий служебный трансформатор отключен и на секции шины нет других точек заземления, блокировка отключения входящего линейного выключателя для принудительного переноса нагрузки на другую шину. Отключение выключателя шины: Если обе секции шин работают параллельно через выключатель шины, блокировка отключения выключателя шины для изоляции незаземленной секции шины.

• Рекомендация по технической реализации: Добавить защиту по току нулевой последовательности. При срабатывании защиты по перегрузке или току нулевой последовательности устройство защиты должно отключить свой местный выключатель и одновременно отправить команды блокировки отключения соответствующему входящему линейному выключателю и выключателю шины. Производители устройств защиты должны изменить схему блокировки и выполнить обновление программного обеспечения на основе этой логики.

3.2 Усовершенствование защиты на основе напряжения нулевой последовательности

• Функция блокировки/отключения по перенапряжению нулевой последовательности: Добавить защиту по перенапряжению нулевой последовательности в схему защиты шины в качестве резервной, когда заземляющий служебный трансформатор выведен из работы. Если напряжение нулевой последовательности превышает установленный порог дольше заданного времени задержки, автоматически отключить входящий линейный или выключатель шины.

• Связь с состоянием заземляющего трансформатора: Связать функцию защиты по напряжению нулевой последовательности со сигналом состояния работы заземляющего служебного трансформатора: Когда заземляющий трансформатор работает нормально, защита по напряжению нулевой последовательности работает в режиме сигнализации. Когда заземляющий трансформатор выведен из работы, защита по напряжению нулевой последовательности переключается в режим отключения.

• Примечания по реализации — меры против ложного срабатывания: Добавить задержку, чтобы избежать ложного срабатывания из-за кратковременных помех. Использовать логические критерии "И" (например, напряжение нулевой последовательности + отключение заземляющего трансформатора), чтобы повысить надежность.

3.3 Изменение контрольной цепи (усовершенствование аппаратуры)

• Добавить жесткие блокировочные цепи между устройством защиты заземляющего служебного трансформатора и устройством защиты входящего линейного выключателя. Когда заземляющий трансформатор отключается, сигнал отключения от выходного терминала устройства защиты → запускает выходной терминал устройства защиты входящего линейного выключателя → отключает входящий линейный выключатель.

• Во время автоматического переключения шин, когда устройство защиты шин посылает сигнал на отключение входного линейного выключателя, оно одновременно посылает сигнал через свой выход блокировки → на выходное устройство защиты трансформатора собственных нужд подстанции → для отключения выключателя трансформатора собственных нужд.

3.4 Реализация модернизации на месте
Как показано в таблице 1, как вариант 1, так и вариант 2 требуют модификации и обновления устройств защиты. Однако главные подстанции Конгресс-центра и Муниципального стадиона — это устаревшие подстанции, оборудование которых давно вышло из гарантийного срока. Реализация варианта 1 или 2 потребовала бы, чтобы производитель оригинальных устройств защиты выполнил программное обновление, что связано с значительными затратами человеческих и финансовых ресурсов. Поэтому эксплуатационный персонал выбрал вариант 3 — реализацию модификаций на месте путем добавления жестко проводимых цепей блокировки.

При срабатывании заземляющего трансформатора из-за неисправности требуется блокировка и отключение входного выключателя питания. При проверке было обнаружено, что запасные выходы 1, 2 и 3 не использовались. После окончания движения поездов технический персонал обратился к диспетчеру оборудования за разрешением на работу ("запрос на разрешение работ"). Диспетчер выполнил переключение нагрузки в соответствии с операционными требованиями и одобрил разрешение на работу, когда условия были подходящими для проведения работ.

Для цепи блокировки отключения: запасной выход 2 (клеммы 517/518) на 5# сигнальной плате устройства защиты WCB-822C — нормально открытые контакты — был подключен последовательно в новую жесткую цепь блокировки. Эта цепь затем была проложена к нормально открытым контактам выхода 5 (клеммы 13/14) на 4# плате выхода устройства защиты WBH-818A для входного коммутационного оборудования. После выходного сигнала с клеммника входной выключатель питания сработал. Жесткая проводка была установлена между коммутационным оборудованием заземляющего трансформатора и входным коммутационным оборудованием, и интегрирована в жесткую цепь блокировки через физическую панельную связь. Включение или отключение этой жесткой панели определяет активность функции блокировки.

Точки модификации для другого шинного участка идентичны вышеописанным. Во время модернизации обоих шинных участков использовались секционированные входные линии, чтобы обеспечить непрерывное питание соответствующих служебных зон, тем самым минимизируя влияние на послерейсовое обслуживание оборудования.

После завершения модификаций было проведено тестирование реле защиты для проверки функции блокировки отключения. После подтверждения нормальной работы система была введена в эксплуатацию.

По поводу блокировки отключения заземляющего трансформатора станционного питания на обесточенной шине при автоматическом переключении секций (BATS): при проверке было обнаружено, что запасные выходы 3-7 не использовались. После окончания движения поездов технический персонал обратился к диспетчеру оборудования за разрешением на работу. Диспетчер выполнил переключение нагрузки в соответствии с операционными потребностями и дал разрешение, когда условия для выполнения работ были соблюдены.

Для модернизации на месте заземляющего трансформатора станционного питания первого шинного участка: добавлена новая жесткая цепь. Запасной выход 3 (клеммы 519/520) на 5# сигнальной плате устройства защиты WBT-821C — нормально открытые контакты — был подключен последовательно в новую жесткую цепь, которая затем была проложена к нормально открытым контактам запасного выхода 1 (клеммы 514/515) на 5# плате выхода устройства защиты WCB-822C в коммутационном оборудовании заземляющего трансформатора станционного питания первого шинного участка. После выходного сигнала с клеммника выключатель заземляющего трансформатора сработал. Новая жесткая цепь была установлена на вторичных дверях корпусов как заземляющего трансформатора, так и коммутационного оборудования секционирования, и подключена в жесткую цепь блокировки через физическую панельную связь. Функцию блокировки можно включать или выключать, включая или исключая жесткую панель.

Для модернизации на месте заземляющего трансформатора станционного питания второго шинного участка: добавлена новая жесткая цепь. Запасной выход 4 (клеммы 311/312) на 3# расширительной плате устройства защиты WBT-821C — нормально открытые контакты — был подключен последовательно в новую жесткую цепь, которая затем была проложена к нормально открытым контактам запасного выхода 1 (клеммы 514/515) на 5# плате выхода устройства защиты WCB-822C в коммутационном оборудовании заземляющего трансформатора станционного питания второго шинного участка. После выходного сигнала с клеммника выключатель заземляющего трансформатора сработал. Новая жесткая цепь была установлена на вторичных дверях корпусов как заземляющего трансформатора, так и коммутационного оборудования секционирования, и подключена в жесткую цепь блокировки через физическую панельную связь. Функцию блокировки можно включать или выключать, включая или исключая жесткую панель.

Модификация сигнала блокировки отключения заземляющего трансформатора станционного питания на обесточенной шине при автоматическом переключении секций была завершена в ходе вышеупомянутого процесса модернизации одношинного участка для соответствующего шинного участка.

4. Заключение

В качестве искусственно введенной нейтральной точки в системах электропередачи с незаземленной нейтралью, заземляющий трансформатор играет ключевую роль в обеспечении безопасности и стабильной работы системы. Описанные выше улучшения значительно повышают безопасность системы при выводе заземляющего трансформатора из эксплуатации, эффективно предотвращая риски перенапряжения и повреждения оборудования, вызванные работой без заземления. Перед фактическим внедрением необходимо провести детальную проверку на основе конкретных моделей оборудования и параметров системы.