Analyse af fejltagelser ved overstrømsbeskyttelsesrelæ for jordforbindelses-transformator

Den neutrale jordforbindelse henviser til forbindelsen mellem det neutrale punkt i strømsystemet og jorden. I Kinas systemer på 35 kV og under, er de almindelige metoder at have en ujordet neutral, jordforbindelse med bueudslukningskreds, og jordforbindelse med lille resistens. Ujordet tilstand anvendes bredt, da den tillader kortvarig drift under enfasjordfejl, mens jordforbindelse med lille resistens er blevet mainstream på grund af dens hurtige fejlafhjælpning og begrænsning af overspænding. Mange understationer installerer jordtransformatorer for at omdanne neutralen, men de ændrede fejlkarakteristika påvirker relæbeskyttelsen, hvilket kan føre til forkert handling eller nægtelse.

Denne artikel introducerer principper og karakteristika for jordtransformatorer, forklarer nuværende beskyttelseskonfiguration/indstilling i systemer med lille resistens, analyserer årsager til forkert handling, og tager et eksempel på enfasjordfejl for at gennemgå beskyttelseshandlinger og fejlrodsårsager. Den giver referencer for fejlbehandling/forebyggelse, dyber forståelsen for vedligeholdelsespersonale, forbedrer fejlfindingshastighed, og eliminerer potentielle farer.

Arbejdsmåde for Jorderings-transformator

Under transformation af en understation med en delta-forbundet, neutralt ujordet system til et system med lille resistens, for at indføre et neutralet, er den mest almindelige praksis at tilføje en jordtransformator til busbar'en. I øjeblikket vælges generelt en Z-type jordtransformator for at indføre jordpunktet. Næste, vil arbejdsmåden for Z-type jordtransformator blive analyseret.

Z-type jordtransformator er strukturelt lignende en almindelig strømtransformator. Dog er vindingen på hver fasekernedelet i to lige dele, øverst og nederst, som forbinder sig i en zigzag-form. Dens forbindelsesmetode vises i figur 1.

Når der opstår en jordkortslutning, flyder nulsekvensstrøm ind via det neutrale punkt. Z-type jordtransformatorens zigzagforbindelse gør, at øverste og nedre vindings nulsekvensstrøm står imod hinanden, hvilket annullerer magnetiske flux og minimaliserer nulsekvensimpedancen for at undgå for høj buedefekt-overspænding. For positiv/negativ sekvensstrøm, danner dens konventionelle transformatoragtige elektromagnetiske egenskaber høj impedans, der begrænser deres flyd.

Under normal drift, kører jordtransformatoren nær tom (ingen sekundaerlast). Under en jordfejl, passerere positive, negative, og nulsekvensfejlstrømme gennem den. På grund af "høj positiv/negativ sekvens, lav nulsekvensimpedans", måler beskyttelsesenheden hovedsageligt netværkets nulsekvensstrøm.

2 Konfiguration og analyse af strømbeskyttelse for jordtransformatorer

Jordtransformatorers strømbeskyttelse bruger typisk fasetil-fase og nulsekvensstrømbeskyttelse. Her er opdelingen:

2.1 Indstilling af fasetil-fase strømbeskyttelse
2.1.1 Indstillingsprincipper

Dette beskyttelse inkluderer øjeblikkeligt trip og overstrøm beskyttelse:

• Øjeblikkelig trip: Koordinerer med reserveoverstrømbeskyttelsen på samme side af strømforsynings-transformator. Sikringer sensitivitet under tofas kortslutninger (minimum driftsmodus) og undgår inrush-strøm (7-10 x jordtransformatorens nominelstrøm) og lavspændings side fejlstrøm.

• Overstrømbeskyttelse: Indstilles for at undgå jordtransformatorens nominelstrøm og maksimal fejlphasestrøm under eksterne enfasjordfejl, for at sikre pålidelighed.

• Driftslogik: Øjeblikkelig trip handler umiddelbart (ingen forsinkelse); overstrømbeskyttelse (reserve for fasetil-fase kortslutninger) har en kort forsinkelse og lavere indstillinger for koordineret gradation.

2.1.2 Trip-måder

Baseret på jordtransformatorens forbindelse til strømforsynings-transformator:

• Forbundet til lavspændings bus: Øjeblikkelig trip/overstrømbeskyttelse trækker samme-side circuitbryder for hurtig isolering af fejl.

• Forbundet til lavspændings ledning: Beskyttelse trækker alle-side circuitbrydere for at skære fejlvejen og forhindre eskalering.

2.2 Indstilling af nulsekvensstrømbeskyttelse for jordtransformatorer
2.2.1 Indstillingsprincipper

• Strøminstillingen skal sikre tilstrækkelig sensitivitet, når en enfas-jordfejl opstår.

• Samarbejde med indstillingsværdien for langvarig beskyttelse for fuld linjesensitivitet af den lavere nulsekvensstrømbeskyttelse.

• For den første tidsgrænse for nulsekvensstrøm, skal der tages hensyn til at undgå successive enfas-jordfejl på to linjer.

• Driftstiden skal være længere end den maksimale driftstid for seksjon II af nulsekvensstrøm for hver forbundet komponent af busseren.

Eftersom nulsekvensstrømbeskyttelsen for jordtransformatoren ikke fungerer som hovedbeskyttelse, findes der tre tidsgrænser, som vises nedenfor:

I formelen: t0¹, t0², t0³ er de 1., 2. og 3. tidsgrænser for nulsekvensstrømbeskyttelsen for jordtransformatoren henholdsvis; t_0I' er tidsindstillingsværdien for seksjon I af udgående linjes nulsekvensstrøm; t_0II' er den længste tidsindstillingsværdi for seksjon II af nulsekvensstrømbeskyttelsen for alt udstyr på busseren bortset fra jordtransformator; Δt er sat til 0,2-0,5 s.

2.2.2 Trip-måder

• Når jordtransformatoren er forbundet til den tilsvarende busseren i understationen, opererer nulsekvensstrømbeskyttelsen: den 1. tidsgrænse trækker bus tie circuitbryderen eller sektion circuitbryderen og blokerer automatisk reservestrømforsyning input enhed (forkortet til "automatisk reserveinput"); den 2. tidsgrænse trækker circuitbryderne på samme side af jordtransformator og strømforsynings-transformator.

• Når jordtransformatoren er forbundet til den tilsvarende ledning af strømforsynings-transformator, opererer nulsekvensstrømbeskyttelsen: den 1. tidsgrænse trækker bus tie circuitbryderen eller sektion circuitbryderen og blokerer automatisk reserveinput; den 2. tidsgrænse trækker circuitbryderen på samme side af strømforsynings-transformator; den 3. tidsgrænse trækker circuitbryderne på alle sider af strømforsynings-transformator.

2.3 Analyse af strømbeskyttelsesdrift for jordtransformatorer

Analyse af jordtransformatorbeskyttelseskonfiguration viser betydelige forskelle i tripmåder mellem fasetil-fase og nulsekvensstrømbeskyttelse: nulsekvensbeskyttelse blokerer automatisk reserveinput under drift, mens fasetil-fasebeskyttelse gør det ikke.

Hvis den nulsekvensstrøm, der måles af beskyttelsesenheten, når driftsværdien, og en jordfejl opstår (med jordtransformator som den eneste nulsekvensstrøm vej i et system med lille resistens), opdager enheden fejlen, men kan ikke lokalisere den. Hvis fejlen er på udgående linje, efter beskyttelsen trækker jordtransformator, skifter automatisk reserveinput til reservbus. Hvis reservbus genlukkes til den defekte linje, opdager jordtransformatoren på den stadig nulsekvensstrøm, hvilket udløser en ny trip. Da automatisk reserveinput ikke er fuldt opladt, kan afbrydelsesområdet udvides. Derfor skal nulsekvensbeskyttelsen blokere automatisk reserveinput.

Når fasetil-fasebeskyttelsen handler (men nulsekvensbeskyttelsen gør det ikke), vurderer enheden, at der er en fasetil-fase kortslutning i selve jordtransformator. Den trækker jordtransformator, parallel-trækker strømforsynings-transformatorens samme-side circuitbryder, og automatisk reserveinput skifter til reservbus. Eftersom fejlen er på den trukne jordtransformator, genlukkes reservbus til den normale linje, og strømmen genoprettes.

I korthed, fasetil-fase og nulsekvensstrømbeskyttelsen for jordtransformatorer adskiller sig meget i fejlårsag og lokalisering, hvilket kræver forskellige indstillinger og konfigurationer. Men under en jordkortslutning kan fasetil-fasebeskyttelse misoperere på grund af målte nulsekvenskomponenter. Givet deres forskellige logik for automatisk reserveinput, kan misoperation udvide fejlområdet eller endda forårsage en hel understations mørke.

3 Caseanalyse
3.1 Fejlprocess

Primærledningen for en 110 kV understation vises i figur 2. Før fejlen var lavspændings side 018 circuitbryder for Transformator 1 lukket, lavspændings side 032 circuitbryder for Transformator 2 lukket, og 034 circuitbryder var i testposition.

Klokken 06:14 den 30. juli 2023 aktiverede overstrøm I-seksjonsbeskyttelsen for nr. 2 jordtransformator, hvilket trak nr. 2 jordtransformator 022 circuitbryder. Samtidig blev lavspændings side 032 circuitbryder for Transformator 2 interlocked og trukket, hvilket fik 10 kV seksjon II og III busser at miste strøm. Automatisk reservestrømforsyning (auto-reserve) enhed opererede for at lukke 10 kV seksjon I/II bus tie 020 circuitbryder.

Klokken 06:36 aktiverede overstrøm I-seksjonsbeskyttelsen for nr. 1 jordtransformator, hvilket trak nr. 1 jordtransformator 015 circuitbryder og interlocked for at trække lavspændings side 018 circuitbryder for Transformator 1, hvilket førte til strømtab i alle 10 kV seksioner I, II, og III. Auto-reserve enheden lukkede derefter lavspændings side 032 circuitbryder for Transformator 2 og nr. 2 jordtransformator 022 circuitbryder. Men fejlen fortsatte, hvilket udløste overstrøm I-seksjonsbeskyttelsen for nr. 2 jordtransformator igen. 022 circuitbryder blev trukket og interlocked for at trække 032 circuitbryder, hvilket til sidst fik hele 10 kV-systemet i understationen at miste strøm.

3.2 Resultater af inspektion af stedlige udstyr
Finding fra inspektion af primære udstyr:

• Jordtransformator krop: Ingen anomalier blev fundet i nr.1 og nr.2 jordtransformator, uden tydelige fejlspor i vindinger eller kerne.

• 10 kV seksjon III bus PT interval (040 switchgear):

• Tydelige vandspor på topkappen af switchgear kabinet, hvilket indikerer regnvandinfiltration.

• Alvorlig erosion på C-fase position af handcart kammer skytteflåde, med to gennemborede hulrum på den øverste skytteflåde.

• C-fase øverste kontaktboks og statisk kontakt blev brændt og skadet, med væskevand akkumuleret inde i boksen.

• Buebrandsmark på C-fase øverste/nedre bevægelige kontakter af arrester handcart, annealed springer, og skadede kontaktarm isolationscylinder.

• Ydre isoleringshylde af C-fase busbar i bus kammer blev brændt og revet. Vandspor infiltration blev observeret i C-fase område af bus kammer bagplade, og vanddropper kondenseret på live display sensor.

• En lille mængde vand akkumuleret i bunden af spændingsomformer kammer, mens de tre-fase PT's ikke viste tydelige ydre anomalier.

Regnvandinfiltration fra stålstøtten oven over 10 kV seksjon III bus PT kammer indtrængte i switchgear, forringede isolation og forårsagede en C-fase udløsning, der udviklede sig til en metaljordfejl. I systemet med lille resistens, opdagede nr. 2 jordtransformator nulsekvensstrøm på ~4,3 A/fase (overskrider 2,5 A overstrøm I-seksjonsindstilling), hvilket udløste trip. Overstrømbeskyttelsen blokerer ikke 10 kV auto-reserve, hvilket førte til gentagne operationer. Den sidste trip efterlod auto-reserve ubeskæftiget, hvilket forårsagede en komplett 10 kV strømtab.

Hovedbidragende faktor: Kontrolordet "fasestrøm nulsekvens aflysning" var deaktiveret (indstillet til "0"), hvilket forhindrede software filtrering af nulsekvenskomponenter i fasestrøm. Med en 13 A nulsekvensstrøm, misopererede overstrømbeskyttelsen. Hvis dette kontrolord var korrekt aktiveret, ville fejlen være undgået. I stedet, opererede nulsekvens overstrømbeskyttelse I-seksjon (indstillet på 1,4 A): 1. tidsgrænse trak bus tie og blokerede auto-reserve; 2. tidsgrænse trak jord- og hovedtransformator circuitbrydere, isolerede seksioner II/III, mens seksion I forblev strømforsynet.

Rodårsag: Deaktiveret nulsekvens aflysning kontrolord tillod misfortolkning af fasestrøm.

4 Konklusion

Denne artikel redegør for indstillinger for jordtransformatorbeskyttelse, analyserer risici for misoperation under høje nulsekvensstrøm, og præsenterer et case study. For at forhindre gentagelse:

• Aktiver softwarebaserede nulsekvens aflysning funktioner (fx "fasestrøm nulsekvens aflysning" kontrolord) i systemer med lille resistens.

• Hvis sådanne funktioner ikke er tilgængelige, optimér koordination mellem overstrøm og nulsekvensbeskyttelsesindstillinger.

Hovedpointe: Proaktiv konfiguration af beskyttelsessoftware er afgørende for at forebygge misoperation under jordfejl.