Cải tiến Logic Bảo vệ và Ứng dụng Kỹ thuật của Máy biến áp Trung tính trong Hệ thống Cấp điện Đường sắt

1. Cấu hình Hệ thống và Điều kiện Hoạt động
Biến áp chính tại Trạm biến áp Chính Trung tâm Triển lãm và Sân vận động Thành phố của Đường sắt Trịnh Châu sử dụng kết nối cuộn dây sao/đặc với chế độ hoạt động điểm trung tính không được nối đất. Bên phía bus 35 kV, một biến áp nối đất Zigzag được sử dụng, được nối đất thông qua điện trở có giá trị thấp, đồng thời cung cấp tải cho trạm. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch đơn pha đến đất trên đường dây, một đường dẫn được hình thành thông qua biến áp nối đất, điện trở nối đất và lưới nối đất, tạo ra dòng điện thứ tự không.

Điều này cho phép bảo vệ thứ tự không có độ nhạy cao, chọn lọc trong đoạn bị lỗi hoạt động đáng tin cậy và ngắt mạch ngắt nhanh tương ứng, do đó cách ly sự cố và hạn chế tác động của nó. Nếu biến áp nối đất bị ngắt, hệ thống trở thành hệ thống không nối đất. Trong điều kiện này, sự cố ngắn mạch đơn pha sẽ đe dọa nghiêm trọng sự cách điện và an toàn thiết bị. Do đó, khi bảo vệ biến áp nối đất hoạt động, không chỉ biến áp nối đất phải bị ngắt mà biến áp chính liên quan cũng phải được ngắt theo.

2. Hạn chế của Các Phương án Bảo vệ Hiện tại
Trong các hệ thống cung cấp điện của Trạm biến áp Chính Trung tâm Triển lãm và Sân vận động Thành phố của Đường sắt Trịnh Châu, bảo vệ hiện tại cho biến áp dịch vụ nối đất chỉ bao gồm bảo vệ quá dòng. Khi sự cố gây ra biến áp nối đất bị ngắt và ngừng hoạt động, nó chỉ ngắt thiết bị đóng cắt của chính nó mà không liên kết để ngắt cầu dao nguồn vào tương ứng. 

Điều này dẫn đến phần bus bị ảnh hưởng hoạt động trong thời gian dài mà không có điểm nối đất. Trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch đơn pha trong điều kiện này, có thể xảy ra quá điện áp hoặc hệ thống bảo vệ không phát hiện được dòng điện thứ tự không, gây ra sự cố bảo vệ thứ tự không hoạt động không đúng hoặc không hoạt động - có thể làm tăng mức độ sự cố và ảnh hưởng đến an toàn tổng thể của hệ thống điện.

Ngoài ra, trong quá trình chuyển đổi tự động giữa hai bus (chuyển đổi tự động giữa hai bus), biến áp dịch vụ nối đất trên phần bus bị mất điện không được liên kết để ngắt. Điều này có thể khiến cả hai phần bus được kết nối với nhau thông qua cầu dao chuyển đổi, dẫn đến tình trạng nối đất ở hai điểm trong hệ thống. Tình trạng nối đất ở hai điểm này có thể dẫn đến hai vấn đề nghiêm trọng: (1) phân loại sai dòng điện thứ tự không trong trường hợp sự cố ngắn mạch, gây ra việc từ chối hoạt động hoặc ngắt không chính xác của bảo vệ; và (2) dòng điện tuần hoàn do dòng điện thứ tự không, gây ra quá nhiệt và hư hỏng cách điện của thiết bị.

Logic bảo vệ hiện tại có nhiều hạn chế. Các thiết bị bảo vệ thông thường chỉ giám sát trạng thái hoạt động của biến áp nối đất và không thiết lập logic liên kết với cầu dao nguồn vào hoặc cầu dao chuyển đổi - thiếu cơ chế chặn/liên kết cần thiết.

3. Đề xuất cải thiện các hạn chế của Bảo vệ Hiện tại

3.1 Biện pháp Cải tiến Đề xuất

Thêm “Logic Mềm Liên kết Ngắt Biến áp Dịch vụ Nối đất”

• Điều kiện kích hoạt:Cầu dao của biến áp dịch vụ nối đất mở. Nếu hệ thống sử dụng cách nối đất bằng điện trở thấp, tiêu chí bổ sung về sự biến mất của dòng điện qua điện trở nối đất có thể được thêm vào.

• Thiết kế Logic Liên kết Ngắt:Ngắt cầu dao nguồn vào: Nếu biến áp dịch vụ nối đất bị loại bỏ và không có điểm nối đất khác trên phần bus, liên kết-ngắt cầu dao nguồn vào để buộc chuyển tải sang bus khác.Ngắt cầu dao chuyển đổi: Nếu cả hai phần bus đang hoạt động song song thông qua cầu dao chuyển đổi, liên kết-ngắt cầu dao chuyển đổi để cách ly phần bus không có điểm nối đất.

• Đề xuất Thực hiện Kỹ thuật:Thêm bảo vệ dòng điện thứ tự không. Khi hoạt động quá dòng hoặc dòng điện thứ tự không, thiết bị bảo vệ nên ngắt cầu dao của nó và đồng thời gửi lệnh liên kết-ngắt đến cầu dao nguồn vào và cầu dao chuyển đổi tương ứng. Nhà sản xuất thiết bị bảo vệ nên sửa đổi sơ đồ logic liên kết và nâng cấp phần mềm dựa trên logic này.

3.2 Nâng cấp Bảo vệ Dựa trên Điện áp Thứ tự Không

• Chức năng Chặn/Ngắt Quá điện áp Thứ tự Không:Thêm bảo vệ quá điện áp thứ tự không vào phương án bảo vệ bus như một phương án dự phòng khi biến áp dịch vụ nối đất ngừng hoạt động. Nếu điện áp thứ tự không vượt quá ngưỡng đặt trong thời gian dài hơn thời gian trì hoãn đã đặt, tự động ngắt cầu dao nguồn vào hoặc cầu dao chuyển đổi.

• Liên kết với Trạng thái Biến áp Nối đất:Liên kết chức năng bảo vệ điện áp thứ tự không với tín hiệu trạng thái hoạt động của biếnáp dịch vụ nối đất:Khi biến áp nối đất hoạt động bình thường, bảo vệ điện áp thứ tự không hoạt động ở chế độ báo động.Khi biến áp nối đất ngừng hoạt động, bảo vệ điện áp thứ tự không chuyển sang chế độ ngắt.

• Lưu ý Thực hiện – Biện pháp chống Sai hoạt động:Thêm thời gian trì hoãn để tránh ngắt không chính xác do nhiễu tạm thời.Sử dụng tiêu chí logic “VÀ” (ví dụ: điện áp thứ tự không + biến áp nối đất tắt) để tăng cường độ tin cậy.

3.3 Sửa đổi Mạch Điều khiển (Nâng cấp Phần cứng)

• Thêm mạch liên kết cứng giữa thiết bị bảo vệ biến áp dịch vụ nối đất và thiết bị bảo vệ cầu dao nguồn vào. Khi biến áp nối đất bị ngắt, tín hiệu ngắt từ đầu ra của thiết bị bảo vệ biến áp nối đất → kích hoạt đầu ra của thiết bị bảo vệ cầu dao nguồn vào → ngắt cầu dao nguồn vào.

• Trong quá trình chuyển mạch tự động của bus liên kết, khi thiết bị bảo vệ bus liên kết gửi tín hiệu để cắt cầu chì nguồn vào, nó cũng gửi tín hiệu thông qua đầu ra liên kết của nó → đến đầu ra của thiết bị bảo vệ công tắc biến áp trạm tiếp đất → để cắt cầu chì biến áp tiếp đất.

3.4 Triển khai cải tạo tại hiện trường
Như được thể hiện trong Bảng 1, cả Phương án 1 và Phương án 2 đều yêu cầu sửa đổi và nâng cấp thiết bị bảo vệ. Tuy nhiên, Trạm biến áp chính Trung tâm Hội chợ & Triển lãm và Trạm biến áp chính Sân vận động Thành phố là các trạm biến áp đã cũ, thiết bị của chúng đã hết hạn bảo hành. Việc triển khai Phương án 1 hoặc Phương án 2 sẽ đòi hỏi nhà sản xuất thiết bị bảo vệ ban đầu phải thực hiện nâng cấp phần mềm, liên quan đến việc đầu tư nhân lực và tài chính lớn. Do đó, nhân viên vận hành đã chọn Phương án 3—thực hiện các sửa đổi tại hiện trường bằng cách thêm các mạch liên kết cứng.

Khi biến áp nối đất bị nhảy do sự cố, cần phải liên động nhảy cầu dao nguồn vào. Sau khi kiểm tra, phát hiện rằng các đầu ra dự phòng 1, 2 và 3 đều chưa được sử dụng. Sau khi hoạt động tàu kết thúc, nhân viên bảo trì đã xin phép điều độ thiết bị để cấp giấy phép làm việc ("yêu cầu cấp quyền làm việc"). Điều độ viên đã thực hiện chuyển tải theo yêu cầu vận hành và phê duyệt giấy phép làm việc khi điều kiện phù hợp cho công việc.

Đối với mạch liên động nhảy: đầu ra dự phòng 2 (đầu cắm 517/518) trên bảng tín hiệu số 5 của thiết bị bảo vệ WCB-822C—các tiếp điểm thường mở—được nối tiếp vào mạch liên động cứng mới được thêm vào. Mạch này sau đó được dẫn đến các đầu cắm thường mở của đầu ra 5 (đầu cắm 13/14) trên bảng đầu ra số 4 của thiết bị bảo vệ WBH-818A cho tủ phân phối nguồn vào. Sau khi có tín hiệu từ thanh đấu nối, cầu dao nguồn vào sẽ nhảy. Dây cứng được lắp đặt giữa tủ phân phối biến áp nối đất và tủ phân phối nguồn vào, và được tích hợp vào mạch chặn cứng thông qua một liên kết tấm áp lực vật lý. Việc kích hoạt hoặc hủy kích hoạt tấm áp lực cứng này quyết định chức năng chặn có hoạt động hay không.

Các điểm cải tạo cho phần bus khác cũng giống như trên. Trong quá trình cải tạo cả hai phần bus, các nguồn vào phân đoạn đã được sử dụng để đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các khu vực dịch vụ tương ứng, do đó giảm thiểu ảnh hưởng đến bảo dưỡng thiết bị sau khi vận hành.

Sau khi hoàn thành các cải tạo, đã tiến hành kiểm tra rơle bảo vệ để xác minh chức năng liên động nhảy. Sau khi xác nhận bình thường, hệ thống được đưa trực tiếp vào sử dụng.

Về việc liên động nhảy biến áp trạm dịch vụ nối đất trên bus mất điện trong quá trình chuyển tự động giữa các bus (BATS): sau khi kiểm tra, phát hiện rằng các đầu ra dự phòng 3 đến 7 đều chưa được sử dụng. Sau khi hoạt động tàu kết thúc, nhân viên bảo trì đã xin phép điều độ thiết bị để cấp giấy phép làm việc. Điều độ viên đã thực hiện chuyển tải theo yêu cầu vận hành và phê duyệt giấy phép làm việc khi điều kiện phù hợp cho công việc.

Đối với việc cải tạo tại chỗ cho biến áp trạm dịch vụ nối đất của phần bus I: một mạch cứng mới đã được thêm vào. Đầu ra dự phòng 3 (đầu cắm 519/520) trên bảng tín hiệu số 5 của thiết bị bảo vệ WBT-821C—các tiếp điểm thường mở—được nối tiếp vào mạch cứng mới, sau đó được dẫn đến các đầu cắm thường mở của đầu ra dự phòng 1 (đầu cắm 514/515) trên bảng đầu ra số 5 của thiết bị bảo vệ WCB-822C trong tủ phân phối biến áp trạm dịch vụ nối đất của phần bus I. Sau khi có tín hiệu từ thanh đấu nối, cầu dao biến áp nối đất sẽ nhảy. Mạch cứng mới được lắp đặt ở cửa tủ thứ cấp của cả tủ phân phối biến áp nối đất và tủ phân phối chuyển bus, và được kết nối vào mạch chặn cứng thông qua một liên kết tấm áp lực vật lý. Chức năng chặn có thể được kích hoạt hoặc hủy kích hoạt bằng cách kích hoạt hoặc hủy kích hoạt tấm áp lực cứng.

Đối với việc cải tạo tại chỗ cho biến áp trạm dịch vụ nối đất của phần bus II: một mạch cứng mới đã được thêm vào. Đầu ra dự phòng 4 (đầu cắm 311/312) trên bảng mở rộng số 3 của thiết bị bảo vệ WBT-821C—các tiếp điểm thường mở—được nối tiếp vào mạch cứng mới, sau đó được dẫn đến các đầu cắm thường mở của đầu ra dự phòng 1 (đầu cắm 514/515) trên bảng đầu ra số 5 của thiết bị bảo vệ WCB-822C trong tủ phân phối biến áp trạm dịch vụ nối đất của phần bus II. Sau khi có tín hiệu từ thanh đấu nối, cầu dao biến áp nối đất sẽ nhảy. Mạch cứng mới được lắp đặt ở cửa tủ thứ cấp của cả tủ phân phối biến áp nối đất và tủ phân phối chuyển bus, và được kết nối vào mạch chặn cứng thông qua một liên kết tấm áp lực vật lý. Chức năng chặn có thể được kích hoạt hoặc hủy kích hoạt bằng cách kích hoạt hoặc hủy kích hoạt tấm áp lực cứng.

Việc cải tạo tín hiệu liên động nhảy cho biến áp trạm dịch vụ nối đất trên bus mất điện trong quá trình khởi động chuyển tự động giữa các bus đã được hoàn thành trong quá trình cải tạo đơn bus cho phần bus tương ứng như đã nêu trên.

4. Kết luận

Là điểm trung tính được tạo ra nhân tạo trong các hệ thống điện có cấu hình trung tính không nối đất, biến áp nối đất đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và vận hành ổn định của hệ thống. Các cải tiến được mô tả ở trên tăng cường đáng kể an toàn hệ thống khi biến áp nối đất được tách khỏi dịch vụ, hiệu quả tránh rủi ro quá áp và hư hỏng thiết bị do vận hành mà không có điểm nối đất. Trước khi thực hiện, phải thực hiện kiểm tra chi tiết dựa trên các mô hình thiết bị cụ thể và các tham số hệ thống.