Анализ на случая на неправилното сработване на реле за защита при прекомерен ток на заземващия трансформатор

Режим на заземляване на нейтралната точка се отнася до връзката между нейтралната точка на електроенергийната система и земята. В китайските системи от 35 кВ и по-надолу, често срещани методи включват незаземена нейтрална точка, заземяване чрез дугови гасители и заземяване чрез малко съпротивление. Незаземеният режим е широко използван, тъй като позволява краткосрочно функциониране при фазни земни повреди, докато заземяването чрез малко съпротивление е станало основно заради бързото премахване на повреди и ограничаване на надвoltage. Много подстанции инсталират заземящи трансформатори за ретрофит на заземяването, но променените характеристики на повредите влияят на релейната защита, което води до риск от неправилно действие или отказ.

Тази статия представя принципите и характеристиките на заземящите трансформатори, разяснява текущата конфигурация/настройка на защитата в системи с малко съпротивление, анализира причините за неправилно действие и разглежда случай на фазна земна повреда, за да разбере действията на защитата и корените на неуспех. Тя предоставя референтни материали за обработка/предотвратяване на повреди, улеснява по-дълбоко разбиране на персонала по поддръжка, подобрява ефективността на локализацията на проблеми и елиминира потенциални опасности.

Принцип на работа на заземящия трансформатор

При преобразуването на подстанция с триъгълно свързана, незаземена нейтрална точка в система с малко съпротивление, за да се въведе нейтрална точка, най-често практиката е да се добави заземящ трансформатор към шината. В момента обикновено се избира Z-тип заземящ трансформатор, за да се въведе точката на заземяване. След това ще бъде анализиран принципът на работа на Z-типа заземящ трансформатор.

Z-типовият заземящ трансформатор е конструктивно подобен на обикновенен енергиен трансформатор. Обаче, намотката върху всяко фазово ядро е разделена на две части с равни витки, горна и долна, които са свързани в зигзагообразен вид. Неговият начин на свързване е показан на Фигура 1.

Когато се случи земна краткосрочна повреда, нулевата последователност на тока протича през нейтралната точка. Зигзагообразното свързване на Z-типовия заземящ трансформатор прави така, че горните и долните намотки на нулевата последователност на тока да се противопоставят, отменявайки магнитните потоци и минимизирайки импеданса на нулевата последователност, за да се избегне прекомерно дъгово заземяване и наднапрежение. За положителната/отрицателната последователност на тока, неговите конвенционални електромагнитни свойства създават висок импеданс, ограничавайки техния проток.

При нормална работа, заземящият трансформатор работи близо до празно зареждане (без вторична нагрузка). По време на земна повреда, положителните, отрицателните и нулевите последователности на тока на повредата минават през него. Благодарение на "висок импеданс на положителната/отрицателната последователност, нисък импеданс на нулевата последователност", устройството за защита в основен план измерва нулевата последователност на тока на мрежата.

2 Конфигурация и анализ на защитата с ток за заземящи трансформатори

Защитата с ток за заземящи трансформатори обикновено използва фазно-до-фазна и нулева последователност на тока. Ето разпределението:

2.1 Настройка на фазно-до-фазната защита с ток
2.1.1 Принципи на настройка

Тази защита включва моментно отключване и защита с прекомерен ток:

• Моментно отключване: Координиране с резервната защита с прекомерен ток на същата страна на трансформатора за доставка. Осигурява чувствителност при двуфазни краткосрочни повреди (минимален режим на операция) и избягва входящи токове (7-10 пъти номиналния ток на заземящия трансформатор) и токове на повреди на нисконапрегнатата страна.

• Защита с прекомерен ток: Настроена, за да избегне номиналния ток на заземящия трансформатор и максималния фазен ток на повредата външно при единично фазно земно замыкание, осигурявайки надеждност.

• Логика на действие: Моментното отключване действа незабавно (без забавяне); защитата с прекомерен ток (резервна за фазно-до-фазни краткосрочни повреди) има кратко забавяне и по-ниски настройки за координация на нива.

2.1.2 Режими на отключване

В зависимост от връзката на заземящия трансформатор към трансформатора за доставка:

• Свързан към нисконапрегнатата шина: Моментно отключване/защита с прекомерен ток отключва същата страна на автоматичния ключ, за да изолира повредата бързо.

• Свързан към нисконапрегнатият водач: Защитата отключва всички страни на автоматичния ключ, за да прекъсне пътя на повредата и да предотврати разширяване.

2.2 Настройка на защитата с нулева последователност на тока за заземящи трансформатори
2.2.1 Принципи на настройка

• Стойността на настройката на тока трябва да осигурява достатъчна чувствителност при настъпване на единично фазно-земно замыкание.

• Сътрудничество със стойността на настройката на дълго-забавяващата защита за цялостна чувствителност на защитата с нулева последователност на тока на следващото ниво.

• За първата граница на нулевата последователност на тока, трябва да се вземе предвид избягването на последователно настъпване на единично фазно-земно замыкание на две линии.

• Времето на действие трябва да бъде по-дълго от максималното време на действие на Секция II на нулевата последователност на тока на всеки свързан компонент на шината.

Тъй като защитата с нулева последователност на тока на заземящия трансформатор не служи като основна защита, има три граници, които са показани по-долу:

В формулата: t0¹, t0², t0³ са първата, втората и третата граница на защитата с нулева последователност на тока на заземящия трансформатор съответно; t_0I' е временна стойност на настройката на Секция I на нулевата последователност на тока на изходящата линия; t_0II' е най-дългата временна стойност на настройката на Секция II на защитата с нулева последователност на тока на всичко оборудване на шината, с изключение на заземящия трансформатор; Δt е настроена на 0.2 - 0.5 с.

2.2.2 Режими на отключване

• Когато заземящият трансформатор е свързан към съответната шина на подстанцията, защитата с нулева последователност на тока действа: първата граница отключва ключа за връзка на шините или ключа за секция и блокира устройството за автоматичен резервен източник на напрежение (кратко наречено "автоматичен резервен източник"); втората граница отключва ключовете на същата страна на заземящия трансформатор и трансформатора за доставка.

• Когато заземящият трансформатор е свързан към съответния водач на трансформатора за доставка, защитата с нулева последователност на тока действа: първата граница отключва ключа за връзка на шините или ключа за секция и блокира автоматичния резервен източник; втората граница отключва ключа на същата страна на трансформатора за доставка; третата граница отключва ключовете на всички страни на трансформатора за доставка.

2.3 Анализ на действията на защитата с ток за заземящи трансформатори

Анализ на конфигурацията на защитата на заземящия трансформатор показва значителни различия в режимите на отключване между фазно-до-фазната и защитата с нулева последователност на тока: защитата с нулева последователност блокира автоматичния резервен източник по време на действие, докато фазно-до-фазната защита не го прави.

Ако нулевата последователност на тока, измерена от устройството за защита, достигне стойността на действие и се случи земна повреда (с заземящия трансформатор като единствен път за нулевата последователност на тока в системата с малко съпротивление), устройството детектира повредата, но не може да я локализира. Ако повредата е на изходящата линия, след като защитата отключи заземящия трансформатор, автоматичният резервен източник се превключва към резервната шина. Ако резервната шина се превключва към повредената линия, заземящият трансформатор върху нея все още детектира нулева последователност на тока, активирайки друго отключване. Тъй като автоматичният резервен източник не е завършил зареждането, обхватът на изключване може да се разшири. Следователно, защитата с нулева последователност на тока трябва да блокира автоматичния резервен източник.

Когато действа фазно-до-фазната защита (но не защитата с нулева последователност), устройството определя фазно-до-фазно краткосрочно замыкание в самия заземящ трансформатор. То отключва заземящия трансформатор, паралелно отключва ключа на същата страна на трансформатора за доставка, и автоматичният резервен източник се превключва към резервната шина. Тъй като повредата е на отключен заземящ трансформатор, резервната шина се превключва към нормалната линия, възстановявайки напрежението.

Обобщавайки, фазно-до-фазната и защитата с нулева последователност на тока на заземящи трансформатори са много различни в определянето на причината и местоположението на повредата, изискващи различни настройки и конфигурации. Обаче, по време на земно краткосрочно замыкание, фазно-до-фазната защита може да се обърка поради измерените нулеви последователности на тока. Учитывайки различната логика на автоматичния резервен източник, объркването може да разшири обхвата на повредата или дори да доведе до изключване на цялата подстанция.

3 Анализ на случая
3.1 Процес на повредата

Основната схема на подстанцията от 110 кВ е показана на Фигура 2. Преди повредата, ключът 018 на нисконапрегнатата страна на трансформатор 1 беше затворен, ключът 032 на нисконапрегнатата страна на трансформатор 2 беше затворен, а ключът 034 беше в тестова позиция.

На 30 юли 2023 г. в 06:14, защитата с прекомерен ток на Секция I на втория заземящ трансформатор активира, отключвайки ключа 022 на втория заземящ трансформатор. Същевременно, тя интерлокира и отключва ключа 032 на нисконапрегнатата страна на трансформатор 2, което води до изключване на напрежението на шините 10 кВ Секция II и III. Устройството за автоматичен резервен източник (автоматичен резервен източник) действа, затваряйки ключа 020 за връзка на шините 10 кВ Секция I/II.

На 06:36, защитата с прекомерен ток на Секция I на първия заземящ трансформатор активира, отключвайки ключа 015 на първия заземящ трансформатор и интерлокира, отключвайки ключа 018 на нисконапрегнатата страна на трансформатор 1, което води до изключване на напрежението на всички шини 10 кВ Секция I, II и III. Устройството за автоматичен резервен източник след това затваря ключа 032 на нисконапрегнатата страна на трансформатор 2 и ключа 022 на втория заземящ трансформатор. Обаче, повредата продължава, активирайки повторно защитата с прекомерен ток на Секция I на втория заземящ трансформатор. Ключът 022 отключва и интерлокира, отключвайки ключа 032, което в крайна сметка води до пълно изключване на системата 10 кВ на подстанцията.

3.2 Резултати от проверката на местното оборудване
Намерени резултати от проверката на основното оборудване:

• Тялото на заземящия трансформатор: Не са открити аномалии в първия и втория заземящи трансформатори, без явни следи от повреди в намотките или ядрата.

• Интервал на PT на шина 10 кВ Секция III (ключове 040):

• Явни следи от вода на горната капак на шкафа, указващи проникване на дъждовна вода.

• Тежка аблатия на C-фазата на закрития рез на камерата за количка, с два проходни отвора на горния рез.

• C-фазата на горния контактен кутия и статичния контакт са изгорели и повредени, с натрупала се течна вода в кутията.

• Огънени следи на горния и долния подвижни контакти на C-фазата на количката за грози, анелирани пружини и повредени изолационни цилиндри на контактните ръце.

• Външната изолационна обвивка на C-фазата на шината в камерата за шини е изгоряла и разцепена. Открити са следи от проникване на вода в областта на C-фазата на задната плочка на камерата за шини, и капки вода са кондензирани на сензор за живо показване.

• Малко количество вода е натрупано в дъното на камерата на напрежението, докато трите фазни PT не показват явни външни аномалии.

Дъждовната вода, проникнала през стоманената опора над камерата на PT на шина 10 кВ Секция III, проникнала в шкафа, намалявайки изолацията и довеждайки до C-фазово изпускане, което се превърнало в метално земно замыкание. В системата с малко съпротивление, вторият заземящ трансформатор детектира нулеви последователности на тока от ~4.3 А/фаза (надхвърляйки настройката на 2.5 А на прекомерния ток на Секция I), активирайки отключване. Защитата с прекомерен ток не блокира автоматичния резервен източник на 10 кВ, довеждайки до повторни действия. Последното отключване оставя автоматичния резервен източник незареден, което води до пълно изключване на системата 10 кВ.

Основен фактор: Контролната дума "анулиране на нулевата последователност на фазния ток" беше изключена (настроена на "0"), което не позволи софтуерното филтриране на нулевите последователности на фазния ток. С 13 А нулева последователност на тока, защитата с прекомерен ток се обърка. При правилно включена, тази контролна дума би предотвратила повредата. Вместо това, защитата с прекомерен ток на нулевата последователност на тока на Секция I (настроена на 1.4 А) действа: първата граница отключва ключа за връзка на шините и блокира автоматичния резервен източник; втората граница отключва ключовете на заземящия и главния трансформатор, изолиращи Секции II и III, докато Секция I остава под напрежение.

Основна причина: Изключена контролна дума за анулиране на нулевата последователност позволи неправилно тълкуване на фазния ток.

4 Заключение

Тази статия излага настройките на защитата на заземящите трансформатори, анализира рисковете от неправилно действие при високи нулеви последователности на тока и представя случай за изучаване. За да се предотврати повторно възникване:

• Включете софтуерни функции за анулиране на нулевата последователност (например, контролна дума "анулиране на нулевата последователност на фазния ток") в системи с малко съпротивление.

• Ако такива функции не са налични, оптимизирайте координацията между настройките на защитата с прекомерен ток и защитата с нулева последователност на тока.

Основен извод: Превантивната конфигурация на софтуера за защита е критична за предотвратяване на неправилно действие при земни повреди.