Fallanalyse zum Fehlfunktionieren des Überstromschutzrelais des Erdtransformators

Der Neutralpunktanschluss bezieht sich auf die Verbindung zwischen dem neutralen Punkt des Stromsystems und der Erde. In Chinas Systemen von 35 kV und darunter sind gängige Methoden der unerdete Neutralpunkt, der Bogenlöschspulenerdung und die Erdung mit kleinem Widerstand. Die unerdete Methode wird weit verbreitet eingesetzt, da sie den kurzfristigen Betrieb bei Einphasen-Erdschlüssen ermöglicht, während die Erdung mit kleinem Widerstand aufgrund ihrer schnellen Fehlerbeseitigung und Überspannungsbegrenzung zum Standard geworden ist. Viele Umspannwerke installieren Erdtransformer, um den Neutralpunktanschluss zu modernisieren, aber geänderte Fehlereigenschaften beeinflussen die Relaisschutzanlagen, was zu Fehlfunktionen oder Nichtreaktionen führen kann.

Dieses Papier stellt die Prinzipien und Eigenschaften von Erdtransformern vor, erläutert die aktuelle Schutzkonfiguration/Einstellung in Systemen mit kleinem Widerstand, analysiert die Ursachen für Fehlfunktionen und nimmt einen Einphasen-Erdfall zur Analyse der Schutzaktionen und der Fehlerursachen. Es bietet Referenzen für die Fehlerbehandlung/Verhinderung, vertieft das Verständnis des Wartungspersonals, erhöht die Effizienz der Störungsbehebung und beseitigt potenzielle Gefahren.

Arbeitsprinzip des Erdtransformers

Während der Umwandlung eines Umspannwerks mit einem Drei-Dreieck-System ohne erdenden Neutralpunkt in ein System mit Erdung durch kleinen Widerstand, um einen Neutralpunkt einzuführen, ist die häufigste Praxis, einen Erdtransformer an der Busleitung hinzuzufügen. Derzeit wird in der Regel ein Z-förmiger Erdtransformer ausgewählt, um den Erdpunkt einzuführen. Im Folgenden wird das Arbeitsprinzip des Z-förmigen Erdtransformers analysiert.

Der Z-förmige Erdtransformer ist strukturell ähnlich wie ein gewöhnlicher Leistungstransformer. Allerdings ist die Wicklung auf jedem Phasenkern in zwei gleich große Teile, oben und unten, unterteilt, die in einer Zickzackform verbunden sind. Seine Verkabelungsmethode ist in Abbildung 1 dargestellt.

Bei einem Erdkurzschluss fließt Nullfolgestrom über den Neutralpunkt. Die Zickzackverbindung des Z-förmigen Erdtransformers sorgt dafür, dass sich die Nullfolgeströme in den oberen und unteren Wicklungen gegenseitig aufheben, wodurch die magnetischen Flüsse kompensiert und der Nullfolgenwiderstand minimiert werden, um eine übermäßige Bogen-Erdungüberspannung zu vermeiden. Für positiven/negativen Folgestrom schafft es seine elektromagnetischen Eigenschaften, die denen eines herkömmlichen Transformers ähneln, einen hohen Widerstand, der ihren Fluss einschränkt.

Im normalen Betrieb läuft der Erdtransformer nahezu ohne Last (ohne sekundäre Last). Bei einem Erdfehler passieren positive, negative und Nullfolgefehlstroms durch ihn. Aufgrund von „hoher positiver/negativer Folge, niedrigem Nullfolgenwiderstand“ misst das Schutzgerät hauptsächlich den Nullfolgestrom des Netzes.

2 Konfiguration und Analyse des Stromschutzes für Erdtransformer

Der Stromschutz für Erdtransformer verwendet typischerweise Spannungs-Spannung- und Nullfolgestromschutz. Hier ist die Aufschlüsselung:

2.1 Einstellung des Spannungs-Spannung-Stromschutzes
2.1.1 Einstellungsprinzipien

Dieser Schutz umfasst Sofortauslösung und Überstromschutz:

• Sofortauslösung: Koordinierung mit dem Rückgriffsschutz des Versorgungstransformers auf der gleichen Seite. Sicherstellen der Empfindlichkeit bei Zweiphasen-Kurzschlüssen (Minimalbetriebsmodus) und Vermeidung von Anlaufströmen (7–10× Nennstrom des Erdtransformers) und Fehlerströmen auf der Niederspannungsseite.

• Überstromschutz: Einstellung, um den Nennstrom des Erdtransformers und den maximalen Fehlerphasenstrom bei externen Einphasen-Erdschlüssen zu vermeiden, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

• Betriebslogik: Sofortauslösung wirken sofort (keine Verzögerung); Überstromschutz (Rückgriff für Spannungs-Spannung-Kurzschlüsse) hat eine kurze Verzögerung und niedrigere Einstellungen für gestaffelte Koordination.

2.1.2 Auslösungsmethoden

Basierend auf der Verbindung des Erdtransformers zum Versorgungstransformer:

• Verbunden mit der Niederspannungsbusleitung: Sofortauslösung/Überstromschutz löst den Schaltkreis auf derselben Seite aus, um Fehler schnell zu isolieren.

• Verbunden mit der Niederspannungsleitung: Schutz löst alle Schaltkreise aus, um den Fehlerpfad zu kappen und eine Eskalation zu verhindern.

2.2 Einstellung des Nullfolgestromschutzes für Erdtransformer
2.2.1 Einstellungsprinzipien

• Der Stromeinstellwert muss ausreichende Empfindlichkeit sicherstellen, wenn ein Einphasen-Erdschluss auftritt.

• Zusammenarbeit mit dem Einstellwert des Langzeit-Schutzes für die vollständige Linienempfindlichkeit des untergeordneten Nullfolgestromschutzes.

• Für die erste Zeitbegrenzung des Nullfolgestroms muss berücksichtigt werden, die nacheinander auftretenden Einphasen-Erdschlüsse auf zwei Leitungen zu vermeiden.

• Die Wirkungszeit muss länger als die maximale Wirkungszeit des Abschnitts II des Nullfolgestroms jedes verbundenen Bauteils der Busleitung sein.

Da der Nullfolgestromschutz des Erdtransformers nicht als Hauptschutz dient, gibt es drei Zeitbegrenzungen, die wie folgt dargestellt sind:

In der Formel: t0¹, t0², t0³ sind die 1., 2. und 3. Zeitbegrenzungen des Nullfolgestromschutzes des Erdtransformers; t_0I' ist der Zeiteinstellwert des Abschnitts I des Nullfolgestroms der Ausgangsleitung; t_0II' ist der längste Zeiteinstellwert des Abschnitts II des Nullfolgestromschutzes aller Geräte an der Busleitung, außer dem Erdtransformer; Δt ist auf 0,2-0,5 s eingestellt.

2.2.2 Auslösungsmethoden

• Wenn der Erdtransformer an der entsprechenden Busleitung des Umspannwerks angeschlossen ist, wirkt der Nullfolgestromschutz: die 1. Zeitbegrenzung löst den Buskopplungsschaltkreis oder den Sektionschaltkreis aus und blockiert das automatische Reservestromversorgungseinrichtung (kurz "automatische Reservestromversorgung"); die 2. Zeitbegrenzung löst die Schaltkreise auf der gleichen Seite des Erdtransformers und des Versorgungstransformers aus.

• Wenn der Erdtransformer an der entsprechenden Leitung des Versorgungstransformers angeschlossen ist, wirkt der Nullfolgestromschutz: die 1. Zeitbegrenzung löst den Buskopplungsschaltkreis oder den Sektionschaltkreis aus und blockiert die automatische Reservestromversorgung; die 2. Zeitbegrenzung löst den Schaltkreis auf der gleichen Seite des Versorgungstransformers aus; die 3. Zeitbegrenzung löst die Schaltkreise auf allen Seiten des Versorgungstransformers aus.

2.3 Analyse des Stromschutzverhaltens für Erdtransformer

Die Analyse der Schutzkonfiguration des Erdtransformers zeigt signifikante Unterschiede in den Auslösungsmethoden zwischen Spannungs-Spannung- und Nullfolgestromschutz: Der Nullfolgestromschutz blockiert die automatische Reservestromversorgung während der Wirkung, während der Spannungs-Spannung-Schutz dies nicht tut.

Wenn der vom Schutzgerät gemessene Nullfolgestrom den Wirkwert erreicht und ein Erdfehler auftritt (mit dem Erdtransformer als einziger Nullfolgestrompfad in einem System mit kleinem Widerstand), detektiert das Gerät den Fehler, kann ihn aber nicht lokalisieren. Wenn der Fehler auf der Ausgangsleitung liegt, löst der Schutz nach dem Auslösen des Erdtransformers die automatische Reservestromversorgung auf die Ersatzbusleitung um. Wenn die Ersatzbusleitung auf die fehlerhafte Leitung zuschaltet, detektiert der Erdtransformer darauf weiterhin Nullfolgestrom, was ein weiteres Auslösen verursacht. Da die automatische Reservestromversorgung noch nicht fertig geladen ist, kann sich der Ausfallbereich erweitern. Daher muss der Nullfolgestromschutz die automatische Reservestromversorgung blockieren.

Wenn der Spannungs-Spannung-Schutz wirkt (aber der Nullfolgestromschutz nicht), urteilt das Gerät, dass es einen Spannungs-Spannung-Kurzschluss im Erdtransformer selbst gibt. Es löst den Erdtransformer aus, löst parallel den Schaltkreis auf der gleichen Seite des Versorgungstransformers aus, und die automatische Reservestromversorgung schaltet auf die Ersatzbusleitung um. Da der Fehler am ausgelösten Erdtransformer liegt, schließt die Ersatzbusleitung wieder an die normale Leitung an, um die Stromversorgung wiederherzustellen.

Zusammenfassend unterscheiden sich der Spannungs-Spannung- und der Nullfolgestromschutz des Erdtransformers stark in der Beurteilung von Fehlern und deren Lokalisierung, was unterschiedliche Einstellungen und Konfigurationen erfordert. Allerdings kann der Spannungs-Spannung-Schutz bei einem Erdkurzschluss aufgrund gemessener Nullfolgekomponenten falsch reagieren. Angesichts ihrer unterschiedlichen Logiken für die automatische Reservestromversorgung kann eine Fehlfunktion den Fehlerbereich erweitern oder sogar zu einem vollständigen Umspannwerk-Ausfall führen.

3 Fallanalyse
3.1 Fehlerablauf

Das Hauptverdrahtungsschema eines 110-kV-Umspannwerks ist in Abbildung 2 dargestellt. Vor dem Fehler war der Niederspannungsschaltkreis 018 des Transformators 1 geschlossen, der Niederspannungsschaltkreis 032 des Transformators 2 geschlossen, und der Schaltkreis 034 befand sich in der Prüfposition.

Am 30. Juli 2023 um 06:14 Uhr wurde der Überstromschutz Abschnitt I des Erdtransformers Nr. 2 aktiviert, wodurch der Schaltkreis 022 des Erdtransformers Nr. 2 ausgelöst wurde. Gleichzeitig wurde der Niederspannungsschaltkreis 032 des Transformators 2 abgeschaltet, was zur Stromausfall der 10-kV-Busleitungen II und III führte. Das automatische Reservestromversorgungseinrichtung (Auto-Reserve) schloss den 10-kV-Buskopplungsschaltkreis 020.

Um 06:36 Uhr wurde der Überstromschutz Abschnitt I des Erdtransformers Nr. 1 aktiviert, wodurch der Schaltkreis 015 des Erdtransformers Nr. 1 und der Niederspannungsschaltkreis 018 des Transformators 1 ausgelöst wurden, was zu einem Stromausfall aller 10-kV-Busleitungen I, II und III führte. Das Auto-Reserve schloss den Niederspannungsschaltkreis 032 des Transformators 2 und den Schaltkreis 022 des Erdtransformers Nr. 2. Der Fehler bestand jedoch fort, was erneut den Überstromschutz Abschnitt I des Erdtransformers Nr. 2 auslöste. Der Schaltkreis 022 wurde ausgelöst und löste den Schaltkreis 032 aus, was letztendlich zu einem vollständigen Stromausfall im 10-kV-System des Umspannwerks führte.

3.2 Ergebnisse der Ortsinspektion der Ausrüstung
Ergebnisse der Inspektion der Primärgeräte:

• Körper des Erdtransformers: An den Erdtransformern Nr. 1 und Nr. 2 wurden keine Abnormitäten festgestellt, und es gab keine offensichtlichen Fehlerspuren in den Wicklungen oder Kernen.

• 10-kV-Bus PT-Intervall (Schaltgerät 040):

• Offensichtliche Wasserspuren auf dem Deckel des Schaltgerätekabinetts, was auf Regenwasser-Eindringen hindeutet.

• Schwere Verbrennungen an der C-Phasenposition des Rollwagenschutzbaffles, mit zwei Durchgängen auf dem oberen Schutzbaffle.

• Das obere Kontaktgehäuse und der statische Kontakt der C-Phase waren verbrannt und beschädigt, mit flüssigem Wasser im Gehäuse.

• Bogenverbrennungen an den oberen/unteren beweglichen Kontakten des Blitzableiter-Rollwagens, angekokelte Federn und beschädigte Kontaktablaufs-Isolierzylinder.

• Die äußere Isolierschicht der C-Phasen-Leiters in der Buskammer war verbrannt und gesprungen. Wasserspuren wurden in der C-Phasen-Bereich des Buskammer-Rückwand festgestellt, und Wassertröpfchen kondensierten auf dem lebend-Anzeigesensor.

• Eine kleine Menge Wasser hatte sich am Boden der Spannungswandlerkammer angesammelt, während die drei Phasen-PTs keine offensichtlichen externen Abnormitäten zeigten.

Regenwasserlecks aus dem Stahlträger über der 10-kV-Bus-PT-Kammer drangen in das Schaltgerät ein, reduzierten die Isolation und führten zu einer C-Phasen-Entladung, die sich zu einem metallischen Erdfehler entwickelte. Im System mit kleinem Widerstand detektierte der Erdtransformer Nr. 2 Nullfolgeströme von etwa 4,3 A/Phase (übersteigen die 2,5 A Überstrom-I-Abschnitt-Einstellung), was zu einem Auslösen führte. Der Überstromschutz blockiert nicht die 10-kV-Auto-Reserve, was zu wiederholten Operationen führte. Das letzte Auslösen ließ die Auto-Reserve ungeladen, was zu einem vollständigen 10-kV-Ausfall führte.

Hauptbeitragende Faktor: Das Steuerwort "Nullfolgeabschaltung in Phasenströmen" war deaktiviert (auf "0" eingestellt), was die Softwarefilterung von Nullfolgekomponenten in Phasenströmen verhinderte. Mit einem 13-A-Nullfolgestrom führte der Überstromschutz zu einer Fehlfunktion. Korrekt aktiviert, hätte dieses Steuerwort den Fehler verhindert. Stattdessen trat der Nullfolgeüberstromschutz I-Abschnitt (auf 1,4 A eingestellt) in Kraft: 1. Zeitbegrenzung löste den Buskopplungsschaltkreis aus und blockierte die Auto-Reserve; 2. Zeitbegrenzung löste die Erd- und Haupttransformerschaltkreise aus, isolierte die Abschnitte II/III, während Abschnitt I weiterhin versorgt blieb.

Grundursache: Deaktiviertes Steuerwort für Nullfolgeabschaltung in Phasenströmen ermöglichte die Fehlinterpretation der Phasenströme.

4 Schlussfolgerung

Dieses Papier skizziert die Einstellungen des Erdtransformerschutzes, analysiert Risiken von Fehlfunktionen bei hohen Nullfolgeströmen und präsentiert einen Fall. Um Wiederholungen zu vermeiden:

• Aktivieren Sie softwarebasierte Nullfolgeabschaltfunktionen (z.B. das Steuerwort "Nullfolgeabschaltung in Phasenströmen") in Systemen mit kleinem Widerstand.

• Falls solche Funktionen nicht verfügbar sind, optimieren Sie die Koordination zwischen Überstrom- und Nullfolgeschutz-Einstellungen.

Haupttakeaway: Proaktive Konfiguration von Schutzsoftware ist entscheidend, um Fehlfunktionen bei Erdfehlern zu verhindern.