Anàlisi de Casos sobre el Malfuncionament del Relé de Protecció per Sobrecorrent de la Transformadora de Terra

El mode de connexió a terra fa referència a la connexió entre el punt neutre del sistema elèctric i la terra. En els sistemes de 35 kV i inferiors a Xina, els mètodes comuns inclouen un neutre sense connectar, una bobina d'extinció d'arc, i una connexió a terra amb resistència petita. El mode sense connectar es fa servir ampliament perquè permet l'operació a curt termini durant les faults de terra en una sola fase, mentre que la connexió a terra amb resistència petita ha esdevingut el principal per la seva rapida eliminació de faults i limitació de sobretensions. Moltes subestacions instal·len transformadors de terra per remodelar la connexió a terra del neutre, però els canvis en les característiques de les faults afecten la protecció rellevadora, posant en risc la malfunció o la no-acció.

Aquest article introdueix els principis i característiques dels transformadors de terra, explica la configuració/ajustament actual de la protecció de corrent en sistemes amb resistència petita, analitza les causes de malfunció, i pren un cas de fault de terra en una sola fase per dissecar les accions de protecció i les arrels de la falla. Això proporciona referències per al tractament/prevençió de faults, profunditza la comprensió del personal de manteniment, augmenta l'eficiència de la solució de problemes, i elimina perillos potencials.

Principi de funcionament del transformador de terra

Durant la transformació d'una subestació amb un sistema delta connectat, neutre sense connectar, a un sistema de connexió a terra amb resistència petita, per introduir un punt neutre, la pràctica més comuna és afegir un transformador de terra a la barra. Actualment, generalment s'escull un transformador de terra Z per introduir el punt de terra. Seguidament, s'anàlitzarà el principi de funcionament del transformador de terra Z.

El transformador de terra Z és estructuralment similar a un transformador d'energia convencional. Tanmateix, la bobina en cada nucli de fase està dividida en dues parts amb el mateix nombre de voltants, superior i inferior, que es connecten en forma de zig-zag. El seu mètode de connexió es mostra a la Figura 1.

Quan ocorre un curt circuit a terra, la corrent de seqüència zero flueix a través del punt neutre. La connexió en zig-zag del transformador de terra Z fa que les corrents de seqüència zero superiors e inferiors s'oposin, cancel·lant els fluxos magnètics i minimitzant la impedància de seqüència zero per evitar sobretensions excesives d'arc a terra. Per a les corrents de seqüència positiva/negativa, les seves propietats electromagnètiques similars a les d'un transformador convencional creen una alta impedància, restringint el seu flux.

En operació normal, el transformador de terra funciona proper a la càrrega nul·la (sense càrrega secundària). Durant una fault a terra, les corrents de fault de seqüència positiva, negativa i zero passen a través d'ell. Gràcies a "alta impedància de seqüència positiva/negativa, baixa impedància de seqüència zero", el dispositiu de protecció mesura principalment la corrent de seqüència zero de la xarxa.

2 Configuració i anàlisi de la protecció de corrent per als transformadors de terra

La protecció de corrent del transformador de terra sovint utilitza la protecció de corrent entre fases i la protecció de corrent de seqüència zero. Aquí es detalla:

2.1 Ajustament de la protecció de corrent entre fases
2.1.1 Principis d'ajustament

Aquesta protecció inclou la desconnectada instantània i la protecció de sobrecorrent:

• Desconnectada Instantània: Coordinar amb la protecció de sobrecorrent de reserva del transformador d'alimentació al mateix costat. Assegurar la sensibilitat durant els curts circuits de dues fases (mode d'operació mínima) i evitar els corrents d'entrada (7-10x la corrent nominal del transformador de terra) i les corrents de fault al costat de baixa tensió.

• Protecció de Sobrecorrent: Establir per evitar la corrent nominal del transformador de terra i la màxima corrent de fase de fault externa en terra en una sola fase, assegurant la fiabilitat.

• Lògica d'Operació: La desconnectada instantània actua immediatament (sense retard); la protecció de sobrecorrent (reserva per a curts circuits entre fases) té un retard curt i ajustaments més baixos per a la coordinació escalonada.

2.1.2 Modes de desconnectada

Basat en la connexió del transformador de terra al transformador d'alimentació:

• Connectat a la barra de baixa tensió: La desconnectada instantània/protecció de sobrecorrent desconnecta el disjuntor del mateix costat per aïllar ràpidament les faults.

• Connectat a la derivació de baixa tensió: La protecció desconnecta tots els disjuntors dels costats per tallar la ruta de la fault i evitar l'escalada.

2.2 Ajustament de la protecció de corrent de seqüència zero per als transformadors de terra
2.2.1 Principis d'ajustament

• El valor d'ajustament de corrent hauria de garantir suficient sensibilitat quan ocorre una fault de terra en una sola fase.

• Coordinar amb el valor d'ajustament de la protecció de llarg retard per a la sensitivitat total de la línia de la protecció de corrent de seqüència zero inferior.

• Per al primer temps limit de la corrent de seqüència zero, s'ha de tenir en compte l'evitació de l'ocurrència successiva de faults de terra en una sola fase en dues línies.

• El temps d'operació hauria de ser més llarg que el temps d'operació màxim de la Secció II de la corrent de seqüència zero de cada component connectat a la barra.

Com que la protecció de corrent de seqüència zero del transformador de terra no serveix com a protecció principal, hi ha tres temps limits, que es mostren a continuació:

En la fórmula: t0¹, t0², t0³ són el 1r, 2n i 3r temps limits de la protecció de corrent de seqüència zero del transformador de terra respectivament; t_0I' és el valor d'ajustament de temps de la Secció I de la corrent de seqüència zero de la línia de sortida; t_0II' és el valor d'ajustament de temps més llarg de la Secció II de la protecció de corrent de seqüència zero de tot l'equipament a la barra excepte el transformador de terra; Δt s'estableix entre 0,2 - 0,5 s.

2.2.2 Modes de desconnectada

• Quan el transformador de terra està connectat a la barra corresponent de la subestació, la protecció de corrent de seqüència zero opera: el 1r temps limit desconnecta el disjuntor de barra o el disjuntor de secció i bloqueja el dispositiu d'entrada automàtica de reserva (abreviat com "entrada automàtica de reserva"); el 2n temps limit desconnecta els disjuntors del mateix costat del transformador de terra i del transformador d'alimentació.

• Quan el transformador de terra està connectat a la derivació corresponent del transformador d'alimentació, la protecció de corrent de seqüència zero opera: el 1r temps limit desconnecta el disjuntor de barra o el disjuntor de secció i bloqueja l'entrada automàtica de reserva; el 2n temps limit desconnecta el disjuntor del mateix costat del transformador d'alimentació; el 3r temps limit desconnecta els disjuntors de tots els costats del transformador d'alimentació.

2.3 Anàlisi de l'operació de la protecció de corrent per als transformadors de terra

L'anàlisi de la configuració de protecció del transformador de terra mostra diferències significatives en els modes de desconnectada entre la protecció de corrent entre fases i la protecció de corrent de seqüència zero: la protecció de seqüència zero bloqueja l'entrada automàtica de reserva durant l'operació, mentre que la protecció entre fases no ho fa.

Si la corrent de seqüència zero mesurada pel dispositiu de protecció arriba al valor d'operació i ocorre una fault a terra (amb el transformador de terra com a única via de corrent de seqüència zero en un sistema de connexió a terra amb resistència petita), el dispositiu detecta la fault però no la localitza. Si la fault és a la línia de sortida, després que la protecció desconnecta el transformador de terra, l'entrada automàtica de reserva commuta a la barra de reserva. Si la barra de reserva recobreix la línia defectuosa, el transformador de terra encara detecta la corrent de seqüència zero, provocant una altra desconnectada. Com que l'entrada automàtica de reserva no ha acabat de carregar, l'àrea de corte pot expandir-se. Així, la protecció de seqüència zero hauria de bloquejar l'entrada automàtica de reserva.

Quan actua la protecció entre fases (però no la de seqüència zero), el dispositiu jutja un curt circuit entre fases en el propi transformador de terra. Desconnecta el transformador de terra, desconnecta paral·lelament el disjuntor del mateix costat del transformador d'alimentació, i l'entrada automàtica de reserva commuta a la barra de reserva. Com que la fault és en el transformador de terra desconnectat, la barra de reserva torna a connectar-se a la línia normal, restablint la alimentació.

En resum, la protecció de corrent entre fases i la protecció de corrent de seqüència zero dels transformadors de terra difereixen molt en la determinació de les causes i la localització de les faults, requerint ajustaments i configuracions diferents. No obstant això, durant un curt circuit a terra, la protecció entre fases pot malfuncionar degut a components de seqüència zero mesurats. Donat que tenen lògiques d'entrada automàtica de reserva diferents, la malfunció pot expandir l'àrea de la fault o fins i tot causar un apagat total de la subestació.

3 Anàlisi de cas
3.1 Procés de la fault

El diagrama de cablagat primari d'una subestació de 110 kV es mostra a la Figura 2. Abans de la fault, el disjuntor lateral de baixa tensió 018 del Transformador 1 estava tancat, el disjuntor lateral de baixa tensió 032 del Transformador 2 estava tancat, i el disjuntor 034 estava en posició de prova.

El 30 de juliol de 2023, a les 06:14, la protecció de sobrecorrent de la Secció I del segon transformador de terra s'activà, desconnectant el disjuntor 022 del segon transformador de terra. Alhora, va interrompre el disjuntor lateral de baixa tensió 032 del Transformador 2, causant la pèrdua de potència de les barras de 10 kV Secció II i III. El dispositiu d'entrada automàtica de reserva (auto-standby) va operar per tancar el disjuntor de barra 020 de 10 kV Secció I/II.

A les 06:36, la protecció de sobrecorrent de la Secció I del primer transformador de terra s'activà, desconnectant el disjuntor 015 del primer transformador de terra i interrompent el disjuntor lateral de baixa tensió 018 del Transformador 1, provocant la pèrdua de potència de totes les barras de 10 kV Secció I, II i III. L'auto-standby tancà el disjuntor lateral de baixa tensió 032 del Transformador 2 i el disjuntor 022 del segon transformador de terra. No obstant això, la fault persistí, activant de nou la protecció de sobrecorrent de la Secció I del segon transformador de terra. El disjuntor 022 es desconnectà i interrompé el disjuntor 032, finalment causant un apagat total del sistema de 10 kV de la subestació.

3.2 Resultats de la inspecció de l'equipament in situ
Trobats de la inspecció de l'equipament primari:

• Cos del transformador de terra: No s'han trobat irregularitats en els transformadors de terra 1 i 2, sense traces obvies de fault en les bobines o nusos.

• Interval PT de la barra de 10 kV Secció III (armari 040):

• Obvies empremtes d'aigua a la coberta superior de l'armari, indicant infiltració d'aigua de pluja.

• Abastament greu a la posició C de la barra de portes de la cambra de carro, amb dos forats a la porta superior.

• La caixa de contacte superior C i el contacte estàtic estaven carbonitzats i dañats, amb aigua líquida acumulada a l'interior de la caixa.

• Marques de brasa en els contactes mòbils superior/inferior C del carro de parafulles, muelles annealed, i cilindres d'aislament de contacte dañats.

• La manga aislante exterior de la barra C a la cambra de barra estava carbonitzada i rajada. S'observava penetració d'empremtes d'aigua a la zona C de la cambra de barra, i gotes d'aigua condensades al sensor de visualització viva.

• Una quantitat petita d'aigua s'havia acumulada a la base de la cambra del transformador de tensió, mentre que els tres PTs mostraven cap irregularitat externa obvia.

La infiltració d'aigua de pluja des de la suport d'acer sobre la cambra de PT de 10 kV Secció III va entrar a l'armari, degradant l'aislament i causant una descàrrega de la fase C que evolucionà a una fault a terra metàl·lica. En el sistema de connexió a terra amb baixa resistència, el segon transformador de terra va detectar corrents de seqüència zero d'aproximadament 4,3 A/fase (superant l'ajustament de sobrecorrent de 2,5 A de la Secció I), activant la desconnectada. La protecció de sobrecorrent no bloqueja l'entrada automàtica de 10 kV, conduint a operacions repetitives. La desconnectada final va deixar l'entrada automàtica sense carregar, causant un apagat total de 10 kV.

Factor clau contribuent: La paraula de control "cancel·lació de seqüència zero de la corrent de fase" estava deshabilitada (establerta a "0"), impedint el filtratge de software dels components de seqüència zero en les corrents de fase. Amb una corrent de seqüència zero de 13 A, la protecció de sobrecorrent malfuncionà. Si s'hagués habilitat correctament, aquesta paraula de control hauria evitat la fault. En canvi, la protecció de sobrecorrent de seqüència zero de la Secció I (establerta a 1,4 A) actuà: el 1r temps limit desconnectà el disjuntor de barra i bloquejà l'entrada automàtica; el 2n temps limit desconnectà els disjuntors del transformador de terra i del transformador principal, aïllant les Seccions II/III mentre que la Secció I romania alimentada.

Raó fonamental: La paraula de control de cancel·lació de seqüència zero deshabilitada va permetre la interpretació errònia de la corrent de fase.

4 Conclusió

Aquest article descriu els ajustaments de protecció dels transformadors de terra, analitza els riscos de malfunció sota corrents de seqüència zero elevades, i presenta un estudi de cas. Per prevenir la recurrència:

• Habilitar les funcions de cancel·lació de seqüència zero basades en software (com ara, la paraula de control "cancel·lació de seqüència zero de la corrent de fase") en sistemes de connexió a terra amb baixa resistència.

• Si aquestes funcions no estan disponibles, optimitzar la coordinació entre els ajustaments de protecció de sobrecorrent i de seqüència zero.

Punt clau: La configuració proactiva del software de protecció és crítica per prevenir les malfuncions durant les faults a terra.