Покращення логіки захисту та інженерне застосування заземлювальних трансформаторів в системах електропостачання залізничного транспорту

1. Налаштування системи та умови роботи
Основні трансформатори на головних підстанціях Виставкового центру та Міського стадіону метрополітену Чжунчжоу використовують зірково-трикутне з'єднання обмоток з режимом роботи незаземленої нейтральної точки. На стороні шин 35 кВ використовується зигзагообразний заземлювальний трансформатор, який з'єднується з землею через опір малого значення, а також забезпечує питання станційських нагрузок. При виникненні однофазної заземленої коротшого замикання на лінії утворюється шлях через заземлювальний трансформатор, опір заземлення та заземлювальну сітку, що генерує нульовий послідовний струм.

Це дозволяє високочутливому, селективному захисту від нульового послідовного струму в аварійному відрізку працювати надійно та одразу відключити відповідні автоматичні вимикачі, таким чином ізольуючи аварію та обмежуючи її вплив. Якщо заземлювальний трансформатор відключено, система стає незаземленою. У таких умовах однофазна заземлена аварія може серйозно загрожувати ізоляції системи та безпеці обладнання. Тому при спрацюванні захисту заземлювального трансформатора необхідно не лише відключити сам трансформатор, але й взаємопов'язано відключити основний трансформатор.

2. Обмеження існуючих систем захисту
У системах живлення головних підстанцій Виставкового центру та Міського стадіону метрополітену Чжунчжоу, існуючий захист для заземлювального трансформатора станційського живлення включає лише захист від перевищення струму. Коли аварія призводить до відключення заземлювального трансформатора, він відключає лише свій власний комутаційний пристрій, не взаємопов'язано відключаючи відповідний входний лінійний вимикач.

Це призводить до того, що аварійний відрізок шин працює довгий час без точки заземлення. У разі однофазної заземленої аварії в таких умовах може виникнути перенапруга або система захисту може не виявити нульовий послідовний струм, що призведе до невідповідної роботи захисту від нульового послідовного струму або його невідправки — потенційно посилюючи ситуацію та заважаючи загальній безпеці системи живлення.

Крім того, під час автоматичного переключення між шинами (автоматичного включення міжшинного вимикача) заземлювальний трансформатор станційського живлення на відключеній шині не відключається взаємопов'язано. Це може призвести до того, що обидві шини будуть з'єднані через міжшинний вимикач, створюючи двоточкове заземлення в системі. Така ситуація з двоточковим заземленням може призвести до двох серйозних проблем: (1) невірна класифікація нульового послідовного струму при заземлених аваріях, що призводить до відмови захисту або хибного відключення; (2) циркуляційні струми, що викликаються нульовим послідовним струмом, що призводять до перегріву обладнання та пошкодження ізоляції.

Поточна логіка захисту має значні обмеження. Традиційні пристрої захисту лише моніторять робочий стан заземлювального трансформатора, але не встановлюють взаємопов'язану логіку з входними лінійними вимикачами або міжшинним вимикачем — бракує необхідних механізмів блокування/взаємопов'язаного відключення.

3. Рекомендації щодо покращення існуючих обмежень захисту

3.1 Пропоновані заходи для покращення

Додати "М'яку логіку взаємопов'язаного відключення заземлювального трансформатора станційського живлення"

• Умова запуску: Відкривається автоматичний вимикач заземлювального трансформатора станційського живлення. Якщо система використовує заземлення з низьким опором, зникнення струму заземлювального опору може бути доданим як додатковий критерій.

• Логіка взаємопов'язаного відключення: Відключити входний лінійний вимикач: Якщо заземлювальний трансформатор станційського живлення відключено, а іншої точки заземлення на шині немає, взаємопов'язано відключити входний лінійний вимикач, щоб примусово перенести навантаження на іншу шину. Відключити міжшинний вимикач: Якщо обидві шини працюють паралельно через міжшинний вимикач, взаємопов'язано відключити міжшинний вимикач, щоб ізольувати незаземлену шину.

• Рекомендації щодо технічної реалізації: Додати захист від нульового послідовного струму. Після спрацювання захисту від перевищення струму або нульового послідовного струму, пристрій захисту повинен відключити свій локальний вимикач та одночасно відправити команди взаємопов'язаного відключення відповідному входному лінійному вимикачу та міжшинному вимикачу. Виробники пристроїв захисту повинні відповідно модифікувати діаграму взаємопов'язаної логіки та виконати оновлення програмного забезпечення на основі цієї логіки.

3.2 Покращення захисту на основі нульового послідовного напруги

• Функція блокування/відключення за нульовим послідовним напругом: Додати захист від нульового послідовного напругу до системи захисту шин як резерв, коли заземлювальний трансформатор станційського живлення виведений з експлуатації. Якщо нульовий послідовний напруг перевищує заданий поріг довше, ніж передбачено, автоматично відключити входний лінійний або міжшинний вимикач.

• Сполучення зі статусом роботи заземлювального трансформатора: Зв'язати функцію захисту від нульового послідовного напругу з сигналом робочого стану заземлювального трансформатора станційського живлення: Коли заземлювальний трансформатор працює нормально, захист від нульового послідовного напругу працює в режимі тривоги. Коли заземлювальний трансформатор виведений з експлуатації, захист від нульового послідовного напругу переключається в режим відключення.

• Примітки щодо реалізації — заходи проти хибного відключення: Додати затримку, щоб уникнути хибного відключення через тимчасові завади. Використовувати логічні критерії "І" (наприклад, нульовий послідовний напруг + виведений з експлуатації заземлювальний трансформатор), щоб підвищити надійність.

3.3 Модифікація керуючого контуру (покращення апаратної частини)

• Додати жорсткі взаємопов'язані контури між пристроєм захисту заземлювального трансформатора станційського живлення та пристроєм захисту входного лінійного вимикача. Коли заземлювальний трансформатор відключається, сигнал відключення з виходу пристрою захисту → запускає виходовий контакт пристрою захисту входного лінійного вимикача → відключає входний лінійний вимикач.

• Під час автоматичного переключення шини, коли пристрій захисту шини відправляє сигнал для відключення входячого лінійного вимикача, він одночасно відправляє сигнал через свій вихідний клемник → до вихідного клемника пристрою захисту заземлювального трансформатора станції → для відключення вимикача заземлювального трансформатора.

3.4 Реалізація модернізації на місці
Як показано у таблиці 1, як опція 1, так і опція 2 вимагають модифікації та оновлення пристроїв захисту. Однак, Головна підстанція Конвенційного центру та Головна підстанція Міського стадіону — це старі підстанції, обладнання яких значно вийшло за гарантійний термін. Реалізація опції 1 або опції 2 вимагала б, щоб постачальник оригінальних пристроїв захисту провів оновлення програмного забезпечення, що супроводжується значними витратами людських ресурсів та фінансовими витратами. Тому оперативний персонал обрав опцію 3 — реалізацію модифікацій на місці шляхом додавання жорстких блокувальних контурів.

Коли заземлювач відключається через аварію, необхідно синхронно відключити автомат вхідного лінійного вводу. Після перевірки виявилося, що запасні виходи 1, 2 і 3 не використовувалися. Після завершення руху поїздів, сервісний персонал звернувся до диспетчера обладнання за допуском на роботу ("запит на авторизацію роботи"). Диспетчер виконав перехід навантаження згідно з операційними потребами і затвердив допуск на роботу, коли умови були відповідними для проведення робіт.

Для цепи синхронного відключення: запасний вихід 2 (контакти 517/518) на 5# сигналовій платі пристрою захисту WCB-822C—нормально відкриті контакти—було підключено послідовно до нової додаткової цепи жорсткого проводу. Ця цепа потім була проведена до нормально відкритих контактів виходу 5 (контакти 13/14) на 4# платі виходу пристрою захисту WBH-818A для шафи вхідного лінійного вводу. Після отримання сигналу з клемників, автомат вхідного лінійного вводу відключився. Жорсткий провід був встановлений між шафою заземлювача і шафою вхідного лінійного вводу, і інтегрований до цепи блокування через фізичне з’єднання плівкою. Включення або виключення цієї жорсткої плівки визначає, чи активна функція блокування.

Зміни для іншої секції шин аналогічні до вищезазначеного. Під час модернізації обох секцій шин використовувались розділені вхідні лінійні вводи, щоб забезпечити безперервне електропостачання відповідних службових областей, тим самим мінімізуючи вплив на обслуговування обладнання після завершення робіт.

Після завершення змін, було проведено тестування реле захисту, щоб перевірити функцію синхронного відключення. Після підтвердження правильності, система була введена в експлуатацію.

Щодо синхронного відключення заземлювача станційного перетворника на відключеній шині під час автоматичного перекиду шин (BATS): після перевірки, виявилося, що запасні виходи 3–7 не використовувалися. Після завершення руху поїздів, сервісний персонал звернувся до диспетчера обладнання за допуском на роботу. Диспетчер виконав перехід навантаження згідно з операційними потребами і затвердив допуск на роботу, коли умови були відповідними для проведення робіт.

Для на місці модернізації заземлювача станційного перетворника секції I: було додано нову цепу жорсткого проводу. Запасний вихід 3 (контакти 519/520) на 5# сигналовій платі пристрою захисту WBT-821C—нормально відкриті контакти—було підключено послідовно до нової цепи жорсткого проводу, яка потім була проведена до нормально відкритих контактів запасного виходу 1 (контакти 514/515) на 5# платі виходу пристрою захисту WCB-822C в шафі заземлювача станційного перетворника секції I. Після виходу сигналу з клемників, автомат заземлювача відключився. Нова цепа жорсткого проводу була встановлена на вторинних дверях шаф заземлювача і шаф з'єднувального пристрою шин, і підключена до цепи блокування через фізичне з’єднання плівкою. Функцію блокування можна включати або виключати включенням або виключенням жорсткої плівки.

Для на місці модернізації заземлювача станційного перетворника секції II: було додано нову цепу жорсткого проводу. Запасний вихід 4 (контакти 311/312) на 3# розширенній платі пристрою захисту WBT-821C—нормально відкриті контакти—було підключено послідовно до нової цепи жорсткого проводу, яка потім була проведена до нормально відкритих контактів запасного виходу 1 (контакти 514/515) на 5# платі виходу пристрою захисту WCB-822C в шафі заземлювача станційного перетворника секції II. Після виходу сигналу з клемників, автомат заземлювача відключився. Нова цепа жорсткого проводу була встановлена на вторинних дверях шаф заземлювача і шаф з'єднувального пристрою шин, і підключена до цепи блокування через фізичне з’єднання плівкою. Функцію блокування можна включати або виключати включенням або виключенням жорсткої плівки.

Модифікація сигнала синхронного відключення заземлювача станційного перетворника на відключеній шині під час запуску автоматичного перекиду шин була завершена під час вищезазначеного процесу модернізації однієї шини для відповідної секції шин.

4. Висновок

Як штучно введена нейтральна точка в системах живлення з незаземленою нейтральною конфігурацією, заземлювач відіграє ключова роль у забезпеченні безпеки і стабільної роботи системи. Описані вище покращення значно підвищують безпеку системи при вилученні заземлювача з експлуатації, ефективно уникнувши ризики перевищення напруги та пошкодження обладнання через роботу без заземлення. Перед фактичним впровадженням, повинна бути проведена детальна перевірка згідно з конкретними моделями обладнання та параметрами системи.