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

حالت زمین‌گذاری محايد به ارتباط بين نقطه محايد سيستم برق و زمين اشاره دارد. در سيستم‌هاي 35 کیلوولت و پايين‌تر در چين، روش‌هاي رایج شامل عدم زمین‌گذاری محايد، زمین‌گذاری با سیمکش خنثی و زمین‌گذاری با مقاومت کوچک است. حالت عدم زمین‌گذاری به دلیل اجازه عملکرد کوتاه‌مدت در مواقع خطا تک‌فازی، به طور گسترده استفاده می‌شود، در حالی که زمین‌گذاری با مقاومت کوچک به دلیل حذف سریع خطا و محدود کردن فشار بیش از حد، به جریان اصلی تبدیل شده است. بسیاری از زیرстанسیون‌ها ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری را برای بازنگری زمین‌گذاری محايد نصب می‌کنند، اما تغییر مشخصات خطا می‌تواند باعث اختلال در محافظت رله‌ای شود و موجب عملکرد نامناسب یا عدم عملکرد شود.

این مقاله اصول و مشخصات ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری را معرفی می‌کند، تنظیمات/پیکربندی محافظت جریان را در سيستم‌هاي مقاومت کوچک شرح می‌دهد، دلایل عملکرد نامناسب را تحلیل می‌کند و با استفاده از یک مورد خطا تک‌فازی، عملکرد محافظت و ریشه‌های خطا را تجزیه می‌کند. این مقاله مراجعی برای مدیریت/پیشگیری از خطا فراهم می‌کند، درک کارکنان نگهداری را عمیق‌تر می‌کند، کارایی تشخیص و رفع خطا را افزایش می‌دهد و خطرات بالقوه را حذف می‌کند.

اصول کار ترانسفورماتور زمین‌گذاری

در طی تبدیل یک زیرستانسیون با سیستم متصل به مثلث بدون زمین‌گذاری محاید به یک سیستم زمین‌گذاری با مقاومت کوچک، برای معرفی یک نقطه محاید، رایج‌ترین روش افزودن یک ترانسفورماتور زمین‌گذاری به خط اصلی است. در حال حاضر، معمولاً یک ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z برای معرفی نقطه زمین‌گذاری انتخاب می‌شود. در ادامه، اصول کار ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z تحلیل خواهد شد.

ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z از نظر ساختاری شبیه یک ترانسفورماتور قدرت عادی است. با این حال، پیچه هر فاز در دو بخش با تعداد دور مساوی، بالا و پایین، تقسیم شده و به صورت زیگزاگی متصل می‌شود. روش اتصال آن در شکل 1 نشان داده شده است.

وقتی که خرابی کوتاه‌مداری زمینی رخ می‌دهد، جریان دنباله‌ای صفر از طریق نقطه محاید وارد می‌شود. اتصال زیگزاگی ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z باعث می‌شود جریان‌های دنباله‌ای صفر بالا و پایین یکدیگر را خنثی کنند، مغناطیس‌های را لغو کنند و ممانعت از فشار بیش از حد ناشی از زمین‌گذاری قوسی را به حداقل برسانند. برای جریان‌های دنباله‌ای مثبت/منفی، خصوصیات الکترومغناطیسی آن مانند یک ترانسفورماتور عادی مقاومت بالایی ایجاد می‌کند و جریان آن‌ها را محدود می‌کند.

در حالت عملکرد معمولی، ترانسفورماتور زمین‌گذاری نزدیک به بدون بار (بدون بار ثانویه) کار می‌کند. در زمان خرابی زمینی، جریان‌های خطا دنباله‌ای مثبت، منفی و صفر از طریق آن عبور می‌کنند. به دلیل "مقاومت دنباله‌ای مثبت/منفی بالا، مقاومت دنباله‌ای صفر پایین"، دستگاه محافظت اصلی جریان دنباله‌ای صفر شبکه را اندازه‌گیری می‌کند.

2 پیکربندی و تحلیل محافظت جریان برای ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری

محافظت جریان ترانسفورماتور زمین‌گذاری معمولاً از محافظت جریان فاز-به-فاز و جریان دنباله‌ای صفر استفاده می‌کند. توضیحات به شرح زیر است:

2.1 تنظیم محافظت جریان فاز-به-فاز
2.1.1 اصول تنظیم

این محافظت شامل محافظت سریع و محافظت جریان بیش از حد است:

• سریع: با محافظت جریان بیش از حد پشتیبان ترانسفورماتور تغذیه در طرف یکسان هماهنگ شود. حساسیت در زمان خرابی دو فاز (حالت کمینه عملکرد) را تضمین کرده و از جریان‌های ناشی از تحریک (7-10 برابر جریان اسمی ترانسفورماتور زمین‌گذاری) و جریان‌های خطا در طرف پایین ولتاژ جلوگیری کند.

• جریان بیش از حد: تنظیم شود تا از جریان اسمی ترانسفورماتور زمین‌گذاری و بزرگترین جریان فاز خطا در زمان خرابی تک‌فازی خارجی جلوگیری کند و قابلیت اطمینان را تضمین کند.

• منطق عملکرد: محافظت سریع فوراً (بدون تأخیر) عمل می‌کند؛ محافظت جریان بیش از حد (پشتیبان خرابی فاز-به-فاز) با تأخیر کوتاه و تنظیمات کمتر برای هماهنگی سطحی عمل می‌کند.

2.1.2 حالت‌های قطع

بر اساس اتصال ترانسفورماتور زمین‌گذاری به ترانسفورماتور تغذیه:

• متصل به باربر پایین ولتاژ: محافظت سریع/جریان بیش از حد قطع‌کننده طرف یکسان را برای جدا کردن خرابی سریعاً قطع می‌کند.

• متصل به خط تغذیه پایین ولتاژ: محافظت تمام قطع‌کننده‌های طرف‌ها را برای قطع مسیر خرابی و جلوگیری از افزایش خرابی قطع می‌کند.

2.2 تنظیم محافظت جریان دنباله‌ای صفر برای ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری
2.2.1 اصول تنظیم

• مقدار تنظیم جریان باید حساسیت کافی را در زمان خرابی تک‌فازی-به-زمین تضمین کند.

• با مقدار تنظیم محافظت با تأخیر بلند برای حساسیت کامل خط محافظت جریان دنباله‌ای صفر سطح پایین هماهنگ شود.

• برای محدوده اول جریان دنباله‌ای صفر، باید از خرابی متوالی تک‌فازی-به-زمین در دو خط جلوگیری شود.

• زمان عملکرد باید بیشتر از بیشترین زمان عملکرد بخش دوم جریان دنباله‌ای صفر هر مؤلفه متصل به باربر باشد.

از آنجا که محافظت جریان دنباله‌ای صفر ترانسفورماتور زمین‌گذاری به عنوان محافظت اصلی عمل نمی‌کند، سه محدوده زمانی وجود دارد که به شرح زیر نشان داده شده است:

در فرمول: t0¹, t0², t0³ به ترتیب محدوده زمانی اول، دوم و سوم محافظت جریان دنباله‌ای صفر ترانسفورماتور زمین‌گذاری هستند؛ t_0I' مقدار تنظیم زمانی بخش اول جریان دنباله‌ای صفر خط خروجی است؛ t_0II' بیشترین مقدار تنظیم زمانی بخش دوم محافظت جریان دنباله‌ای صفر تمام تجهیزات روی باربر به جز ترانسفورماتور زمین‌گذاری است؛ Δt بین 0.2-0.5 ثانیه تنظیم می‌شود.

2.2.2 حالت‌های قطع

• وقتی که ترانسفورماتور زمین‌گذاری به باربر متناظر زیرستانسیون متصل می‌شود، محافظت جریان دنباله‌ای صفر عمل می‌کند: محدوده زمانی اول قطع‌کننده باربر یا بخش باربر را قطع می‌کند و دستگاه تغذیه پشتیبان خودکار (به اختصار "تغذیه پشتیبان") را مسدود می‌کند؛ محدوده زمانی دوم قطع‌کننده‌های طرف یکسان ترانسفورماتور زمین‌گذاری و ترانسفورماتور تغذیه را قطع می‌کند.

• وقتی که ترانسفورماتور زمین‌گذاری به خط تغذیه متناظر ترانسفورماتور تغذیه متصل می‌شود، محافظت جریان دنباله‌ای صفر عمل می‌کند: محدوده زمانی اول قطع‌کننده باربر یا بخش باربر را قطع می‌کند و تغذیه پشتیبان را مسدود می‌کند؛ محدوده زمانی دوم قطع‌کننده طرف یکسان ترانسفورماتور تغذیه را قطع می‌کند؛ محدوده زمانی سوم قطع‌کننده‌های تمام طرف‌های ترانسفورماتور تغذیه را قطع می‌کند.

2.3 تحلیل عملکرد محافظت جریان برای ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری

تحلیل پیکربندی محافظت ترانسفورماتور زمین‌گذاری نشان می‌دهد که حالت‌های قطع محافظت جریان فاز-به-فاز و جریان دنباله‌ای صفر تفاوت‌های قابل توجهی دارند: محافظت جریان دنباله‌ای صفر در زمان عملکرد تغذیه پشتیبان را مسدود می‌کند، در حالی که محافظت جریان فاز-به-فاز این کار را انجام نمی‌دهد.

اگر جریان دنباله‌ای صفر اندازه‌گیری شده توسط دستگاه محافظت به مقدار عملکرد برسد و خرابی زمینی رخ دهد (با ترانسفورماتور زمین‌گذاری به عنوان تنها مسیر جریان دنباله‌ای صفر در یک سیستم زمین‌گذاری با مقاومت کوچک)، دستگاه خرابی را تشخیص می‌دهد اما محل آن را تعیین نمی‌کند. اگر خرابی در خط خروجی باشد، بعد از قطع ترانسفورماتور زمین‌گذاری توسط محافظت، تغذیه پشتیبان به باربر پشتیبان تغییر می‌کند. اگر باربر پشتیبان دوباره به خط خراب شده متصل شود، ترانسفورماتور زمین‌گذاری روی آن همچنان جریان دنباله‌ای صفر را تشخیص می‌دهد و مجدداً عمل می‌کند. از آنجا که تغذیه پشتیبان هنوز شارژ نشده است، محدوده قطع برق می‌تواند افزایش یابد. بنابراین، محافظت جریان دنباله‌ای صفر باید تغذیه پشتیبان را مسدود کند.

وقتی محافظت جریان فاز-به-فاز عمل می‌کند (اما محافظت جریان دنباله‌ای صفر نمی‌کند)، دستگاه تشخیص می‌دهد که خرابی کوتاه‌مداری فاز-به-فاز در خود ترانسفورماتور زمین‌گذاری است. ترانسفورماتور زمین‌گذاری را قطع می‌کند، قطع‌کننده طرف یکسان ترانسفورماتور تغذیه را موازی قطع می‌کند و تغذیه پشتیبان به باربر پشتیبان تغییر می‌کند. چون خرابی در ترانسفورماتور زمین‌گذاری قطع شده است، باربر پشتیبان به خط عادی متصل می‌شود و تغذیه برق احیا می‌شود.

به طور خلاصه، محافظت‌های جریان فاز-به-فاز و جریان دنباله‌ای صفر ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری در تشخیص دلیل و محل خرابی تفاوت‌های قابل توجهی دارند و نیاز به تنظیمات و پیکربندی‌های متفاوتی دارند. با این حال، در زمان خرابی کوتاه‌مداری زمینی، محافظت جریان فاز-به-فاز ممکن است به دلیل تشخیص مؤلفه‌های دنباله‌ای صفر عمل نامناسبی داشته باشد. با توجه به منطق‌های مختلف تغذیه پشتیبان، عمل نامناسب می‌تواند محدوده خرابی را افزایش دهد یا حتی باعث قطع کامل برق زیرستانسیون شود.

3 تحلیل موردی
3.1 فرآیند خرابی

نمودار اتصال اصلی یک زیرستانسیون 110 کیلوولت در شکل 2 نشان داده شده است. قبل از خرابی، قطع‌کننده 018 طرف پایین ولتاژ ترانسفورماتور شماره 1 بسته بود، قطع‌کننده 032 طرف پایین ولتاژ ترانسفورماتور شماره 2 بسته بود و قطع‌کننده 034 در وضعیت تست بود.

در ساعت 06:14 روز 30 ژوئیه 2023، محافظت جریان بیش از حد بخش اول ترانسفورماتور زمین‌گذاری شماره 2 فعال شد و قطع‌کننده 022 ترانسفورماتور زمین‌گذاری شماره 2 را قطع کرد. در عین حال، به صورت همزمان قطع‌کننده 032 طرف پایین ولتاژ ترانسفورماتور شماره 2 را قطع کرد و باعث قطع برق باربرهای 10 کیلوولت بخش II و III شد. دستگاه تغذیه پشتیبان خودکار (تغذیه پشتیبان) عمل کرد و قطع‌کننده باربر 10 کیلوولت بخش I/II 020 را بست.

در ساعت 06:36، محافظت جریان بیش از حد بخش اول ترانسفورماتور زمین‌گذاری شماره 1 فعال شد و قطع‌کننده 015 ترانسفورماتور زمین‌گذاری شماره 1 را قطع کرد و به صورت همزمان قطع‌کننده 018 طرف پایین ولتاژ ترانسفورماتور شماره 1 را قطع کرد و باعث قطع برق تمام باربرهای 10 کیلوولت بخش I، II و III شد. دستگاه تغذیه پشتیبان خودکار سپس قطع‌کننده 032 طرف پایین ولتاژ ترانسفورماتور شماره 2 و قطع‌کننده 022 ترانسفورماتور زمین‌گذاری شماره 2 را بست. با این حال، خرابی ادامه داشت و محافظت جریان بیش از حد بخش اول ترانسفورماتور زمین‌گذاری شماره 2 مجدداً فعال شد. قطع‌کننده 022 قطع شد و به صورت همزمان قطع‌کننده 032 را قطع کرد و در نهایت باعث قطع کامل برق سیستم 10 کیلوولت زیرستانسیون شد.

3.2 نتایج بررسی تجهیزات محلی
یافته‌های بررسی تجهیزات اصلی:

• بدنه ترانسفورماتور زمین‌گذاری: هیچ ناهماهنگی در ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری شماره 1 و 2 یافت نشد و هیچ نشانه واضحی از خرابی در پیچه‌ها یا هسته‌ها وجود نداشت.

• فاصله PT باربر 10 کیلوولت بخش III (سوییچگر 040):

• نشانه‌های آبی روی پوشش بالایی کابین سوییچگر، نشان‌دهنده نفوذ آب باران است.

• آبکشی شدید در موقعیت فاز C در جداره بلوک‌بندی دستگاه، با دو سوراخ در بلوک‌بندی بالایی.

• جعبه تماس بالایی فاز C و تماس ثابت آن سوخته و آسیب دیده بود، با تجمع آب مایع در داخل جعبه.

• نشانه‌های سوختگی قوس الکتریکی در تماس‌های متحرک بالا/پایین فاز C در دستگاه محافظ، فنرهای آن‌ها آرام شده و استوانه‌های عایق تماس آسیب دیده بودند.

• پوشش عایق خارجی شین فاز C در بخش باربر سوخته و شکسته شده بود. نفوذ آب در ناحیه فاز C پشتی بخش باربر مشاهده شد و قطرات آب روی سنسور نمایش زنده بود.

• مقدار کمی آب در پایین بخش PT ترانسفورماتور ولتاژ تجمع یافته بود، در حالی که PT‌های سه‌فازی هیچ ناهماهنگی بیرونی واضحی نداشتند.

تقطیر آب از سندوهای فولادی بالای بخش PT باربر 10 کیلوولت بخش III وارد کابین سوییچگر شد، باعث کاهش عایق شد و منجر به تخلیه فاز C که به خرابی فلزی تبدیل شد. در سیستم زمین‌گذاری با مقاومت کم، ترانسفورماتور زمین‌گذاری شماره 2 جریان‌های دنباله‌ای صفر حدود 4.3 آمپر/فاز (بیش از تنظیم 2.5 آمپر بخش اول جریان بیش از حد) را تشخیص داد و عمل کرد. محافظت جریان بیش از حد 10 کیلوولت تغذیه پشتیبان را مسدود نمی‌کند، منجر به تکرار عملیات شد. قطع نهایی باعث شد تغذیه پشتیبان شارژ نشده بماند و باعث قطع کامل 10 کیلوولت شد.

عامل کلیدی: کلمه کنترل "لغو دنباله‌ای صفر جریان فاز" غیرفعال بود (تنظیم شده به "0")، که جلوگیری از فیلتر نرم‌افزاری مؤلفه‌های دنباله‌ای صفر در جریان‌های فازی را می‌کرد. با جریان دنباله‌ای صفر 13 آمپر، محافظت جریان بیش از حد عمل نامناسبی داشت. با فعال کردن صحیح این کلمه کنترل، خرابی جلوگیری می‌شد. به جای آن، بخش اول محافظت جر