Análise de Caso sobre a Má Funcionamento do Relé de Protecção de Sobrecorrente do Transformador de Aterramento

O modo de aterramento neutro refírese á conexión entre o punto neutro do sistema eléctrico e o terreo. Nos sistemas chineses de 35 kV e inferior, os métodos comúns inclúen neutro non aterrado, aterramento con bobina de supresión de arcos e aterramento con resistencia pequena. O modo non aterrado é amplamente utilizado xa que permite a operación a curto prazo durante fallos de aterramento monofásico, mentres que o aterramento con resistencia pequena converteuse no mainstream pola súa rápida eliminación de fallos e limitación de sobretensión. Muitas subestacións instalan transformadores de aterramento para reformar o aterramento neutro, pero as características dos fallos cambiantes afectan á protección por relés, arriscando operación incorrecta ou rexeitación.

Este artigo introduce os principios e características dos transformadores de aterramento, expón a configuración/axuste da protección actual en sistemas de resistencia pequena, analiza as causas de operación incorrecta, e toma un caso de aterramento monofásico para diseccionar as accións de protección e as raíces das fallas. Proporciona referencias para o manexo/prevención de fallos, profundiza a comprensión do persoal de mantemento, aumenta a eficiencia na resolución de problemas e elimina potenciais perigos.

Principio de funcionamento do transformador de aterramento

Durante a transformación dunha subestación con un sistema conectado en triángulo, neutro non aterrado, nun sistema de aterramento con resistencia pequena, para introducir un punto neutro, a práctica máis común é engadir un transformador de aterramento na barramenta. Actualmente, xeralmente seleccionase un transformador de aterramento tipo Z para introducir o punto de aterramento. A continuación, analizarase o principio de funcionamento do transformador de aterramento tipo Z.

O transformador de aterramento tipo Z é estruturalmente semellante a un transformador de potencia ordinario. No entanto, o enrolamento en cada núcleo de fase está dividido en dúas partes con voltas iguais, superior e inferior, que están conectadas en forma de zig-zag. O seu método de conexión amóstrase na Figura 1.

Cando ocorre un cortocircuíto ao terra, a corrente de secuencia cero flúe a través do punto neutro. A conexión en zig-zag do transformador de aterramento tipo Z fai que as correntes de secuencia cero superiores e inferiores se opongan, anulando os fluxos magnéticos e minimizando a impedancia de secuencia cero para evitar sobretensión excesiva de aterramento de arco. Para as correntes de secuencia positiva/negativa, as súas propiedades electromagnéticas similares a un transformador convencional crean alta impedancia, restrinxindo a súa fluída.

Baixo operación normal, o transformador de aterramento funciona preto de sen carga (sen carga secundaria). Durante un fallo de aterramento, as correntes de fallo de secuencia positiva, negativa e cero pasan a través del. Debido a "alta impedancia de secuencia positiva/negativa, baixa impedancia de secuencia cero", o dispositivo de protección principalmente mide a corrente de secuencia cero da rede.

2 Configuración e análise da protección de corrente para transformadores de aterramento

A protección de corrente dos transformadores de aterramento xeralmente utiliza protección de corrente fase a fase e protección de corrente de secuencia cero. Aquí está a descomposición:

2.1 Axuste da protección de corrente fase a fase
2.1.1 Principios de axuste

Esta protección inclúe disparo instantáneo e protección contra sobrecorrente:

• Disparo Instantáneo: Coordinar coa protección de sobrecorrente de respaldo do transformador de alimentación no mesmo lado. Assegurar sensibilidade durante cortocircuitos bifásicos (modo mínimo de operación) e evitar correntes de inrush (7-10× corriente nominal do transformador de aterramento) e corrientes de fallo no lado de baixa tensión.

• Protección contra Sobrecorrente: Establecer para evitar a corriente nominal do transformador de aterramento e a corriente de fase máxima durante o aterramento monofásico externo, asegurando a fiabilidade.

• Lóxica de Operación: O disparo instantáneo actúa inmediatamente (sen retardo); a protección contra sobrecorrente (respaldo para cortocircuitos fase a fase) ten un breve retardo e axustes menores para coordinación nivelada.

2.1.2 Modos de disparo

Baseándose na conexión do transformador de aterramento ao transformador de alimentación:

• Conectado á barramenta de baixa tensión: Disparo instantáneo/protección contra sobrecorrente dispara o interruptor do mesmo lado para isolar os fallos rapidamente.

• Conectado ao condutor de baixa tensión: Protección dispara todos os interruptores de lado para cortar a ruta de fallo e evitar a escalada.

2.2 Axuste da protección de corrente de secuencia cero para transformadores de aterramento
2.2.1 Principios de axuste

• O valor de axuste de corrente debe asegurar suficiente sensibilidade cando ocorre un fallo de aterramento monofásico.

• Cooperar co valor de axuste da protección de longa duración para a sensibilidade total da corrente de secuencia cero de nivel inferior.

• Para o primeiro límite de tempo de corrente de secuencia cero, debe considerarse evitar a ocurrencia sucesiva de fallos de aterramento monofásico en dúas liñas.

• O tempo de operación debe ser maior que o tempo máximo de operación da Sección II de corrente de secuencia cero de cada componente conectado da barramenta.

Xa que a protección de corrente de secuencia cero do transformador de aterramento non serve como a protección principal, hai tres límites de tempo, que amóstranse a continuación:

Na fórmula: t0¹, t0², t0³ son os 1º, 2º e 3º límites de tempo da protección de corrente de secuencia cero do transformador de aterramento respectivamente; t_0I' é o valor de axuste de tempo da Sección I da corrente de secuencia cero da liña de saída; t_0II' é o valor de axuste de tempo máis longo da Sección II da protección de corrente de secuencia cero de todo o equipo na barramenta excepto o transformador de aterramento; Δt está establecido como 0,2 - 0,5 s.

2.2.2 Modos de disparo

• Cando o transformador de aterramento está conectado á correspondente barramenta da subestación, a protección de corrente de secuencia cero opera: o 1º límite de tempo dispara o interruptor de acoplamento de barramenta ou interruptor de sección e bloquea o dispositivo de entrada automática de reserva (denominado "entrada automática de reserva" de forma abreviada); o 2º límite de tempo dispara os interruptores do mesmo lado do transformador de aterramento e do transformador de alimentación.

• Cando o transformador de aterramento está conectado ao correspondiente conductor do transformador de alimentación, a protección de corrente de secuencia cero opera: o 1º límite de tempo dispara o interruptor de acoplamento de barramenta ou interruptor de sección e bloquea a entrada automática de reserva; o 2º límite de tempo dispara o interruptor do mesmo lado do transformador de alimentación; o 3º límite de tempo dispara os interruptores de todos os lados do transformador de alimentación.

2.3 Análise da operación da protección de corrente para transformadores de aterramento

A análise da configuración de protección do transformador de aterramento mostra diferenzas significativas nos modos de disparo entre a protección de corrente fase a fase e a protección de corrente de secuencia cero: a protección de secuencia cero bloquea a entrada automática de reserva durante a operación, mentres que a protección fase a fase non o fai.

Se a corrente de secuencia cero medida polo dispositivo de protección alcanza o valor de operación e ocorre un fallo de aterramento (con o transformador de aterramento como a única ruta de corrente de secuencia cero nun sistema de aterramento de resistencia pequena), o dispositivo detecta o fallo pero non pode localizalo. Se o fallo está na liña de saída, despois de que a protección dispare o transformador de aterramento, a entrada automática de reserva cambia á barramenta de reserva. Se a barramenta de reserva recerra sobre a liña defectuosa, o transformador de aterramento nela aínda detecta corrente de secuencia cero, provocando outro disparo. Xa que a entrada automática de reserva non rematou a carga, o alcance da interrupción podería expandirse. Polo tanto, a protección de secuencia cero debe bloquear a entrada automática de reserva.

Cando a protección fase a fase actúa (pero a protección de secuencia cero non o fai), o dispositivo xudica un cortocircuíto bifásico no propio transformador de aterramento. Dispara o transformador de aterramento, dispara en paralelo o interruptor do mesmo lado do transformador de alimentación, e a entrada automática de reserva cambia á barramenta de reserva. Como o fallo está no transformador de aterramento disparado, a barramenta de reserva reconecta á liña normal, restabelecendo o suministro de enerxía.

En resumo, a protección de corrente fase a fase e a protección de corrente de secuencia cero dos transformadores de aterramento difiren enormemente na xulgada da causa e localización do fallo, requirindo axustes e configuracións distintos. No entanto, durante un cortocircuíto ao terra, a protección fase a fase pode operar incorrectamente debido aos componentes de secuencia cero medidos. Dadas as súas diferentes lóxicas de entrada automática de reserva, a operación incorrecta pode expandir o alcance do fallo ou incluso causar un apagón total da subestación.

3 Análise de caso
3.1 Proceso de fallo

O diagrama de conexiones primarias dunha subestación de 110 kV amóstrase na Figura 2. Antes do fallo, o interruptor 018 do lado de baixa tensión do Transformador 1 estaba pechado, o interruptor 032 do lado de baixa tensión do Transformador 2 estaba pechado, e o interruptor 034 estaba na posición de proba.

Ao ás 06:14 do 30 de xuño de 2023, a protección de sobrecorrente da Sección I do transformador de aterramento número 2 activouse, disparando o interruptor 022 do transformador de aterramento número 2. Ao mesmo tempo, actuou en cadea cortando o interruptor 032 do lado de baixa tensión do Transformador 2, provocando a perda de enerxía nas barramentas de 10 kV Sección II e III. O dispositivo de entrada automática de reserva (auto-standby) operou para pechar o interruptor de acoplamento de barramenta 10 kV Sección I/II 020.

Ao ás 06:36, a protección de sobrecorrente da Sección I do transformador de aterramento número 1 activouse, disparando o interruptor 015 do transformador de aterramento número 1 e actuando en cadea para cortar o interruptor 018 do lado de baixa tensión do Transformador 1, levando á perda de enerxía en todas as barramentas 10 kV Sección I, II e III. O dispositivo de auto-standby pechou entón o interruptor 032 do lado de baixa tensión do Transformador 2 e o interruptor 022 do transformador de aterramento número 2. Pero o fallo persistiu, activando de novo a protección de sobrecorrente da Sección I do transformador de aterramento número 2. O interruptor 022 disparou e actuou en cadea para cortar o interruptor 032, acabando por causar un apagón completo no sistema de 10 kV da subestación.

3.2 Resultados da inspección do equipo no lugar
Hallazgos da inspección do equipo primario:

• Cuerpo do transformador de aterramento: Non se atoparon anomalías nos transformadores de aterramento número 1 e 2, sen rastros evidentes de fallo nas bobinas ou núcleos.

• Intervalo PT da barramenta de 10 kV Sección III (armario 040):

• Manchas de auga evidentes na cuberta superior do armario, indicando infiltración de auga da chuva.

• Ablación severa na posición C da pantalla do compartimento do carrete, con dous orificios na pantalla superior.

• A caixa de contacto superior C e o contacto estático foron chamuscados e danados, con acumulación de auga líquida dentro da caixa.

• Marcas de arco de descarga nos contactos móbeis superior/inferior C do carrete do pararrayos, molas annealed, e cilindros de aislamento do brazo de contacto danados.

• A manga aislante exterior da barra C no compartimento de barras foi chamuscada e rajada. Observouse penetración de manchas de auga na área C da placa posterior do compartimento de barras, e gotas de auga condensadas no sensor de visualización de vida.

• Unha cantidade pequena de auga acumulada na base do compartimento do transformador de tensión, mentres que os PTs trifásicos non mostraron anomalias externas evidentes.

A filtración de auga da chuva desde o soporte de acero superior ao compartimento PT da barramenta de 10 kV Sección III infiltrouse no armario, degradando a aislación e causando un fallo de aterramento metálico na fase C. No sistema de aterramento de resistencia pequena, o transformador de aterramento número 2 detectou correntes de secuencia cero de ~4,3 A/fase (superando o axuste de 2,5 A da Sección I de sobrecorrente), activando o disparo. A protección contra sobrecorrente non bloquea o auto-standby de 10 kV, levando a operacións repetidas. O disparo final deixou o auto-standby sen cargar, causando un apagón completo de 10 kV.

Factor contributivo clave: A palabra de control "cancelación de secuencia cero da corrente de fase" estaba desactivada (establecida en "0"), impidindo o filtrado de software dos componentes de secuencia cero na corrente de fase. Con una corriente de secuencia cero de 13 A, a protección contra sobrecorrente operou incorrectamente. Adequadamente habilitada, esta controlaría haber evitado el fallo. En cambio, la protección de sobrecorrente de secuencia cero Sección I (ajustada a 1,4 A) operó: el primer tiempo de espera disparó el interruptor de acoplamiento de barras y bloqueó el auto-standby; el segundo tiempo de espera disparó los interruptores del transformador de aterramento y del transformador principal, aislando las Secciones II/III mientras la Sección I permanecía alimentada.

Causa raíz: La palabra de control de cancelación de secuencia cero deshabilitada permitió la interpretación errónea de la corriente de fase.

4 Conclusión

Este artículo detalla la configuración de la protección del transformador de aterramento, analiza los riesgos de operación incorrecta bajo corrientes de secuencia cero elevadas, y presenta un estudio de caso. Para prevenir la recurrencia:

• Habilitar funciones de cancelación de secuencia cero basadas en software (por ejemplo, la palabra de control "cancelación de secuencia cero de corriente de fase") en sistemas de aterramento de resistencia pequeña.

• Si tales funciones no están disponibles, optimizar la coordinación entre los ajustes de protección contra sobrecorrente y de secuencia cero.

Punto clave: La configuración proactiva del software de protección es crucial para prevenir operaciones incorrectas durante fallos de aterramento.