تحلیل مورد درباره عملکرد نامناسب رеле حفاظت از جریان بیش از حد ترانسفورماتور زمینی

نوع زمین‌گیری میان نقطه نوتروال سیستم برق و زمین را اشاره می‌کند. در سیستم‌های چین با ولتاژ ۳۵ کیلوولت و پایین‌تر، روش‌های معمول شامل زمین‌گیری بدون ترموپلی، زمین‌گیری با کویل خاموش‌کننده قوس و زمین‌گیری با مقاومت کوچک است. روش زمین‌گیری بدون ترموپلی به دلیل اجازه عملکرد کوتاه‌مدت در حالت خطا تک‌فازی گسترده استفاده می‌شود، در حالی که زمین‌گیری با مقاومت کوچک به دلیل حذف سریع خطا و محدودسازی فشار بیش از حد اصلی شده است. بسیاری از زیرстанسیون‌ها ترانسفورماتورهای زمین‌گیری را برای بازسازی زمین‌گیری نوتروال نصب می‌کنند، اما تغییر مشخصات خطا می‌تواند باعث عملکرد نادرست یا عدم عملکرد محافظ شود.

این مقاله اصول و ویژگی‌های ترانسفورماتورهای زمین‌گیری را معرفی می‌کند، تنظیمات/پیکربندی محافظ جریان را در سیستم‌های با مقاومت کوچک توضیح می‌دهد، دلایل عملکرد نادرست را تحلیل می‌کند و یک مورد خطا تک‌فازی را برای تجزیه و تحلیل عملکرد محافظ و ریشه خطا مورد بررسی قرار می‌دهد. این مقاله مرجعی برای مدیریت/پیشگیری از خطا، درک عمیق‌تر کارکنان نگهداری، افزایش کارایی رفع خطا و حذف خطرات بالقوه ارائه می‌دهد.

اصول کار ترانسفورماتور زمین‌گیری

در طی تبدیل یک زیرستانسیون با سیستم متصل به مثلث و بدون زمین‌گیری نوتروال به یک سیستم با زمین‌گیری مقاومت کوچک، برای معرفی نقطه نوتروال، رایج‌ترین روش اضافه کردن یک ترانسفورماتور زمین‌گیری به میله مرکزی است. در حال حاضر، معمولاً یک ترانسفورماتور زمین‌گیری نوع Z برای معرفی نقطه زمین‌گیری انتخاب می‌شود. در ادامه اصول کار ترانسفورماتور زمین‌گیری نوع Z تحلیل خواهد شد.

ترانسفورماتور زمین‌گیری نوع Z از نظر ساختاری شبیه یک ترانسفورماتور برق عادی است. با این حال، پیچش روی هر هسته فاز به دو بخش با تعداد دورهای برابر تقسیم می‌شود، بالا و پایین، که به صورت Z-مانند به هم متصل می‌شوند. روش پیچش آن در شکل ۱ نشان داده شده است.

در صورت رخ دادن خطا کوتاه‌مداری زمینی، جریان دنباله صفر از طریق نقطه نوتروال وارد می‌شود. پیچش Z-مانند ترانسفورماتور زمین‌گیری نوع Z باعث می‌شود که جریان‌های دنباله صفر بالا و پایین یکدیگر را خنثی کنند، میدان‌های مغناطیسی را لغو کرده و موانع دنباله صفر را به حداقل برساند تا از فشار بیش از حد زمین‌گیری قوسی جلوگیری کند. برای جریان‌های دنباله مثبت/منفی، ویژگی‌های الکترومغناطیسی مشابه یک ترانسفورماتور عادی موانع بالایی ایجاد می‌کند و جریان آن‌ها را محدود می‌کند.

در حالت عادی، ترانسفورماتور زمین‌گیری نزدیک به بدون بار (بدون بار ثانویه) کار می‌کند. در حالت خطا، جریان‌های خطا دنباله مثبت، منفی و صفر از طریق آن عبور می‌کنند. به دلیل "مقاومت بالای دنباله مثبت/منفی و مقاومت پایین دنباله صفر"، دستگاه محافظ عمدتاً جریان دنباله صفر شبکه را اندازه‌گیری می‌کند.

۲ پیکربندی و تحلیل محافظ جریان ترانسفورماتور زمین‌گیری

محافظ جریان ترانسفورماتور زمین‌گیری معمولاً از محافظ جریان دو‌فازی و محافظ جریان دنباله صفر استفاده می‌کند. در ادامه توضیح داده شده است:

۲.۱ تنظیم محافظ جریان دو‌فازی
۲.۱.۱ اصول تنظیم

این محافظ شامل محافظ جریان فوری و محافظ جریان بیش از حد است:

• محافظ جریان فوری: با محافظ جریان بیش از حد پشتیبان ترانسفورماتور تغذیه در همان سمت هماهنگ شود. حساسیت را در حالت خطا دو‌فازی (حالت کاری حداقل) تضمین کرده و از جریان‌های ورودی (۷-۱۰ برابر جریان اسمی ترانسفورماتور زمین‌گیری) و جریان‌های خطا سمت پایین ولتاژ جلوگیری کند.

• محافظ جریان بیش از حد: تنظیم شود تا از جریان اسمی ترانسفورماتور زمین‌گیری و جریان فاز خطا بیشینه در خطا تک‌فازی خارجی جلوگیری کند و قابلیت اطمینان را تأمین کند.

• منطق عمل: محافظ جریان فوری فوراً عمل می‌کند (بدون تأخیر)؛ محافظ جریان بیش از حد (پشتیبان خطا دو‌فازی) تأخیر کوتاهی دارد و تنظیمات کمتری برای هماهنگی سطوح دارد.

۲.۱.۲ حالت‌های قطع

بر اساس اتصال ترانسفورماتور زمین‌گیری به ترانسفورماتور تغذیه:

• متصل به میله پایین ولتاژ: محافظ جریان فوری/بیش از حد مدارکننده همان سمت را قطع می‌کند تا خطا به سرعت جدا شود.

• متصل به خط پایین ولتاژ: محافظ تمام مدارکننده‌های سمت را قطع می‌کند تا مسیر خطا قطع شود و از افزایش خطا جلوگیری شود.

۲.۲ تنظیم محافظ جریان دنباله صفر ترانسفورماتور زمین‌گیری
۲.۲.۱ اصول تنظیم

• مقدار تنظیم جریان باید حساسیت کافی را در صورت رخ دادن خطا تک‌فازی-زمینی تأمین کند.

• با مقدار تنظیم محافظ جریان دنباله صفر با تأخیر طولانی هماهنگ شود تا حساسیت کامل خط برای محافظ جریان دنباله صفر سطح پایین تأمین شود.

• برای محدوده اول جریان دنباله صفر، باید به جلوگیری از وقوع متوالی خطا تک‌فازی-زمینی در دو خط توجه شود.

• زمان عمل باید بیشتر از بیشترین زمان عمل بخش دوم جریان دنباله صفر هر مؤلفه متصل به میله باشد.

از آنجا که محافظ جریان دنباله صفر ترانسفورماتور زمین‌گیری به عنوان محافظ اصلی عمل نمی‌کند، سه محدوده زمانی وجود دارد که در ادامه نشان داده شده است:

در فرمول: t0¹, t0², t0³ به ترتیب محدوده زمانی اول، دوم و سوم محافظ جریان دنباله صفر ترانسفورماتور زمین‌گیری هستند؛ t_0I' مقدار تنظیم زمان بخش اول جریان دنباله صفر خط خروجی است؛ t_0II' بیشترین مقدار تنظیم زمان بخش دوم محافظ جریان دنباله صفر تمام تجهیزات موجود در میله به جز ترانسفورماتور زمین‌گیری است؛ Δt بین ۰.۲-۰.۵ ثانیه تنظیم می‌شود.

۲.۲.۲ حالت‌های قطع

• وقتی ترانسفورماتور زمین‌گیری به میله متناظر زیرستانسیون متصل است، محافظ جریان دنباله صفر عمل می‌کند: محدوده زمانی اول مدارکننده میله مرتبط یا مدارکننده بخش را قطع می‌کند و دستگاه تغذیه پشتیبان خودکار (به اختصار "تغذیه پشتیبان") را مسدود می‌کند؛ محدوده زمانی دوم مدارکننده‌های همان سمت ترانسفورماتور زمین‌گیری و ترانسفورماتور تغذیه را قطع می‌کند.

• وقتی ترانسفورماتور زمین‌گیری به خط متناظر ترانسفورماتور تغذیه متصل است، محافظ جریان دنباله صفر عمل می‌کند: محدوده زمانی اول مدارکننده میله مرتبط یا مدارکننده بخش را قطع می‌کند و دستگاه تغذیه پشتیبان را مسدود می‌کند؛ محدوده زمانی دوم مدارکننده همان سمت ترانسفورماتور تغذیه را قطع می‌کند؛ محدوده زمانی سوم مدارکننده‌های تمام سطوح ترانسفورماتور تغذیه را قطع می‌کند.

۲.۳ تحلیل عملکرد محافظ جریان ترانسفورماتور زمین‌گیری

تحلیل پیکربندی محافظ ترانسفورماتور زمین‌گیری نشان می‌دهد که حالت‌های قطع محافظ جریان دو‌فازی و دنباله صفر تفاوت‌های قابل توجهی دارند: محافظ دنباله صفر در حین عملکرد دستگاه تغذیه پشتیبان را مسدود می‌کند، در حالی که محافظ دو‌فازی این کار را انجام نمی‌دهد.

اگر جریان دنباله صفر اندازه‌گیری شده توسط دستگاه محافظ به مقدار عملکرد برسد و خطا زمینی رخ دهد (با ترانسفورماتور زمین‌گیری به عنوان تنها مسیر جریان دنباله صفر در سیستم زمین‌گیری با مقاومت کوچک)، دستگاه خطا را تشخیص می‌دهد اما نمی‌تواند محل آن را تعیین کند. اگر خطا در خط خروجی باشد، بعد از قطع ترانسفورماتور زمین‌گیری توسط محافظ، دستگاه تغذیه پشتیبان به میله پشتیبان تغییر می‌کند. اگر میله پشتیبان دوباره به خط خطا بسته شود، ترانسفورماتور زمین‌گیری موجود در آن همچنان جریان دنباله صفر را تشخیص می‌دهد و دوباره عمل می‌کند. چون دستگاه تغذیه پشتیبان هنوز شارژ نشده است، محدوده قطع برق ممکن است گسترش یابد. بنابراین، محافظ دنباله صفر باید دستگاه تغذیه پشتیبان را مسدود کند.

وقتی محافظ دو‌فازی عمل می‌کند (اما محافظ دنباله صفر نمی‌کند)، دستگاه تشخیص می‌دهد که خطا کوتاه‌مداری دو‌فازی در خود ترانسفورماتور زمین‌گیری است. این محافظ ترانسفورماتور زمین‌گیری را قطع می‌کند، مدارکننده همان سمت ترانسفورماتور تغذیه را موازی قطع می‌کند و دستگاه تغذیه پشتیبان به میله پشتیبان تغییر می‌کند. چون خطا در ترانسفورماتور زمین‌گیری قطع شده است، میله پشتیبان دوباره به خط عادی متصل می‌شود و برق باز می‌گردد.

به طور خلاصه، محافظ‌های جریان دو‌فازی و دنباله صفر ترانسفورماتور زمین‌گیری در تشخیص دلیل و محل خطا تفاوت‌های قابل توجهی دارند و نیاز به تنظیمات و پیکربندی‌های متفاوتی دارند. با این حال، در حالت خطا زمینی، محافظ دو‌فازی ممکن است به دلیل تشخیص جزء دنباله صفر عمل نادرست انجام دهد. با توجه به منطق‌های مختلف تغذیه پشتیبان، عمل نادرست ممکن است محدوده خطا را گسترش دهد یا حتی منجر به قطع کامل برق زیرستانسیون شود.

۳ تحلیل مورد
۳.۱ فرآیند خطا

نمودار اتصال اصلی یک زیرستانسیون ۱۱۰ کیلوولت در شکل ۲ نشان داده شده است. قبل از خطا، مدارکننده ۰۱۸ سمت پایین ولتاژ ترانسفورماتور ۱ بسته بود، مدارکننده ۰۳۲ سمت پایین ولتاژ ترانسفورماتور ۲ بسته بود و مدارکننده ۰۳۴ در وضعیت تست بود.

در ساعت ۰۶:۱۴ روز ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۳، محافظ جریان بیش از حد بخش اول ترانسفورماتور زمین‌گیری شماره ۲ فعال شد و مدارکننده ۰۲۲ ترانسفورماتور زمین‌گیری شماره ۲ را قطع کرد. در عین حال، مدارکننده ۰۳۲ سمت پایین ولتاژ ترانسفورماتور ۲ را قطع کرد و باعث قطع برق میله‌های ده کیلوولت بخش دوم و سوم شد. دستگاه تغذیه پشتیبان خودکار (تغذیه پشتیبان) عمل کرد و مدارکننده ۰۲۰ میله مرتبط بخش اول/دوم ده کیلوولت را بست.

در ساعت ۰۶:۳۶، محافظ جریان بیش از حد بخش اول ترانسفورماتور زمین‌گیری شماره ۱ فعال شد و مدارکننده ۰۱۵ ترانسفورماتور زمین‌گیری شماره ۱ را قطع کرد. در عین حال، مدارکننده ۰۱۸ سمت پایین ولتاژ ترانسفورماتور ۱ را قطع کرد و باعث قطع برق میله‌های ده کیلوولت بخش اول، دوم و سوم شد. دستگاه تغذیه پشتیبان خودکار (تغذیه پشتیبان) سپس مدارکننده ۰۳۲ سمت پایین ولتاژ ترانسفورماتور ۲ و مدارکننده ۰۲۲ ترانسفورماتور زمین‌گیری شماره ۲ را بست. با این حال، خطا ادامه یافت و محافظ جریان بیش از حد بخش اول ترانسفورماتور زمین‌گیری شماره ۲ دوباره فعال شد. مدارکننده ۰۲۲ قطع شد و مدارکننده ۰۳۲ را قطع کرد و در نهایت باعث قطع کامل برق سیستم ده کیلوولت زیرستانسیون شد.

۳.۲ نتایج بررسی تجهیزات محلی
یافته‌های بررسی تجهیزات اصلی:

• بدنه ترانسفورماتور زمین‌گیری: هیچ ناهماهنگی در ترانسفورماتورهای زمین‌گیری شماره ۱ و ۲ مشاهده نشد و هیچ نشانه‌ای از خطا در پیچش‌ها یا هسته‌ها وجود نداشت.

• فاصله PT میله ده کیلوولت بخش سوم (سوییچگیری ۰۴۰):

• نشانه‌های آبی روی پوشش بالایی کابینه سوییچگیری وجود داشت که نشان‌دهنده نفوذ آب باران بود.

• آبستنی شدید در موقعیت فاز C در بخش پرده برابر دستگاه، با دو سوراخ در پرده بالایی.

• صندوق تماس ثابت فاز C و تماس ثابت آتش‌سوزی و خراب شده بود و آب مایع در داخل صندوق تجمع یافته بود.

• نشانه‌های سوختگی قوس الکتریکی در تماس‌های متحرک فاز C بالا و پایین دستگاه ضدعفونی‌کننده، فنرهای آرام شده و استوانه‌های عایق تماس خراب شده بود.

• پوشش عایقی خارجی میله فاز C در بخش میله سوخته و شکسته بود. نفوذ آب در منطقه فاز C پشت‌بام بخش میله مشاهده شد و قطرات آب روی حسگر نمایش زنده بود.

• مقدار کمی آب در قسمت پایین کابینه PT تجمع یافته بود، در حالی که PT‌های سه‌فاز هیچ ناهماهنگی بیرونی واضحی نداشتند.

نفوذ آب باران از سازه فولادی بالای بخش PT میله ده کیلوولت بخش سوم به کابینه سوییچگیری نفوذ کرد و باعث کاهش عایق‌بندی شد و خطا تک‌فازی-زمینی در فاز C ایجاد شد که به خطا فلزی تبدیل شد. در سیستم زمین‌گیری با مقاومت کم، ترانسفورماتور زمین‌گیری شماره ۲ جریان‌های دنباله صفر حدود ۴.۳ آمپر/فاز (بیش از تنظیم ۲.۵ آمپر محافظ جریان بیش از حد بخش اول) را تشخیص داد و عمل کرد. محافظ جریان بیش از حد دستگاه تغذیه پشتیبان ده کیلوولت را مسدود نکرد و باعث عملکردهای مکرر شد. قطع نهایی باعث شد که دستگاه تغذیه پشتیبان بدون شارژ بماند و قطع کامل برق ده کیلوولت رخ دهد.

علت اصلی: کلمه کنترل "لغو دنباله صفر جریان فاز" غیرفعال بود (به ۰ تنظیم شده بود)، که از فیلتر کردن نرم‌افزاری جزء دنباله صفر در جریان‌های فاز جلوگیری می‌کرد. با جریان دنباله صفر ۱۳ آمپر، محافظ جریان بیش از حد عمل نادرست انجام داد. اگر این کلمه کنترل به درستی فعال شده بود، خطا پیش‌گیری می‌شد. به جای آن، محافظ جریان بیش از حد دنباله صفر بخش اول (به ۱.۴ آمپر تنظیم شده) عمل کرد: محدوده زمانی اول مدارکننده میله مرتبط را قطع کرد و دستگاه تغذیه پشتیبان را مسدود کرد؛ محدوده زمانی دوم مدارکننده‌های ترانسفورماتور زمین‌گیری و ترانسفورماتور اصلی را قطع کرد و ب