Gevalsanalyse van foute werking van overstroombeveiligingsrelais van aardings-transformator

De neutrale aardingmodus verwijst naar de verbinding tussen het neutraal punt van het elektriciteitsnet en de grond. In China's 35 kV en lager systemen zijn veelvoorkomende methoden onder andere ongeaarde neutrale, boogdemper-aarding en kleine-weerstand-aarding. De ongeaarde modus wordt breed toegepast omdat deze tijdelijk kan werken bij eenfase-aardingfouten, terwijl kleine-weerstand-aarding populair is geworden vanwege snelle foutverwijdering en overspanningsbeperking. Veel transformatorstations installeren aardtransformators om de neutrale aarding te upgraden, maar veranderde foutkarakteristieken beïnvloeden de relaisbescherming, waardoor er risico op foute activering of weigering bestaat.

Dit artikel introduceert de principes en kenmerken van aardtransformators, legt de huidige beschermingsconfiguratie/instelling in kleine-weerstandsysteem uit, analyseert oorzaken van foute activering, en gebruikt een eenfase-aarding geval om beschermingsacties en mislukte wortels te ontleden. Het biedt referenties voor foutafhandeling/preventie, verdiept het begrip van onderhoudspersoneel, verhoogt de efficiëntie van probleemoplossing en elimineert potentiele gevaren.

Werkprincipe van de Aardtransformator

Tijdens de transformatie van een transformatorstation met een delta-verbonden, neutraal-ongegrond systeem naar een klein-weerstandsysteem, wordt om een neutraal punt in te voeren, meestal een aardtransformator aan de busbar toegevoegd. Momenteel wordt in het algemeen een Z-type aardtransformator gekozen om het aardpunt in te voeren. Vervolgens zal het werkprincipe van de Z-type aardtransformator worden geanalyseerd.

De Z-type aardtransformator is structuurtechnisch vergelijkbaar met een gewone krachttransformator. Echter, de wikkeling op elk fasekern is in twee gelijke delen, boven en onder, verdeeld die in een zigzagvorm zijn verbonden. De bedrading is getoond in Figuur 1.

Bij het optreden van een grondaansluiting kortsluiting stroomt nulreeksstroom via het neutraalpunt. De zigzagverbinding van de Z-type aardtransformator maakt dat de nulreeksstromen in de bovenste en onderste winding elkaar tegenwerken, magnetische flux annuleren en de nulreeksimpedantie minimaliseren om excessieve bogen-aarding-overspanning te voorkomen. Voor positieve/negatieve reeksstromen creëren de conventionele transformator-achtige elektromagnetische eigenschappen hoge impedantie, waardoor hun stroom beperkt wordt.

Onder normale werking loopt de aardtransformator bijna zonder belasting (geen secundaire belasting). Tijdens een grondfout passeren positieve, negatieve en nulreeksfoutstromen door hem heen. Vanwege "hoge positieve/negatieve reeks, lage nulreeksimpedantie" meet het beschermingsapparaat voornamelijk de nulreeksstroom van het netwerk.

2 Configuratie en Analyse van Stromebescherming voor Aardtransformators

Stromebescherming voor aardtransformators maakt doorgaans gebruik van fase-tot-fase en nulreeksstroombescherming. Hier volgt de uitleg:

2.1 Instelling van Fase-tot-fase Stromebescherming
2.1.1 Instellingsprincipes

Deze bescherming omvat directe afsluiting en overstroombescherming:

• Directe Afsluiting: Coördineren met de back-up overstroombescherming van de energiebrontransformator aan dezelfde kant. Zorg voor gevoeligheid tijdens tweefase kortsluitingen (minimum bedrijfsmodus) en vermijd inrush-stromen (7-10× aardtransformator nominaal stroom) en laagspanningszijdefoutstromen.

• Overstroombescherming: Instellen om de nominale stroom van de aardtransformator en de maximale foutfasestroom tijdens externe eenfase-aarding te vermijden, zodat betrouwbaarheid wordt gewaarborgd.

• Actieverlogica: Directe afsluiting werkt onmiddellijk (geen vertraging); overstroombescherming (back-up voor fase-tot-fase kortsluitingen) heeft een korte vertraging en lagere instellingen voor gestapeld coördinatie.

2.1.2 Afsluitemodi

Op basis van de verbinding van de aardtransformator met de energiebrontransformator:

• Aangesloten op de laagspanningsbus: Directe afsluiting/overstroombescherming schakelt de circuitbreker aan dezelfde kant uit om fouten snel te isoleren.

• Aangesloten op de laagspanningsleiding: Bescherming schakelt alle circuitbrekers uit om het foutpad te doorsnijden en escalatie te voorkomen.

2.2 Instelling van Nulreeksstroombescherming voor Aardtransformators
2.2.1 Instellingsprincipes

• De stroominstelling moet voldoende gevoeligheid waarborgen bij het optreden van een eenfase-naar-grond fout.

• Samenwerken met de instelling van de lange-vertragingsbescherming voor de volledige lijnsensitiviteit van de onderliggende nulreeksstroombescherming.

• Voor de eerste tijdsperiode van de nulreeksstroom moet rekening worden gehouden met het vermijden van achtereenvolgende eenfase-naar-grond fouten op twee lijnen.

• De werktijd moet langer zijn dan de maximale werktijd van Sectie II van de nulreeksstroom van elk verbonden component van de bus.

Aangezien de nulreeksstroombescherming van de aardtransformator niet als hoofdbescherming dient, zijn er drie tijdsperioden, zoals hieronder weergegeven:

In de formule: t0¹, t0², t0³ zijn respectievelijk de 1e, 2e en 3e tijdsperioden van de nulreeksstroombescherming van de aardtransformator; t_0I' is de tijdsinstelling van Sectie I van de nulreeksstroom van de uitgaande lijn; t_0II' is de langste tijdsinstelling van Sectie II van de nulreeksstroombescherming van alle apparatuur op de busbar behalve de aardtransformator; Δt is ingesteld op 0,2-0,5 s.

2.2.2 Afsluitemodi

• Wanneer de aardtransformator is aangesloten op de corresponderende busbar van het transformatorstation, werkt de nulreeksstroombescherming: de 1e tijdsperiode schakelt de bus tie circuitbreker of sectiecircuitbreker uit en blokkeert het automatische noodvoeding invoerapparaat (hiernaast "automatische noodvoeding" genoemd); de 2e tijdsperiode schakelt de circuitbrekers aan dezelfde kant van de aardtransformator en de energiebrontransformator uit.

• Wanneer de aardtransformator is aangesloten op de corresponderende leiding van de energiebrontransformator, werkt de nulreeksstroombescherming: de 1e tijdsperiode schakelt de bus tie circuitbreker of sectiecircuitbreker uit en blokkeert de automatische noodvoeding; de 2e tijdsperiode schakelt de circuitbreker aan dezelfde kant van de energiebrontransformator uit; de 3e tijdsperiode schakelt de circuitbrekers aan alle kanten van de energiebrontransformator uit.

2.3 Analyse van de Werkzaamheid van Stromebescherming voor Aardtransformators

Analyse van de beschermingsconfiguratie van de aardtransformator toont aanzienlijke verschillen in afsluitemodi tussen fase-tot-fase en nulreeksstroombescherming: nulreeksbescherming blokkeert automatische noodvoeding tijdens werking, terwijl fase-tot-fase bescherming dit niet doet.

Als de nulreeksstroom gemeten door het beschermingsapparaat de werkingwaarde bereikt en een grondfout optreedt (met de aardtransformator als enige nulreeksstroomweg in een klein-weerstandsysteem), detecteert het apparaat de fout, maar kan deze niet lokaliseren. Als de fout zich op de uitgaande lijn bevindt, na het uitschakelen van de aardtransformator, schakelt de automatische noodvoeding over naar de stand-by busbar. Als de stand-by busbar herconnecteert met de defecte lijn, detecteert de aardtransformator daarop nog steeds nulreeksstroom, wat weer een nieuwe trip veroorzaakt. Omdat de automatische noodvoeding niet volledig is opgeladen, kan het uitvalgebied groter worden. Daarom moet de nulreeksbescherming de automatische noodvoeding blokkeren.

Wanneer fase-tot-fase bescherming werkt (maar nulreeksbescherming niet), oordeelt het apparaat dat er een fase-tot-fase kortsluiting in de aardtransformator zelf plaatsvindt. Het schakelt de aardtransformator uit, parallel-tript de circuitbreker aan dezelfde kant van de energiebrontransformator, en de automatische noodvoeding schakelt over naar de stand-by busbar. Aangezien de fout op de uitgeschakelde aardtransformator zit, herconnecteert de stand-by busbar met de normale lijn, waardoor de stroom wordt hersteld.

Samengevat, verschilt fase-tot-fase en nulreeksstroombescherming van aardtransformators aanzienlijk in foutoorzaak en locatiebepaling, waardoor verschillende instellingen en configuraties nodig zijn. Echter, tijdens een grondkortsluiting kan fase-tot-fase bescherming foute activeren vanwege gemeten nulreekscomponenten. Gezien hun verschillende logica voor automatische noodvoeding, kan foute activering het foutgebied uitbreiden of zelfs tot een volledige uitval van het transformatorstation leiden.

3 Casestudie
3.1 Foutproces

Het primaire bedradingsdiagram van een 110 kV transformatorstation is weergegeven in Figuur 2. Voordat de fout optreedt, was de laagspanningszijde 018 circuitbreker van Transformatoren 1 gesloten, de laagspanningszijde 032 circuitbreker van Transformatoren 2 gesloten, en de 034 circuitbreker in de testpositie.

Om 06:14 op 30 juli 2023, activeerde de overstroom I-sectie bescherming van de No. 2 aardtransformator, waardoor de No. 2 aardtransformator 022 circuitbreker tripte. Tegelijkertijd werd de laagspanningszijde 032 circuitbreker van Transformatoren 2 uitgeschakeld, waardoor de 10 kV Sectie II en III busbars van stroom werden beroofd. Het automatische noodvoeding (auto-standby) apparaat werkte om de 10 kV Sectie I/II bus tie 020 circuitbreker te sluiten.

Om 06:36, activeerde de overstroom I-sectie bescherming van de No. 1 aardtransformator, waardoor de No. 1 aardtransformator 015 circuitbreker tripte en de laagspanningszijde 018 circuitbreker van Transformatoren 1 uitgeschakeld werd, wat resulteerde in stroomverlies in alle 10 kV Sectie I, II en III busbars. Het auto-standby apparaat sloot vervolgens de laagspanningszijde 032 circuitbreker van Transformatoren 2 en de No. 2 aardtransformator 022 circuitbreker. Echter, de fout bleef bestaan, wat opnieuw de overstroom I-sectie bescherming van de No. 2 aardtransformator activeerde. De 022 circuitbreker tripte en de 032 circuitbreker werd uitgeschakeld, wat uiteindelijk resulteerde in een volledige stroomuitval in het 10 kV systeem van het transformatorstation.

3.2 Resultaten van Terreininstructie
Vindplaatsen van primaire apparatuur:

• Lichaam van de aardtransformator: Geen anomalieën gevonden in No.1 en No.2 aardtransformators, geen duidelijke foutsporen in windingen of kern.

• 10 kV Sectie III bus PT-interval (040 schakelkast):

• Duidelijke waterstrepen op het bovenpaneel van de schakelkast, wat regenwaterinfiltratie aantoont.

• Ernstige erosie op de C-fase positie van de luikopening, met twee doorboorde gaten in de bovenluik.

• De C-fase bovencontactdoos en statisch contact waren verbrand en beschadigd, met vloeibaar water verzameld in de doos.

• Boogbrandplekken op de C-fase boven/onder beweegbare contacten van de arresterkar, verhitte veer, en beschadigde contactarm isolatiesleeves.

• De buitenste isolerende mouw van de C-fase bus in de busruimte was verbrand en gebarsten. Waterstrepen werden waargenomen in de C-fase gebied van de busruimte achterplaat, en waterdruppels condenseerden op de live display sensor.

• Een kleine hoeveelheid water verzamelde zich aan de bodem van de spanningstransformatorruimte, terwijl de driefase PT's geen duidelijke externe anomalieën vertoonden.

Regenwaterlek van de staalconstructie boven de 10 kV Sectie III bus PT-kamer drong de schakelkast binnen, wat de isolatie degradeerde en een C-fase ontlading veroorzaakte, die evolueerde naar een metalen grondfout. In het lage-weerstandsysteem detecteerde de No. 2 aardtransformator nulreeksstromen van ongeveer 4,3 A/fase (wat de 2,5 A overstroom I-sectie-instelling overschreed), wat trippen veroorzaakte. De overstroombescherming blokkeert de 10 kV auto-standby niet, wat herhaalde operaties veroorzaakte. De uiteindelijke trip liet de auto-standby onopgeladen, wat resulteerde in een volledige 10 kV stroomuitval.

Belangrijkste bijdragende factor: Het "fase stroom nulreeks annulering" controlewoord was uitgeschakeld (ingesteld op "0"), wat softwarefiltering van nulreekscomponenten in fasestromen voorkwam. Met een 13 A nulreeksstroom, foute activering van de overstroombescherming. Wanneer correct ingeschakeld, zou deze controle de fout hebben voorkomen. In plaats daarvan, werkte de nulreeks overstroom bescherming I-sectie (ingesteld op 1,4 A): 1e tijdsperiode tripte de bus tie en blokkeerde auto-standby; 2e tijdsperiode tripte de aard- en hoofdtransformatoren, isolerend Sectie II/III terwijl Sectie I bekrachtigd bleef.

Oorzakelijke factor: Uitgeschakeld nulreeks annulering controlewoord stond fase stroom misinterpretatie toe.

4 Conclusie

Dit artikel geeft de instellingen van aardtransformatorbescherming, analyseert risico's van foute activering bij hoge nulreeksstromen, en presenteert een casestudie. Om herhaling te voorkomen:

• Schakel software-gebaseerde nulreeks annulering functies in (bijvoorbeeld, "fase stroom nulreeks annulering" controlewoord) in lage weerstandsysteem.

• Als dergelijke functies niet beschikbaar zijn, optimaliseer de coördinatie tussen overstroom- en nulreeksbeschermingsinstellingen.

Belangrijkste afleiding: Proactieve configuratie van beschermingssoftware is cruciaal voor het voorkomen van foute activering tijdens grondfouten.