Analisi e Gestione dell'Anomalia di Misurazione del Trasformatore Combinato Esterno a 35 kV

1. Introduzione

Le frequenti occorrenze di sovraccarico dei PT e fusione delle protezioni primarie nei trasformatori combinati portano a misurazioni inesatte del contatore di energia e minacciano gravemente la sicura operatività della rete elettrica. Questo articolo si concentra sui ripetuti danni ai PT e alle fuse di un trasformatore combinato da 35 kV, indaga sulle cause dei guasti, propone soluzioni e recupera la quantità di energia errata attraverso coefficienti di correzione. Ciò riduce efficacemente le perdite della rete e mitiga i rischi di servizio.

1.1 Introduzione ai Trasformatori Combinati

Nel sistema elettrico, i trasformatori combinati sono componenti chiave per i dispositivi di misurazione e protezione. Composti da trasformatori di tensione (PT) e corrente, utilizzano la differenza di spire tra le bobine primarie e secondarie per convertire le grandi correnti e alte tensioni del lato primario in piccole correnti e tensioni adatte agli strumenti secondari e alla protezione relè. Inoltre, realizzano l'isolamento elettrico tra i lati primario e secondario per garantire la sicurezza del personale e dell'equipaggiamento sul lato secondario.

2. Pericoli dovuti ai Guasti dei Trasformatori Combinati

Come dispositivo centrale di misurazione dell'energia nel sistema elettrico, il PT di un trasformatore combinato è responsabile della conversione dei segnali ad alta tensione in segnali a bassa tensione per i dispositivi di misurazione/protezione. Quando il PT viene danneggiato o fonde la protezione ad alta tensione, i pericoli sono i seguenti:

• Imprecisone nella Misurazione : I danni al PT e la fusione della protezione possono causare errori nel sistema di misurazione dell'energia elettrica, influendo sulla precisione della misurazione e scatenando controversie tra le imprese di fornitura e gli utenti.

• Aumento del Tasso di Fallimento degli Equipaggiamenti : I danni al PT possono causare squilibri di tensione del sistema (troppo alti/troppo bassi), disturbando la stabilità del sistema; i guasti del trasformatore possono anche causare un funzionamento anomalo dei dispositivi di protezione, aumentando il rischio di guasto di altri equipaggiamenti.

• Rischi per la Sicurezza Personale : I trasformatori combinati sono attrezzature ad alta tensione. I danni possono portare a interruzioni di isolamento e fuoriuscite, minacciando la sicurezza personale del personale di manutenzione e operativo.

3. Cause dei Guasti per Sovratensione nei Trasformatori Combinati

Durante l'operazione effettiva, i trasformatori combinati spesso subiscono la fusione delle protezioni ad alta tensione e il sovraccarico dei PT. Le cause principali includono:

• Sovratensione per Risonanza Ferromagnetica : I componenti ferromagnetici sono lineari sotto la tensione nominale. Durante i guasti, il circuito magnetico si satura e l'induttanza cambia in modo non lineare. Formando un ciclo oscillatorio con la capacità del sistema, si innescano risonanze ferromagnetiche continue. La sovratensione causa la fusione/bruciatura frequente delle protezioni ad alta tensione dei PT, minacciando la sicurezza della rete.

• Carico Secondario Eccessivo : Un carico secondario eccessivo fa generare molto calore al trasformatore con una dissipazione del calore difficile. La temperatura interna delle spire aumenta troppo, bruciando infine il PT.

• Cortocircuito tra Lati Primario e Secondario : I cortocircuiti sul lato primario/secondario del PT generano correnti elevate, causando la fusione delle protezioni ad alta tensione e il bruciamento dell'equipaggiamento.

• Sovratensione per Commutazione : Operazioni inappropriate generano sovratensioni, causando la fusione delle protezioni ad alta tensione del PT.

• Sovratensione per Fulmine : Sovratensioni dirette/indotte dal fulmine rompono l'isolamento delle spire, danneggiando l'equipaggiamento.

4. Analisi del Caso
4.1 Informazioni Base dell'Utente

Il 23 agosto 2021, un guasto di sovraccarico del PT in fase A si è verificato nel trasformatore combinato di un utente a 35 kV, causando una misurazione inesatta del contatore di energia. Nell'anno precedente, questo trasformatore combinato ha avuto 3 guasti. Prima di gennaio 2021, l'utente era alimentato dalla sottostazione Shazi a 35 kV con misurazione normale. Dopo agosto 2021, l'alimentazione è stata cambiata alla linea di uscita a 35 kV della sottostazione Zhoujiaba a 110 kV (linea doppia Zhouwan #353 e Zhouri #354). La lunghezza totale della linea è di circa 1,5 km. Il lato a 35 kV è collegato a terra tramite una bobina di estinzione dell'arco. I punti di misurazione sono posizionati sulle due linee di uscita a 35 kV della sottostazione Zhoujiaba a 110 kV. Il cablaggio primario è mostrato nella Figura 1.

4.2 Punti di Misurazione e Cronologia dei Guasti

Entrambi i punti di misurazione utilizzano trasformatori combinati a 35 kV, con connessione trifase a tre fili e connessione V/V per i trasformatori di tensione. Tra questi:

• Linea Zhouri a 35 kV #354 (Punto di Misurazione 2): Funziona normalmente, senza guasti;

• Linea Zhouwan a 35 kV #353 (Punto di Misurazione 1): Guasti frequenti.

Cronologia dei Guasti:

• 23 agosto 2021: Primo sovraccarico del PT, sostituito con prodotti della Henan Xinyang Hutong Electric Co., Ltd.;

• 4 marzo 2022: Il PT si brucia nuovamente, sostituito con trasformatori combinati della Jiangxi Gandi Electric Co., Ltd.;

• 13 giugno 2022: Fusione della protezione ad alta tensione in fase C, perdita di tensione;

• 21 settembre 2022: Fusione della protezione ad alta tensione in fase A, nuova perdita di tensione.

4.3 Analisi dei Guasti

Al momento del guasto, il carico dell'utente era leggero, il cablaggio secondario era normale e non c'era cortocircuito. Dopo i test:

• La resistenza di terra della linea è conforme, e appartiene a un sistema di terra non efficace. I guasti di terra possono facilmente causare il fallimento della scarica della corrente del fulmine, innescando la fusione delle protezioni;

• Non c'era sovratensione durante la manutenzione e l'operazione, eliminando i fattori umani.

Combinando i fenomeni dei guasti e le cause comuni, la causa principale è determinata essere la sovratensione per risonanza ferromagnetica, con scenari specifici di attivazione:

• Innesca dai Guasti di Terra: Quando si verifica un accoppiamento monofase sulla linea, le spire del PT e la capacità linea-terra formano un circuito parallelo, soddisfacendo le condizioni per la risonanza ferromagnetica. L'accoppiamento monofase causa l'aumento della tensione delle altre due fasi, il nucleo di ferro si satura rapidamente e la risonanza provoca un aumento repentino della corrente delle spire, fondendo la protezione ad alta tensione; la sovratensione prolungata può anche bruciare il PT.

• Innesca da Operazioni Improprie: Il carico trifase del sistema è fondamentalmente bilanciato, ma durante le operazioni di commutazione, le tre fasi non sono sincronizzate (chiusura/apertura non simultanea), causando una corrente di impulso nelle spire del trasformatore di tensione e la saturazione del nucleo di ferro, innescando la sovratensione per risonanza ferromagnetica.

4.4 Soluzioni

Dopo aver analizzato le cause dei guasti, vengono adottate le seguenti misure:

• Installazione di Dispositivi per l'Eliminazione degli Armonici: Installare un set di dispositivi per l'eliminazione degli armonici sul lato bus a 35 kV della sottostazione per sopprimere la ricorrenza della risonanza ferromagnetica.

• Protezione contro la Sovratensione sul Lato Secondario: Installare dispositivi di protezione contro la sovratensione sul lato secondario per resistere alla sovratensione causata da fattori ambientali e proteggere l'isolamento interno del trasformatore.

• Rilevamento e Trattamento degli Armonici: Utilizzare un calibratore di energia elettrica sul campo per rilevare gli armonici nella tensione secondaria. Se ci sono anomalie, esortare gli utenti a trattarle per assicurare la conformità alla norma GB/T 14549 - 1993 "Qualità dell'Energia Elettrica - Armoniche nelle Reti Elettriche Pubbliche": tasso di distorsione armonica totale della tensione a 35 kV ≤ 3%, armoniche dispari ≤ 2,4%, armoniche pari ≤ 1,2%.

Effetto dell'Implementazione: Dopo l'implementazione delle misure, il trasformatore combinato funziona normalmente, senza guasti di sovraccarico del PT o fusione delle protezioni.

4.5 Calcolo della Conciliazione della Quantità di Energia Elettrica

L'accuratezza della misurazione dell'energia elettrica è legata agli interessi economici sia del fornitore che dell'utente. I guasti richiedono la conciliazione della quantità di energia. Questo articolo prende come esempio il terzo guasto e utilizza il metodo del coefficiente di correzione per il calcolo:

Principio: Confrontare la potenza attiva durante la misurazione corretta e quella errata per ottenere il coefficiente di correzione k, e quindi calcolare la quantità di energia da conciliare \(\Delta W\). Assumendo un carico trifase bilanciato, la formula per il coefficiente di correzione k è:

(1) Interpretazione del Coefficiente di Correzione k

Quando k > 1, la potenza attiva durante la misurazione corretta è maggiore di quella durante la misurazione errata. Il contatore di energia registra meno energia durante il guasto, e l'utente deve compensare la quantità di energia. Quando k = 1, il contatore di energia misura correttamente. Quando 0 < k < 1, il contatore di energia registra più energia, e la quantità di energia deve essere rimborsata all'utente. Quando k < 0, il contatore di energia si inverte, e l'utente deve compensare la quantità di energia.

(2) Parametri di Misurazione Relativi all'Utente

La capacità di ricezione dell'utente è di 2500 kVA, e il metodo di misurazione è ad alta tensione (misurato da una scatola di misurazione combinata ad alta tensione). Il rapporto di tensione è 35000 V/100 V, e il rapporto di corrente è 50 A/5 A. Il moltiplicatore di misurazione complessivo è 3500. La capacità del contatore di energia è 3&times;100 V/3&times;1.5 - 6 A, con precisione 0.5S.

Il terzo guasto dell'utente si è verificato il 13 giugno 2022, con la perdita di tensione in fase C. L'energia è stata ripristinata intorno alle 8:00 del 4 agosto 2022. La tariffa oraria è stata implementata dal 1 luglio 2022. I dati raccolti come tensione del sistema, potenza e fattore di potenza sono mostrati nella Tabella 1.

Calcolo della Quantità di Energia da Conciliare per la Prima Fase

Come si può vedere dalla Tabella 1, durante il periodo dal 13 giugno 2022 al 30 giugno 2022, la tensione in fase A è normale, il fattore di potenza medio è 0,82, e l'angolo dell'elemento è 34&deg;(L). Quindi l'angolo del fattore di potenza &phi;=4&deg;(L).Assumendo che il carico sia bilanciato, il coefficiente di correzione è:

Il calcolo della quantità di energia da conciliare è il seguente:

Dalla Formula (2) e dalla Formula (3), si può vedere che k > 1, il che significa che l'energia è sottoregistrata, e dovrebbe essere recuperata una quantità aggiuntiva di 15.134 kWh.(2) Calcolo della Quantità di Energia da Conciliare per la Seconda Fase.Durante il periodo dal 1 luglio 2022 al 4 agosto 2022, la tensione in fase A è normale, il fattore di potenza medio è 0,87, e l'angolo dell'elemento è 29&deg;(L). Quindi l'angolo del fattore di potenza &phi;=0&deg;.Assumendo che il carico sia bilanciato, il coefficiente di correzione è:

Il calcolo della quantità di energia da conciliare è il seguente:

Dalla Formula (4) e dalla Formula (5), si può vedere che k > 1, il che significa che l'energia è sottoregistrata, e dovrebbe essere recuperata una quantità aggiuntiva di 51.996 kWh.Quantità totale di energia da conciliare da recuperare:

5. Conclusione

Nell'operazione effettiva, i trasformatori combinati spesso si surriscaldano e le protezioni ad alta tensione fondono, minacciando gravemente la sicurezza della rete. Di solito, tali problemi derivano dalla sovratensione per risonanza, insieme a progettazioni/selezioni di attrezzature inadeguate e disaccordi dei parametri.

All'analisi dei guasti: prima, controllare i difetti del trasformatore e verificare la capacità delle protezioni ad alta tensione. In secondo luogo, installare dispositivi appropriati per l'eliminazione degli armonici primari per affrontare la sovratensione per risonanza. Dopo un incidente, rispondere prontamente e gestire correttamente per prevenire l'escalation e gli impatti sociali. Infine, trarre insegnamenti dall'esperienza, migliorare le abilità di gestione dei guasti e garantire la sicurezza della rete.