Analisi di caso sulla malfunzione del relè di protezione contro i sovracorrenti del trasformatore di terra

Il modo di raccordo a terra si riferisce alla connessione tra il punto neutro del sistema elettrico e la terra. Nei sistemi cinesi a 35 kV e inferiori, i metodi comuni includono raccordo a terra non effettuato, raccordo a terra con bobina di estinzione dell'arco e raccordo a terra con resistenza piccola. Il modo non raccordato è ampiamente utilizzato in quanto consente l'operazione a breve termine durante i guasti monofase, mentre il raccordo a terra con resistenza piccola è diventato mainstream per la sua rapida rimozione dei guasti e la limitazione dei sovratensioni. Molti centri di trasformazione installano trasformatori di raccordo a terra per modificare il raccordo a terra, ma le caratteristiche dei guasti cambiate influenzano la protezione a relè, rischiando malfunzionamenti o rifiuti.

Questo articolo introduce i principi e le caratteristiche dei trasformatori di raccordo a terra, espone la configurazione/impostazione attuale della protezione corrente nei sistemi a resistenza piccola, analizza le cause di malfunzionamento e prende un caso di guasto monofase per sezionare le azioni di protezione e le radici del fallimento. Fornisce riferimenti per la gestione/prevenzione dei guasti, approfondisce la comprensione del personale di manutenzione, migliora l'efficienza nella risoluzione dei problemi e elimina potenziali pericoli.

Principio di funzionamento del trasformatore di raccordo a terra

Durante la trasformazione di un centro di trasformazione con un sistema a triangolo, neutro non raccordato, in un sistema a raccordo a terra con resistenza piccola, al fine di introdurre un punto neutro, la pratica più comune è aggiungere un trasformatore di raccordo a terra sulla barra. Attualmente, viene generalmente selezionato un trasformatore di raccordo a terra di tipo Z per introdurre il punto di raccordo a terra. In seguito, verrà analizzato il principio di funzionamento del trasformatore di raccordo a terra di tipo Z.

Il trasformatore di raccordo a terra di tipo Z è strutturalmente simile a un normale trasformatore di potenza. Tuttavia, l'avvolgimento su ogni nucleo di fase è diviso in due parti con ugual numero di spire, superiore e inferiore, che sono collegate in forma a zig-zag. Il suo metodo di collegamento è mostrato nella Figura 1.

Quando si verifica un cortocircuito a terra, la corrente zero-sequence fluisce attraverso il punto neutro. La connessione a zig-zag del trasformatore di raccordo a terra di tipo Z fa sì che le correnti zero-sequence superiori e inferiori si oppongano l'una all'altra, annullando i flussi magnetici e minimizzando l'impedenza zero-sequence per evitare sovratensioni eccessive dovute all'arco di terra. Per le correnti positiva/negativa-sequence, le sue proprietà elettromagnetiche simili a quelle di un trasformatore convenzionale creano un'alta impedenza, limitandone il flusso.

In condizioni di operazione normali, il trasformatore di raccordo a terra funziona vicino a vuoto (senza carico secondario). Durante un guasto a terra, le correnti di guasto positiva, negativa e zero-sequence passano attraverso di esso. Grazie all'“alta impedenza positiva/negativa-sequence, bassa impedenza zero-sequence”, il dispositivo di protezione misura principalmente la corrente zero-sequence della rete.

2 Configurazione e analisi della protezione corrente per i trasformatori di raccordo a terra

La protezione corrente del trasformatore di raccordo a terra utilizza tipicamente la protezione corrente tra fasi e la protezione corrente zero-sequence. Ecco i dettagli:

2.1 Impostazione della protezione corrente tra fasi
2.1.1 Principi di impostazione

Questa protezione include la protezione di scatto istantaneo e la protezione contro sovracorrente:

• Scatto istantaneo: Coordinarsi con la protezione di sovracorrente di backup del trasformatore di alimentazione sullo stesso lato. Assicurare sensibilità durante i cortocircuiti bifasi (modalità di funzionamento minima) ed evitare le correnti di accensione (7-10 volte la corrente nominale del trasformatore di raccordo a terra) e le correnti di guasto lato a bassa tensione.

• Protezione contro sovracorrente: Impostare per evitare la corrente nominale del trasformatore di raccordo a terra e la corrente massima di guasto di fase durante il guasto monofase esterno, assicurando affidabilità.

• Logica di funzionamento: Lo scatto istantaneo agisce immediatamente (senza ritardo); la protezione contro sovracorrente (backup per i cortocircuiti tra fasi) ha un breve ritardo e impostazioni inferiori per una coordinazione livellata.

2.1.2 Modi di spegnimento

In base alla connessione del trasformatore di raccordo a terra al trasformatore di alimentazione:

• Connesso alla barra a bassa tensione: Scatto istantaneo/protezione contro sovracorrente spegne l'interruttore dello stesso lato per isolare rapidamente i guasti.

• Connesso al condotto a bassa tensione: La protezione spegne tutti gli interruttori laterali per interrompere il percorso del guasto e prevenire l'escalation.

2.2 Impostazione della protezione corrente zero-sequence per i trasformatori di raccordo a terra
2.2.1 Principi di impostazione

• Il valore di impostazione della corrente deve garantire una sufficiente sensibilità quando si verifica un guasto monofase a terra.

• Cooperare con il valore di impostazione della protezione a lungo ritardo per la sensibilità completa della linea della protezione corrente zero-sequence di livello inferiore.

• Per il primo limite temporale della corrente zero-sequence, si deve considerare l'evitare la successione di guasti monofase a terra su due linee.

• Il tempo di funzionamento deve essere maggiore del tempo di funzionamento massimo della sezione II della corrente zero-sequence di ciascun componente connesso alla barra.

Poiché la protezione corrente zero-sequence del trasformatore di raccordo a terra non serve come protezione principale, ci sono tre limiti temporali, che sono mostrati come segue:

Nella formula: t0¹, t0², t0³ sono rispettivamente i 1°, 2° e 3° limiti temporali della protezione corrente zero-sequence del trasformatore di raccordo a terra; t_0I' è il valore di impostazione temporale della sezione I della corrente zero-sequence della linea di uscita; t_0II' è il valore di impostazione temporale massimo della sezione II della protezione corrente zero-sequence di tutti i dispositivi sulla barra eccetto il trasformatore di raccordo a terra; Δt è impostato come 0,2 - 0,5 s.

2.2.2 Modi di spegnimento

• Quando il trasformatore di raccordo a terra è connesso alla barra corrispondente del centro di trasformazione, la protezione corrente zero-sequence opera: il 1° limite temporale spegne l'interruttore di collegamento della barra o l'interruttore di sezione e blocca il dispositivo di ingresso automatico di alimentazione di riserva (abbreviato in "ingresso automatico di riserva"); il 2° limite temporale spegne gli interruttori dello stesso lato del trasformatore di raccordo a terra e del trasformatore di alimentazione.

• Quando il trasformatore di raccordo a terra è connesso al condotto corrispondente del trasformatore di alimentazione, la protezione corrente zero-sequence opera: il 1° limite temporale spegne l'interruttore di collegamento della barra o l'interruttore di sezione e blocca l'ingresso automatico di riserva; il 2° limite temporale spegne l'interruttore dello stesso lato del trasformatore di alimentazione; il 3° limite temporale spegne gli interruttori su tutti i lati del trasformatore di alimentazione.

2.3 Analisi dell'operazione della protezione corrente per i trasformatori di raccordo a terra

L'analisi della configurazione della protezione del trasformatore di raccordo a terra mostra differenze significative nei modi di spegnimento tra la protezione corrente tra fasi e la protezione corrente zero-sequence: la protezione zero-sequence blocca l'ingresso automatico di riserva durante l'operazione, mentre la protezione tra fasi non lo fa.

Se la corrente zero-sequence misurata dal dispositivo di protezione raggiunge il valore di funzionamento e si verifica un guasto a terra (con il trasformatore di raccordo a terra come unico percorso di corrente zero-sequence in un sistema a raccordo a terra con resistenza piccola), il dispositivo rileva il guasto ma non può localizzarlo. Se il guasto è sulla linea di uscita, dopo che la protezione spegne il trasformatore di raccordo a terra, l'ingresso automatico di riserva commuta alla barra di riserva. Se la barra di riserva ricommuta sulla linea difettosa, il trasformatore di raccordo a terra su di essa rileva ancora la corrente zero-sequence, innescando un altro spegnimento. Poiché l'ingresso automatico di riserva non ha finito di caricarsi, l'intervallo di interruzione può espandersi. Pertanto, la protezione zero-sequence deve bloccare l'ingresso automatico di riserva.

Quando la protezione tra fasi agisce (ma la protezione zero-sequence no), il dispositivo giudica un cortocircuito tra fasi nel trasformatore di raccordo a terra stesso. Spegne il trasformatore di raccordo a terra, parallelamente spegne l'interruttore dello stesso lato del trasformatore di alimentazione, e l'ingresso automatico di riserva commuta alla barra di riserva. Poiché il guasto è sul trasformatore di raccordo a terra spento, la barra di riserva ricommuta alla linea normale, ripristinando l'energia.

In sintesi, la protezione corrente tra fasi e la protezione corrente zero-sequence dei trasformatori di raccordo a terra differiscono notevolmente nel giudizio della causa e della localizzazione del guasto, richiedendo impostazioni e configurazioni distinte. Tuttavia, durante un cortocircuito a terra, la protezione tra fasi potrebbe malfunzionare a causa delle componenti zero-sequence misurate. Dato che hanno logiche di ingresso automatico di riserva diverse, il malfunzionamento potrebbe espandere l'intervallo di guasto o persino causare un blackout totale del centro di trasformazione.

3 Analisi del caso
3.1 Processo del guasto

Il diagramma di cablaggio primario di un centro di trasformazione a 110 kV è mostrato nella Figura 2. Prima del guasto, l'interruttore 018 lato a bassa tensione del Trasformatore 1 era chiuso, l'interruttore 032 lato a bassa tensione del Trasformatore 2 era chiuso, e l'interruttore 034 era in posizione di prova.

Alle 06:14 del 30 luglio 2023, la protezione di sovracorrente sezione I del secondo trasformatore di raccordo a terra si è attivata, spegnendo l'interruttore 022 del secondo trasformatore di raccordo a terra. Nel frattempo, ha interrotto l'interruttore 032 lato a bassa tensione del Trasformatore 2, causando la perdita di energia delle barre 10 kV sezioni II e III. Il dispositivo di alimentazione di riserva automatica (auto-standby) ha operato chiudendo l'interruttore di collegamento della barra 10 kV sezione I/II 020.

Alle 06:36, la protezione di sovracorrente sezione I del primo trasformatore di raccordo a terra si è attivata, spegnendo l'interruttore 015 del primo trasformatore di raccordo a terra e interrompendo l'interruttore 018 lato a bassa tensione del Trasformatore 1, portando alla perdita di energia di tutte le barre 10 kV sezioni I, II e III. Il dispositivo auto-standby ha poi chiuso l'interruttore 032 lato a bassa tensione del Trasformatore 2 e l'interruttore 022 del secondo trasformatore di raccordo a terra. Tuttavia, il guasto persisteva, innescando nuovamente la protezione di sovracorrente sezione I del secondo trasformatore di raccordo a terra. L'interruttore 022 si è spento e ha interrotto l'interruttore 032, causando infine un black-out completo del sistema 10 kV del centro di trasformazione.

3.2 Risultati dell'ispezione degli apparecchiature sul posto
Risultati dell'ispezione delle apparecchiature primarie:

• Corpo del trasformatore di raccordo a terra: Non sono state rilevate anomalie nei trasformatori di raccordo a terra n.1 e n.2, senza tracce evidenti di guasto nelle avvolgimenti o nei nuclei.

• Intervallo PT della barra 10 kV sezione III (armadio 040):

• Macchie d'acqua evidenti sul coperchio superiore dell'armadio, indicanti l'infiltrazione di pioggia.

• Ablazione severa nella posizione C della camera mobile, con due fori sullo sportello superiore.

• La scatola di contatto superiore C e il contatto statico erano bruciati e danneggiati, con acqua liquida accumulata all'interno della scatola.

• Segni di bruciatura da arco sui contatti mobili superiore/inferiore C del carrello parafulgurazione, molle annealate e cilindri isolanti dei contatti bruciati.

• La guaina isolante esterna della barra C nella camera della barra era bruciata e crepata. Si è osservata l'infiltrazione di macchie d'acqua nell'area C della placca posteriore della camera della barra, e goccioline d'acqua condensate sul sensore di visualizzazione a vivo.

• Una piccola quantità d'acqua si era accumulata sul fondo della camera del trasformatore di tensione, mentre i tre PT tri-fase non presentavano anomalie esterne evidenti.

L'infiltrazione di pioggia dal supporto in acciaio sopra la camera PT della barra 10 kV sezione III ha degradato l'isolamento, causando una scarica monofase C che si è evoluta in un guasto a massa metallico. Nel sistema a raccordo a terra a bassa resistenza, il secondo trasformatore di raccordo a terra ha rilevato correnti zero-sequence di circa 4,3 A/fase (superando l'impostazione di sovracorrente sezione I di 2,5 A), innescando lo spegnimento. La protezione di sovracorrente non blocca l'auto-standby 10 kV, portando a operazioni ripetitive. Lo spegnimento finale ha lasciato l'auto-standby non caricato, causando un black-out completo del sistema 10 kV.

Fattore contributivo chiave: La parola di controllo "annullamento sequenza zero corrente di fase" era disabilitata (impostata su "0"), impedendo la filtrazione software delle componenti zero-sequence nelle correnti di fase. Con una corrente zero-sequence di 13 A, la protezione di sovracorrente ha malfunzionato. Se opportunamente abilitata, questa parola di controllo avrebbe prevenuto il guasto. Invece, la protezione di sovracorrente sezione I (impostata a 1,4 A) ha operato: il 1° limite temporale ha spento l'interruttore di collegamento della barra e bloccato l'auto-standby; il 2° limite temporale ha spento gli interruttori del trasformatore di raccordo a terra e del trasformatore principale, isolando le sezioni II/III mentre la sezione I rimaneva alimentata.

Causa radice: La parola di controllo di annullamento sequenza zero disabilitata ha permesso la malinterpretazione della corrente di fase.

4 Conclusione

Questo articolo descrive le impostazioni di protezione dei trasformatori di raccordo a terra, analizza i rischi di malfunzionamento in presenza di alte correnti zero-sequence e presenta uno studio di caso. Per prevenire la ricorrenza:

• Abilitare le funzionalità di annullamento sequenza zero basate su software (ad esempio, la parola di controllo "annullamento sequenza zero corrente di fase") nei sistemi a raccordo a terra a bassa resistenza.

• Se tali funzionalità non sono disponibili, ottimizzare la coordinazione tra le impostazioni di protezione di sovracorrente e zero-sequence.

Punto chiave: La configurazione proattiva del software di protezione è cruciale per prevenire i malfunzionamenti durante i guasti a terra.