Pagsusuri ng Kaso sa Maliit na Paggamit ng Overcurrent Protection Relay ng Grounding Transformer

Ang mode ng neutral grounding tumutukoy sa koneksyon sa pagitan ng neutral point ng power system at lupa. Sa mga sistema ng 35 kV at ibaba sa China, ang mga karaniwang pamamaraan ay kasama ang ungrounded neutral, arc-suppression coil grounding, at small-resistance grounding. Ang ungrounded mode ay malawakang ginagamit dahil nagbibigay ito ng maikling panahon ng operasyon habang may single-phase grounding fault, samantalang ang small-resistance grounding ay naging mainstream dahil sa mabilis na pag-aalis ng fault at paghahadlang sa overvoltage. Maraming substation ang nag-install ng grounding transformers upang i-retrofit ang neutral grounding, ngunit ang pagbabago sa mga katangian ng fault ay nakakaapekto sa relay protection, na nagpapabigat sa malaking panganib ng malisyong operasyon o pagtanggi.

Ang papel na ito ay ipinakilala ang mga prinsipyo at katangian ng grounding transformer, inilarawan ang kasalukuyang configuration/setting ng current protection sa mga small-resistance systems, analisa ng mga sanhi ng malisyong operasyon, at ginamit ang isang kaso ng single-phase grounding upang diseksiyon ng mga aksyon ng protection at ugat ng pagkakamali. Ito ay nagbibigay ng mga sanggunian para sa pag-handle/prevention ng fault, lumalim sa pag-unawa ng mga staff ng maintenance, nagpapataas ng epektividad ng troubleshooting, at nagwawala ng mga potensyal na panganib.

Prinsipyo ng Paggana ng Earthing Transformer

Sa proseso ng pagbabago ng isang substation na may delta-connected, neutral-ungrounded system sa isang small-resistance grounding system, upang ipasok ang isang neutral point, ang pinakakaraniwang praktika ay magdagdag ng earthing transformer sa busbar. Kasalukuyan, ang Z-type earthing transformer ang pangkalahatang pinili upang ipasok ang grounding point. Susunod, ang prinsipyo ng paggana ng Z-type earthing transformer ay sasalamin.

Ang Z-type earthing transformer ay estruktural na kapareho ng isang normal na power transformer. Gayunpaman, ang winding sa bawat phase core ay nahahati sa dalawang bahagi na may pantay na bilang ng turns, itaas at ibaba, na konektado sa zig-zag shape. Ang kanyang wiring method ay ipinakita sa Figure 1.

Kapag may ground short-circuit, ang zero-sequence current ay umagos sa loob via ang neutral point. Ang zig-zag connection ng Z-type earthing transformer ay gumagawa ng upper at lower winding zero-sequence currents na kontra sa bawat isa, nagcacancel ng magnetic fluxes at minimizes ang zero-sequence impedance upang iwasan ang sobrang arc-grounding overvoltage. Para sa positive/negative-sequence currents, ang kanyang conventional transformer-like electromagnetic properties ay lumilikha ng mataas na impedance, naghihigpit sa kanilang pag-agos.

Sa normal na operasyon, ang earthing transformer ay tumatakbo malapit sa no-load (walang secondary load). Sa panahon ng ground fault, ang positive, negative, at zero-sequence fault currents ay dumaan sa kanya. Dahil sa "high positive/negative-sequence, low zero-sequence impedance", ang protective device ay pangunihin na sumusukat ng zero-sequence current ng grid.

2 Configuration at Analisis ng Current Protection para sa Earthing Transformers

Ang typical na current protection ng earthing transformer ay kasama ang phase-to-phase at zero-sequence current protection. Narito ang pagkakahati:

2.1 Setting ng Phase-to-Phase Current Protection
2.1.1 Setting Principles

Ang proteksiyon na ito ay kasama ang instantaneous trip at over-current protection:

• Instantaneous Trip: Mag-coordinate sa backup over-current protection ng power supply transformer sa parehong side. Siguruhin ang sensitivity sa two-phase short-circuits (minimum operation mode) at iwasan ang inrush currents (7–10× earthing transformer rated current) at low-voltage side fault currents.

• Over-Current Protection: Itakda upang iwasan ang rated current ng earthing transformer at maximum fault phase current sa external single-phase grounding, siguradong reliable.

• Operation Logic: Ang instantaneous trip ay agad na aktibo (walang delay); ang over-current protection (backup para sa phase-to-phase shorts) ay may maikling delay at mas mababang settings para sa leveled coordination.

2.1.2 Tripping Modes

Batay sa koneksyon ng earthing transformer sa power supply transformer:

• Connected sa low-voltage bus: Ang instantaneous trip/over-current protection ay trips ang same-side circuit breaker upang mabilis na i-isolate ang mga fault.

• Connected sa low-voltage lead: Ang protection ay trips ang all-side circuit breakers upang putulin ang fault path at iwasan ang escalation.

2.2 Setting ng Zero-Sequence Current Protection para sa Earthing Transformers
2.2.1 Setting Principles

• Ang current setting value ay dapat tiyakin ang sapat na sensitivity kapag may single-phase-to-ground fault.

• Mag-cooperate sa setting value ng long-delay protection para sa full-line sensitivity ng lower-level zero-sequence current protection.

• Para sa first time limit ng zero-sequence current, dapat isipin ang pag-iwas sa successive occurrence ng single-phase-to-ground faults sa dalawang lines.

• Ang operating time ay dapat mas mahaba kaysa sa maximum operating time ng Section Ⅱ ng zero-sequence current ng bawat connected component ng bus.

Dahil ang zero-sequence current protection ng earthing transformer ay hindi nagsisilbing main protection, may tatlong time limits, na ipinakita sa ibaba:

Sa formula: t0¹, t0², t0³ ang 1st, 2nd, at 3rd time limits ng zero-sequence current protection ng earthing transformer, respectively; t_0I' ang time setting value ng Section I ng zero-sequence current ng outgoing line; t_0II' ang pinakamahabang time setting value ng Section II ng zero-sequence current protection ng lahat ng equipment sa busbar maliban sa earthing transformer; Δt ay itinalaga bilang 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Tripping Modes

• Kapag ang earthing transformer ay konektado sa corresponding busbar ng substation, ang zero-sequence current protection ay nag-operate: ang 1st time limit trips ang bus tie circuit breaker o section circuit breaker at blocks ang automatic standby power supply input device (tinatawag na "automatic standby input" para sa maikling salita); ang 2nd time limit trips ang circuit breakers sa same side ng earthing transformer at power supply transformer.

• Kapag ang earthing transformer ay konektado sa corresponding lead ng power supply transformer, ang zero-sequence current protection ay nag-operate: ang 1st time limit trips ang bus tie circuit breaker o section circuit breaker at blocks ang automatic standby input; ang 2nd time limit trips ang circuit breaker sa same side ng power supply transformer; ang 3rd time limit trips ang circuit breakers sa all sides ng power supply transformer.

2.3 Analisis ng Operation ng Current Protection para sa Earthing Transformers

Ang analisis ng configuration ng earthing transformer protection ay nagpapakita ng malaking pagkakaiba sa tripping modes sa pagitan ng phase-to-phase at zero-sequence current protections: ang zero-sequence protection ay blocks ang auto-standby input sa panahon ng operasyon, habang ang phase-to-phase protection ay hindi.

Kapag ang zero-sequence current na sinusukat ng protective device ay umabot sa operation value at may ground fault (sa small-resistance grounding system, ang earthing transformer ang tanging zero-sequence current path), ang device ay nakakadetect ng fault ngunit hindi makahanap ng lokasyon. Kung ang fault ay sa outgoing line, pagkatapos ng protection trips ang earthing transformer, ang auto-standby input ay lumilipat sa standby busbar. Kung ang standby busbar ay recloses sa faulty line, ang earthing transformer sa ito ay patuloy na nakakadetect ng zero-sequence current, nagtrigger ng another trip. Dahil ang auto-standby input ay hindi pa tapos ang charging, maaaring lumaki ang outage range. Kaya, ang zero-sequence protection ay kailangang block ang auto-standby input.

Kapag ang phase-to-phase protection ay nag-act (ngunit ang zero-sequence protection ay hindi), ang device ay nag-judge ng phase-to-phase short-circuit sa sarili ng earthing transformer. Ito trips ang earthing transformer, parallel-trips ang same-side circuit breaker ng power supply transformer, at ang auto-standby input ay lumilipat sa standby busbar. Dahil ang fault ay sa tripped earthing transformer, ang standby busbar ay reconnects sa normal line, na nagrestore ng power.

Sa kabuuan, ang phase-to-phase at zero-sequence current protections ng earthing transformers ay may malaking pagkakaiba sa fault cause at location judgment, kaya kailangan ng distinct settings at configurations. Gayunpaman, sa panahon ng ground short-circuit, ang phase-to-phase protection ay maaaring misoperate dahil sa measured zero-sequence components. Dahil sa kanilang iba't ibang auto-standby input logics, ang misoperation ay maaaring lumaki ang fault range o kahit na magdulot ng full-substation blackout.

3 Case Analysis
3.1 Fault Process

Ang primary wiring diagram ng 110 kV substation ay ipinakita sa Figure 2. Bago ang fault, ang low-voltage side 018 circuit breaker ng Transformer 1 ay closed, ang low-voltage side 032 circuit breaker ng Transformer 2 ay closed, at ang 034 circuit breaker ay nasa test position.

Noong 06:14 ng July 30, 2023, ang over-current I section protection ng No. 2 earthing transformer ay aktibo, tripping ang No. 2 earthing transformer 022 circuit breaker. Samantala, ito interlocks upang cut off ang low-voltage side 032 circuit breaker ng Transformer 2, nagresulta sa 10 kV Section II at III busbars na mawalan ng power. Ang automatic standby power supply (auto-standby) device ay nag-operate upang close ang 10 kV Section I/II bus tie 020 circuit breaker.

Noong 06:36, ang over-current I section protection ng No. 1 earthing transformer ay aktibo, tripping ang No. 1 earthing transformer 015 circuit breaker at interlocking upang cut off ang low-voltage side 018 circuit breaker ng Transformer 1, na nagresulta sa pagkawala ng power sa lahat ng 10 kV Section I, II, at III busbars. Ang auto-standby device ay pagkatapos ay closed ang low-voltage side 032 circuit breaker ng Transformer 2 at ang No. 2 earthing transformer 022 circuit breaker. Ngunit, ang fault ay patuloy, nagtrigger ng over-current I section protection ng No. 2 earthing transformer muli. Ang 022 circuit breaker ay tripped at interlocked upang cut off ang 032 circuit breaker, na nagresulta sa complete power outage sa 10 kV system ng substation.

3.2 On-site Equipment Inspection Results
Primary equipment inspection findings:

• Earthing transformer body: Walang anumang abnormalidad ang natuklasan sa No.1 at No.2 earthing transformers, walang malinaw na fault traces sa windings o cores.

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

• Malinaw na water stains sa top cover ng switchgear cabinet, na nagpapahiwatig ng rainwater infiltration.

• Severe ablation sa C-phase position ng handcart chamber shutter baffle, may dalawang through-holes sa upper shutter.

• Ang C-phase upper contact box at static contact ay charred at damaged, may liquid water na naka-accumulate sa loob ng box.

• Arc burn marks sa C-phase upper/lower moving contacts ng arrester handcart, annealed springs, at damaged contact arm insulating cylinders.

• Ang outer insulating sleeve ng C-phase busbar sa bus chamber ay burned at cracked. Water stain penetration ay observed sa C-phase area ng bus chamber backplate, at water droplets ay condensed sa live display sensor.

• A small amount of water accumulated at the bottom of the voltage transformer chamber, while the three-phase PTs showed no obvious external abnormalities.

Ang rainwater leakage mula sa steel support sa itaas ng 10 kV Section III bus PT chamber ay pumasok sa switchgear, nagdegrade ng insulation at nagresulta sa C-phase discharge na lumaki sa metallic ground fault. Sa low-resistance grounding system, ang No. 2 earthing transformer ay nakadetect ng zero-sequence currents ng ~4.3 A/phase (lumampas sa 2.5 A overcurrent I-section setting), nagtrigger ng tripping. Ang overcurrent protection ay hindi nag-block ng 10 kV auto-standby, nagresulta sa repeated operations. Ang final trip ay nag-leave ng auto-standby uncharged, nagresulta sa complete 10 kV outage.

Pangunahing contributing factor: Ang "phase current zero-sequence cancellation" control word ay disabled (set to "0"), na nagprevented ng software filtering ng zero-sequence components sa phase currents. May 13 A zero-sequence current, ang overcurrent protection ay misoperated. Properly enabled, ang kontrol na ito ay maaaring prevented ang fault. Instead, ang zero-sequence overcurrent protection I-section (set at 1.4 A) ay nag-operate: 1st time-limit tripped ang bus tie at blocked ang auto-standby; 2nd time-limit tripped ang earthing at main transformer breakers, isolating Sections II/III habang ang Section I ay nanatiling powered.

Root cause: Disabled zero-sequence cancellation control word allowed phase current misinterpretation.

4 Conclusion

Ang papel na ito ay naglalarawan ng settings ng earthing transformer protection, nag-analisa ng mga panganib ng malisyong operasyon sa taas ng zero-sequence currents, at ipinakita ang isang kaso. Upang iwasan ang recurrence:

• Enable ang software-based zero-sequence cancellation features (e.g., "phase current zero-sequence cancellation" control word) sa low-resistance grounding systems.

• Kung wala ang mga features na ito, optimize ang coordination sa pagitan ng overcurrent at zero-sequence protection settings.

Key takeaway: Proactive configuration ng protection software ay critical para iwasan ang misoperations sa panahon ng ground faults.