Analiza slučaja o nespravnom funkcioniranju releja zazaštite od preopterećenja zemljajućeg transformatora

Neutralni način zemljanja odnosi se na povezivanje neutralne točke sustava snage s zemljom. U kineskim sustavima od 35 kV i niže, uobičajeni su metodi poput nezemljenog neutrala, zemljenja s koščanjem, te zemljenja malim otpornikom. Nezemljeni način široko se koristi jer omogućuje kratkotrajnu radnju tijekom jednofaznih zemljanih grešaka, dok je zemljenje malim otpornikom postalo glavni tok zbog brzog uklanjanja grešaka i ograničenja preopterećenja. Mnoge pretvorbe instaliraju zemljene transformatore za nadogradnju neutralnog zemljenja, ali promijenjene karakteristike grešaka utječu na reljefnu zaštitu, čime se stvara rizik od pogrešnog radnog stanja ili odbijanja.

Ovaj rad uvodi principe i karakteristike zemljene transformatora, iznosi trenutnu konfiguraciju/postavljanje zaštite strujom u sustavima malog otpora, analizira uzroke pogrešnog radnja i uz primjer jednofaznog zemljenja razbira akcije zaštite i uzroke propusta. Pruža reference za obradu/sprečavanje grešaka, proširuje razumijevanje održavateljskog osoblja, unapređuje učinkovitost ispravljanja grešaka i eliminira potencijalne opasnosti.

Princip rada zemljene transformatora

Tijekom transformacije pretvorbe s delta-povezanom, neutralno-nezemljenom mrežom u sustav malog otpornog zemljenja, kako bi se uvela neutralna točka, najčešće se dodaje zemljena transformatora na busbar. Trenutno se obično bira Z-tip zemljena transformatora za uvođenje točke zemljenja. Dalje će se analizirati princip rada Z-tipa zemljene transformatora.

Z-tip zemljene transformatora strukturno je sličan običnom transformatoru snage. Međutim, svaki fazni jezgra je podijeljen na dvije dijelove s jednakim brojem zavoja, gornji i donji, koji su spojeni u crtežast oblik. Njegov način povezivanja prikazan je na slici 1.

Kada dođe do kraćenja na zemlju, nulti-sekvencijski struja prolazi kroz neutralnu točku. Crtežasto povezivanje Z-tipa zemljene transformatora čini da se gornji i donji nulte-sekvencijske struje suprotstavljaju, otklanjaju magnetne fluksa i minimiziraju nulte-sekvencijski impedanci kako bi se spriječilo prekomjerno preopterećenje pri kraćenju na zemlju. Za pozitivne/negativne sekvencijske struje, njegove konvencionalne elektromagnetske osobine stvaraju visok impedanc, ograničavajući njihov protok.

U normalnoj operaciji, zemljena transformatora radi blizu bez opterećenja (bez sekundarnog opterećenja). Tijekom greške na zemlji, pozitivne, negativne i nulte-sekvencijske greške struja prolaze kroz nju. Zbog "visokog pozitivnog/negativnog sekvencijskog, niskog nulte-sekvencijskog impedanca", uređaj za zaštitu uglavnom mjeri nulte-sekvencijsku struju mreže.

2 Konfiguracija i analiza strujne zaštite zemljene transformatora

Strujna zaštita zemljene transformatora obično koristi fazno-između-faza i nulte-sekvencijsku strujnu zaštitu. Evo detaljnog razlaganja:

2.1 Postavljanje faze-između-faza strujne zaštite
2.1.1 Principi postavljanja

Ova zaštita uključuje hitnu isključivanje i preopterećenje strujne zaštite:

• Hitna isključivanje: Koordinirati s rezervnom preopterećenjem strujom na istoj strani transformatora snage. Osigurati osjetljivost tijekom dvo-faznih kraćenja (minimalna operativna modalnost) i izbjegavati talasne struje (7-10× nominalna struja zemljene transformatora) i struje greške na strani niske napona.

• Preopterećenje strujne zaštite: Postaviti da izbjegne nominalnu struju zemljene transformatora i maksimalnu struju greške faze tijekom vanjskog jednofaznog zemljenja, osiguravajući pouzdanost.

• Logika radnja: Hitna isključivanje djeluje odmah (bez kašnjenja); preopterećenje strujne zaštite (rezervna za faze-između-faza kraćenja) ima kratko kašnjenje i niže postavke za razinu koordinacije.

2.1.2 Načini isključivanja

Temeljem povezivanja zemljene transformatora s transformatorom snage:

• Povezan s busom niske napona: Hitna isključivanje/preopterećenje strujne zaštite isključuje prekidnik iste strane kako bi brzo izolirao greške.

• Povezan s vodom niske napona: Zaštita isključuje sve prekidnike kako bi prekinula put greške i spriječila eskalaciju.

2.2 Postavljanje nulte-sekvencijske strujne zaštite za zemljene transformatora
2.2.1 Principi postavljanja

• Vrijednost postavljanja struje treba osigurati dovoljnu osjetljivost kada dođe do jednofaznog zemljenja.

• Saraditi s vrijednošću postavljanja dugog kašnjenja za punu dužinu linije osjetljivosti nulte-sekvencijske strujne zaštite niže razine.

• Za prvi rok nulte-sekvencijske struje, treba uzeti u obzir izbjegavanje uzastopnog pojavljivanja jednofaznih zemljanih grešaka na dvije linije.

• Vrijeme radnje treba biti duže od maksimalnog vremena radnje II odjeljka nulte-sekvencijske struje svakog povezanog komponenta busa.

Budući da nulte-sekvencijska strujna zaštita zemljene transformatora ne služi kao glavna zaštita, postoje tri roka, koji su prikazani sljedeće:

U formuli: t0¹, t0², t0³ su 1., 2. i 3. rok nulte-sekvencijske strujne zaštite zemljene transformatora redom; t_0I' je vrijeme postavljanja I odjeljka nulte-sekvencijske struje izlazne linije; t_0II' je najduža vrijednost postavljanja vremena II odjeljka nulte-sekvencijske strujne zaštite svih opreme na busu osim zemljene transformatora; Δt je postavljeno na 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Načini isključivanja

• Kada je zemljena transformatora povezana s odgovarajućim busom pretvorbe, nulte-sekvencijska strujna zaštita djeluje: 1. rok isključuje prekidnik vezanja busa ili prekidnik odjeljka i blokira uređaj automatske rezervne snage (kratko nazvan "automatska rezervna snaga"); 2. rok isključuje prekidnike iste strane zemljene transformatora i transformatora snage.

• Kada je zemljena transformatora povezana s odgovarajućom vodom transformatora snage, nulte-sekvencijska strujna zaštita djeluje: 1. rok isključuje prekidnik vezanja busa ili prekidnik odjeljka i blokira automatsku rezervnu snagu; 2. rok isključuje prekidnik iste strane transformatora snage; 3. rok isključuje prekidnike sva strana transformatora snage.

2.3 Analiza radnje strujne zaštite zemljene transformatora

Analiza konfiguracije zaštite zemljene transformatora pokazuje značajne razlike u načinima isključivanja između faze-između-faza i nulte-sekvencijske strujne zaštite: nulte-sekvencijska zaštita blokira automatsku rezervnu snagu tijekom radnje, dok faza-između-faza zaštita ne blokira.

Ako struja mjerena uređajem za zaštitu doseže vrijednost radnje i dođe do greške na zemlji (sa zemljene transformatorom kao jedinom putanjom nulte-sekvencijske struje u sustavu malog otpornog zemljenja), uređaj detektira grešku, ali ne može je lokirati. Ako je greška na izlaznoj liniji, nakon što zaštita isključi zemljenu transformatoru, automatska rezervna snaga prebacuje se na rezervni bus. Ako rezervni bus ponovo zatvori na grešku, zemljena transformatora na njemu još uvijek detektira nulte-sekvencijsku struju, što dovodi do novog isključivanja. Budući da automatska rezervna snaga nije dovršila punjenje, raspon isključivanja može se proširiti. Stoga, nulte-sekvencijska zaštita mora blokirati automatsku rezervnu snagu.

Kada faza-između-faza zaštita djeluje (ali nulte-sekvencijska zaštita ne), uređaj zaključuje da je došlo do dvofaznog kraćenja u samoj zemljenoj transformatoru. Isključuje zemljenu transformatoru, paralelno isključuje prekidnik iste strane transformatora snage, a automatska rezervna snaga prebacuje se na rezervni bus. Budući da je greška na isključenoj zemljenoj transformatoru, rezervni bus se ponovo spoji na normalnu liniju, vraćajući snagu.

Zaključno, faza-između-faza i nulte-sekvencijska strujna zaštita zemljene transformatora značajno se razlikuju u ocjeni uzroka i lokacije greške, zahtijevajući različite postavke i konfiguracije. Međutim, tijekom kraćenja na zemlji, faza-između-faza zaštita može pogrešno djelovati zbog mjerene nulte-sekvencijske komponente. S obzirom na njihove različite logike automatske rezervne snage, pogrešno djelovanje može proširiti raspon greške ili čak dovesti do cijelog isključivanja pretvorbe.

3 Analiza slučaja
3.1 Proces greške

Glavni dijagram povezivanja 110 kV pretvorbe prikazan je na slici 2. Prije greške, prekidnik niske napona 018 Transformatora 1 bio je zatvoren, prekidnik niske napona 032 Transformatora 2 bio je zatvoren, a prekidnik 034 bio je u testnoj poziciji.

30. srpnja 2023. godine u 06:14, I odjeljak preopterećenja strujom Broj 2 zemljene transformatora aktivirao se, isključujući prekidnik Broj 2 zemljene transformatora 022. Istovremeno je interlokiran za isključivanje prekidnika niske napona 032 Transformatora 2, što je dovelo do gubitka snage na 10 kV Busu II i III. Uređaj automatske rezervne snage (auto-rezervna) djelovao je zatvaranjem prekidnika vezanja 10 kV Bus I/II 020.

U 06:36, I odjeljak preopterećenja strujom Broj 1 zemljene transformatora aktivirao se, isključujući prekidnik Broj 1 zemljene transformatora 015 i interlokirano isključujući prekidnik niske napona 018 Transformatora 1, što je dovelo do gubitka snage na svim 10 kV Busu I, II i III. Uređaj auto-rezervna zatvorio je prekidnik niske napona 032 Transformatora 2 i prekidnik Broj 2 zemljene transformatora 022. Međutim, greška je nastavila, pokretajući I odjeljak preopterećenja strujom Broj 2 zemljene transformatora ponovo. Prekidnik 022 isključio se i interlokirano isključio prekidnik 032, što je konačno dovelo do potpunog isključivanja 10 kV sistema pretvorbe.

3.2 Rezultati inspekcije opreme na terenu
Rezultati inspekcije primarne opreme:

• Tijelo zemljene transformatora: Nisu pronađene nikakve anomalije na Broj 1 i Broj 2 zemljene transformatoru, bez očitih tragova grešaka u zavojnicama ili jezgru.

• Interval PT-a 10 kV Busa III (prekidnik 040):

• Očiti tragovi vode na vrhu ormarice prekidnika, što ukazuje na penetraciju kiše.

• Teška ablacija na C-faznoj poziciji zavjesnog zaslona, s dvije otvorene rupice na gornjem zavjesu.

• C-fazni gornji kontakt box i statički kontakt su bili izgorjeli i oštećeni, s tekućom vodom nagomilano unutar kutije.

• Tragovi lukove na C-faznim gornjim/donjim pokretnim kontaktima rukavca zaštitnika, anejiranih vijaka i oštećenih izolacijskih cilindara kontaktnog ramena.

• Vanjski izolacijski rukav C-faznog busa u bus komori bio je izgorjen i puknut. Penetracija tragova vode u C-faznoj zoni zadnje ploče bus komore, a kondenzirane kapljice vode bile su vidljive na senzoru živog prikaza.

• Mala količina vode se nagomilala na dnu komore voltne transformatora, dok su tri-fazni PT-ovi ne pokazali očitih vanjskih anomalija.

Kiša koja je procvrkla kroz čelični nosač iznad komore 10 kV Busa III PT-a penetrirala je ormaricu, degradirajući izolaciju i uzrokujući C-faznu emissiju koja se razvila u metaličku zemljenu grešku. U sustavu malog otpornog zemljenja, Broj 2 zemljena transformatora detektirala je nulte-sekvencijske struje od ~4.3 A/faza (premašujući 2.5 A postavku I odjeljka preopterećenja), pokretajući isključivanje. Preopterećenje strujom ne blokira 10 kV auto-rezervnu, što dovodi do ponovljenih radnja. Konačno isključivanje ostavilo je auto-rezervnu nepunjenom, uzrokujući potpuni pad napona na 10 kV.

Ključni faktor doprinosa: Kontrolna riječica "faza struje nulte sekvence otkazivanje" bila je isključena (postavljena na "0"), sprečavajući softversko filtriranje nulte sekvence u faznim strujama. Sa 13 A nulte sekvence, preopterećenje strujom pogrešno djelovalo. Ako je pravilno omogućena, ova kontrola bi spriječila grešku. Umjesto toga, I odjeljak preopterećenja nulte sekvence (postavljen na 1.4 A) djelovao je: 1. rok isključio vezanje busa i blokirao auto-rezervnu; 2. rok isključio zemljenu i glavnu transformatoru, izolirajući Bus II/III dok je Bus I ostao snabdjeven snagom.

Primarna uzročna očinstva: Isključena kontrolna riječica otkazivanja nulte sekvence dopustila je pogrešnu interpretaciju fazne struje.

4 Zaključak

Ovaj rad obrađuje postavke zaštite zemljene transformatora, analizira rizike pogrešnog radnja pod visokim nultim sekvencijskim strujama i predstavlja studiju slučaja. Da bi se spriječilo ponavljanje:

• Omogućiti softverske funkcije otkazivanja nulte sekvence (npr. kontrolna riječica "faza struje nulte sekvence otkazivanje") u sustavima malog otpornog zemljenja.

• Ako takve funkcije nisu dostupne, optimizirati koordinaciju između postavki preopterećenja i nulte sekvencijske strujne zaštite.

Ključni rezultat: Proaktivna konfiguracija softvera za zaštitu ključna je za spriječavanje pogrešnog radnja tijekom grešaka na zemlji.