Analýza případu nesprávného fungování ochranného relé pro přetížení zemnící transformátor

Režim zemnění se týká připojení neutrálního bodu elektrického systému k zemi. V čínských systémech do 35 kV jsou běžné metody nezemněné neutrální, zemnění pomocí odpojovací cívky a zemnění s malým odporem. Nezemněný režim je široce používán, protože umožňuje krátkodobou operaci při jednofázových zemních poruchách, zatímco zemnění s malým odporem se stalo hlavním proudem pro rychlé odstranění poruch a omezení přetlaku. Mnoho podstanic instaluje zemnící transformátory pro modernizaci zemnění, ale změněné charakteristiky poruch ovlivňují relé ochrany, což může vést k nesprávnému fungování nebo odmítnutí.

Tento článek popisuje principy a charakteristiky zemnících transformátorů, vysvětluje aktuální konfiguraci/ustavení ochrany proti proudům v systémech s malým odporem, analyzuje příčiny nesprávného fungování a na příkladu jednofázové zemní poruchy analyzuje akce ochrany a kořeny selhání. Poskytuje odkaz pro řešení/předcházení poruchám, prohlubuje pochopení údržbářského personálu, zvyšuje efektivitu řešení problémů a eliminuje potenciální rizika.

Princip fungování zemnícího transformátoru

Během transformace podstavice s trojúhelníkově zapojeným, nezemněným systémem na systém s malým odporem, aby byl zaveden neutrální bod, je nejčastější praxí přidat zemnící transformátor na sběrnici. Aktuálně se obecně vybírá Z-typ zemnícího transformátoru pro zavedení zemnění. Dále bude analyzován princip fungování Z-typu zemnícího transformátoru.

Z-typ zemnícího transformátoru je strukturně podobný běžnému transformátoru. Avšak cívka na každém fázovém jádru je rozdělena na dvě části s rovným počtem otáček, horní a dolní, které jsou spojeny ve formě písmene Z. Jeho zapojení je znázorněno na obrázku 1.

Při vzniku krátkého spojení na zemi proudí nulový posloupnostní proud přes neutrální bod. Zapojení Z-typu zemnícího transformátoru ve tvaru písmene Z způsobí, že se nulové posloupnostní proudy v horní a dolní části navzájem ruší, což minimalizuje nulový posloupnostní impedance a zabrání přetlaku při zemnění obloukem. Pro pozitivní/negativní posloupnostní proudy jeho elektromagnetické vlastnosti podobné běžnému transformátoru vytvářejí vysokou impedance, což omezí jejich tok.

Během normálního provozu zemnící transformátor pracuje téměř bez zátěže (bez sekundární zátěže). Při zemní poruše procházejí skrz něj pozitivní, negativní a nulový posloupnostní proudy. Díky „vysoké pozitivní/negativní posloupnostní, nízké nulové posloupnostní impedanci“ zařízení ochrany hlavně měří nulový posloupnostní proud síťového systému.

2 Konfigurace a analýza ochrany proti proudům zemnících transformátorů

Ochrana proti proudům zemnících transformátorů obvykle využívá ochranu mezi fázemi a ochranu nulovým posloupnostním proudem. Následuje rozbor:

2.1 Ustavení ochrany mezi fázemi
2.1.1 Principy ustavení

Tato ochrana zahrnuje rychlou spouštěcí ochranu a ochranu přetoku:

• Rychlá spouštěcí ochrana: Koordinuje s rezervní ochranou přetoku stejné strany dodávacího transformátoru. Zajišťuje citlivost při dvoufázových krátkých spojeních (minimální operační režim) a vyhýbá se vtokovým proudům (7–10× nominální proud zemnícího transformátoru) a proudům při poruchách na nízkonapěťové straně.

• Ochrana přetoku: Nastavena tak, aby vyhýbala nominálnímu proudu zemnícího transformátoru a maximálnímu fázovému proudu při externí jednofázové zemní poruše, zajišťuje spolehlivost.

• Logika funkce: Rychlá spouštěcí ochrana působí okamžitě (bez prodlevy); ochrana přetoku (rezerva pro dvoufázové krátké spojení) má krátkou prodlevu a nižší nastavení pro stupňovou koordinaci.

2.1.2 Režimy spouštění

Na základě připojení zemnícího transformátoru k dodávacímu transformátoru:

• Připojení ke sběrnici nízkého napětí: Rychlá spouštěcí ochrana/ochrana přetoku spouští stejnou stranu vypínače pro rychlé izolování poruch.

• Připojení k vedlejší sběrnici: Ochrana spouští vypínače na všech stranách pro přerušení cesty poruchy a prevenci eskalace.

2.2 Ustavení ochrany nulovým posloupnostním proudem zemnících transformátorů
2.2.1 Principy ustavení

• Nastavená hodnota proudu musí zajišťovat dostatečnou citlivost při vzniku jednofázové zemní poruchy.

• Spolupracuje s nastavenou hodnotou dlouhé prodlevy ochrany pro plnou citlivost nulového posloupnostního proudu nižší úrovně.

• Pro první prodlevu nulového posloupnostního proudu se musí brát v úvahu vyhnutí se postupnému vzniku jednofázových zemních poruch na dvou linkách.

• Časový interval musí být delší než maximální časový interval Sekce II nulového posloupnostního proudu každého připojeného komponentu sběrnice.

Protože ochrana nulovým posloupnostním proudem zemnícího transformátoru není hlavní ochranou, existují tři časové limity, které jsou uvedeny níže:

Ve vzorci: t0¹, t0², t0³ jsou 1., 2. a 3. časové limity ochrany nulovým posloupnostním proudem zemnícího transformátoru; t_0I' je časová nastavená hodnota Sekce I nulového posloupnostního proudu vedení; t_0II' je nejdelší časová nastavená hodnota Sekce II ochrany nulovým posloupnostním proudem všech zařízení na sběrnici s výjimkou zemnícího transformátoru; Δt je nastavena na 0,2 - 0,5 s.

2.2.2 Režimy spouštění

• Když je zemnící transformátor připojen k příslušné sběrnici podstavice, ochrana nulovým posloupnostním proudem působí: první časová limity spouští vypínač propojení sběrnice nebo vypínač oddílu a blokuje automatické zařízení záložního zdroje (krátce označované jako "automatické záložní zařízení"); druhá časová limity spouští vypínače na stejné straně zemnícího transformátoru a dodávacího transformátoru.

• Když je zemnící transformátor připojen k příslušnému vedení dodávacího transformátoru, ochrana nulovým posloupnostním proudem působí: první časová limity spouští vypínač propojení sběrnice nebo vypínač oddílu a blokuje automatické záložní zařízení; druhá časová limity spouští vypínač na stejné straně dodávacího transformátoru; třetí časová limity spouští vypínače na všech stranách dodávacího transformátoru.

2.3 Analýza funkce ochrany proti proudům zemnících transformátorů

Analýza konfigurace ochrany zemnícího transformátoru ukazuje významné rozdíly v režimech spouštění mezi ochranou mezi fázemi a ochranou nulovým posloupnostním proudem: ochrana nulovým posloupnostním proudem během působení blokuje automatické záložní zařízení, zatímco ochrana mezi fázemi ne.

Pokud měřený nulový posloupnostní proud dosáhne operační hodnoty a vznikne zemní porucha (s zemnícím transformátorem jako jedinou cestou nulového posloupnostního proudu v systému s malým odporem), zařízení detekuje poruchu, ale nemůže ji lokalizovat. Pokud je porucha na vedení, po spuštění ochrany zemnícího transformátoru automatické záložní zařízení přepne na záložní sběrnici. Pokud záložní sběrnice opět připojí vadné vedení, zemnící transformátor na něm stále detekuje nulový posloupnostní proud, což vyvolá další spuštění. Protože automatické záložní zařízení nebylo dokončeno, může se rozsah výpadku rozšířit. Tedy ochrana nulovým posloupnostním proudem musí blokovat automatické záložní zařízení.

Pokud působí ochrana mezi fázemi (ale ne ochrana nulovým posloupnostním proudem), zařízení rozhodne o dvoufázovém krátkém spojení samotného zemnícího transformátoru. Spustí zemnící transformátor, paralelně spustí vypínač na stejné straně dodávacího transformátoru a automatické záložní zařízení přepne na záložní sběrnici. Jelikož porucha je na spuštěném zemnícím transformátoru, záložní sběrnice se opět připojí k normálnímu vedení, což obnoví dodávku energie.

V souhrnu se liší významně v určování příčin a lokace poruchy ochrany mezi fázemi a ochrany nulovým posloupnostním proudem zemnících transformátorů, což vyžaduje odlišná nastavení a konfigurace. Nicméně, během zemního krátkého spojení může ochrana mezi fázemi nesprávně fungovat kvůli měřeným nulovým posloupnostním složkám. Vzhledem k jejich odlišné logice automatického záložního zařízení může nesprávné fungování rozšířit rozsah poruchy nebo dokonce způsobit výpadek celé podstavice.

3 Analýza případu
3.1 Průběh poruchy

Primární schéma zapojení 110 kV podstavice je znázorněno na obrázku 2. Před vznikem poruchy byl uzavřen vypínač 018 na nízkonapěťové straně Transformátoru 1, vypínač 032 na nízkonapěťové straně Transformátoru 2 byl uzavřen a vypínač 034 byl v testovací pozici.

Dne 30. července 2023 v 06:14 aktivovala ochrana přetoku I sekce č. 2 zemnícího transformátoru, spustila vypínač 022 č. 2 zemnícího transformátoru. Současně se zapojil a odpojil vypínač 032 na nízkonapěťové straně Transformátoru 2, což způsobilo výpadek energie na sběrnicích 10 kV II a III. Automatické zařízení záložního zdroje (automatické záložní zařízení) spustilo a uzavřelo vypínač 020 propojení sběrnic 10 kV I/II.

V 06:36 aktivovala ochrana přetoku I sekce č. 1 zemnícího transformátoru, spustila vypínač 015 č. 1 zemnícího transformátoru a zapojila se a odpojila vypínač 018 na nízkonapěťové straně Transformátoru 1, což vedlo k výpadku energie na všech sběrnicích 10 kV I, II a III. Automatické záložní zařízení pak uzavřelo vypínač 032 na nízkonapěťové straně Transformátoru 2 a vypínač 022 č. 2 zemnícího transformátoru. Nicméně, porucha trvala, což vyvolalo opětovné spuštění ochrany přetoku I sekce č. 2 zemnícího transformátoru. Vypínač 022 spustil a zapojil se a odpojil vypínač 032, což nakonec způsobilo kompletní výpadek energie v systému 10 kV podstavice.

3.2 Výsledky kontroly zařízení na místě
Výsledky kontroly primárního zařízení:

• Tělo zemnícího transformátoru: Nebyly nalezeny žádné neobvyklosti u č. 1 a č. 2 zemnícího transformátoru, s žádnými zřetelnými stopami poruchy v cívkách nebo jádrech.

• Interval PT sběrnice 10 kV III (040 skříň):

• Zřetelné vodní skvrny na vrchní více skříně, což naznačuje proniknutí dešťové vody.

• Silné odpaření na C-fázi v poli karuselu, s dvěma otvory v horním okapu.

• C-fázová horní kontaktní skříň a statický kontakt byly spáleny a poškozeny, s tekutou vodou shromažďovanou uvnitř skříně.

• Ožhavené stopy na C-fázových horním/dolním pohyblivých kontaktech karuselu ochranného přístroje, annealované pružiny a poškozené izolační válcové cylindry kontaktních ramen.

• Vnější izolační rukáv C-fázové sběrnice byl spálen a trhlý. Bylo zjištěno proniknutí vodních skvrn v oblasti C-fáze zadní desky sběrnice a kondenzované vodní kapky na senzoru živého zobrazení.

• Malé množství vody se shromáždilo na dně komory napěťového děliče, zatímco třífázové PT neukázaly žádné zřetelné vnější neobvyklosti.

Dešťová voda pronikla ze stropu ocelové podpory nad komorou PT sběrnice 10 kV III do skříně, což snížilo izolaci a způsobilo vznik C-fázového výboje, který se vyvinul v kovovou zemní poruchu. V systému s malým odporem č. 2 zemnící transformátor detekoval nulové posloupnostní proudy ~4,3 A/fáze (překračující nastavení přetoku I sekce 2,5 A), což vyvolalo spuštění. Ochrana přetoku neblokuje 10 kV automatické záložní zařízení, což vedlo k opakovanému spuštění. Poslední spuštění zanechalo automatické záložní zařízení nezabitým, což způsobilo kompletní výpadek energie 10 kV.

Klíčový faktor přispějící k tomuto stavu: Kontrolní slovo "rušení nulové posloupnosti fázového proudu" bylo zakázáno (nastaveno na "0"), což bránilo softwaremu filtraci nulových posloupnostních složek fázových proudů. S nulovým posloupnostním proudem 13 A došlo k nesprávnému spuštění ochrany přetoku. Pokud by bylo toto kontrolní slovo správně povolené, bylo by možné zabránit poruše. Místo toho, I sekce ochrany přetoku nulového posloupnostního proudu (nastavena na 1,4 A) působila: 1. časová limity spustily vypínač propojení sběrnic a blokovaly automatické záložní zařízení; 2. časová limity spustily vypínače zemnícího a hlavního transformátoru, izolovaly sběrnice II/III, zatímco sběrnice I zůstala napájená.

Kořenová příčina: Zakázání kontrolního slova rušení nulové posloupnosti umožnilo nesprávné interpretace fázových proudů.

4 Závěr

Tento článek shrnuje nastavení ochrany zemnících transformátorů, analyzuje rizika nesprávného fungování při vysokých nulových posloupnostních proudech a prezentuje případovou studii. K prevenci opakování:

• Povolte softwarové funkce rušení nulové posloupnosti (např. kontrolní slovo "rušení nulové posloupnosti fázového proudu") v systémech s malým odporem.

• Pokud takové funkce nejsou k dispozici, optimalizujte koordinaci mezi nastavením ochrany přetoku a ochrany nulového posloupnostního proudu.

Klíčový závěr: Proaktivní konfigurace ochranného softwaru je klíčová pro prevenci nesprávného fungování během zemních poruch.