Analyse av feilaktig utløsning av overstrømsbeskyttelsesrelé for jordtransformator

Den nøytrale jordmodus refererer til koblingen mellom kraftsystemets nøytralpunkt og jorden. I Kinas systemer på 35 kV og lavere, er vanlige metoder ujordet nøytral, buklingsdempende spole jording, og liten motstand jording. Ujordet modus brukes bredt fordi den tillater kortvarig drift under enfasjordfeil, mens liten motstand jording har blitt hovedstrøm for sin rask feilavhending og overvoltagebegrensning. Mange understasjoner installerer jordtransformatorer for å ombygge nøytral jording, men endrede feilegenskaper påvirker relébeskyttelse, med risiko for uregelmessig virksomhet eller nektelse.

Dette artikkelen introduserer jordtransformatorprinsipper og egenskaper, utleder nåværende beskyttelseskonfigurasjon/innstilling i systemer med liten motstand, analyserer årsaker til uregelmessig virksomhet, og tar en enfasjordingsak for å sekkere beskyttelsesaksjon og mislykkelsesroter. Det gir referanser for feilhåndtering/forkomst, dypner vedlikeholds ansatte forståelse, forbedrer feilsøkings effektivitet, og eliminerer potensielle faremomenter.

Arbeidsprinsipp for jordtransformator

Under transformasjon av en understasjon med delta-koblet, nøytral-ujordet system til et system med liten motstand jording, for å introdusere et nøytralpunkt, er det vanligste praksis å legge til en jordtransformator på busbar. For øyeblikket velges generelt en Z-type jordtransformator for å introdusere jordingspunktet. Deretter vil arbeidsprinsippet for Z-type jordtransformator analysere.

Z-type jordtransformator er strukturelt lik en vanlig krafttransformator. Imidlertid deles vindingen på hver fasekjern opp i to deler med like antall vikninger, øvre og nedre, som kobles sammen i en zig-zag form. Dens koblingsmetode vises i figur 1.

Når det forekommer en jord kortslutning, flyter nullsekvensstrøm inn gjennom nøytralpunktet. Z-type jordtransformatorens zig-zag kobling gjør at øvre og nedre vindings nullsekvensstrømmer motarbeider hverandre, avlyser magnetiske flukser og minimerer nullsekvensimpedansen for å unngå for stor buklingsjordovervoltage. For positiv/negativ sekvensstrøm, skaper dens konvensjonelle transformator-lignende elektromagnetiske egenskaper høy impedans, begrenser deres flyt.

Under normal drift, kjører jordtransformator nær ingen belastning (ingen sekundær belastning). Under en jordfeil, passerer positive, negative, og nullsekvensfeilstrømmer gjennom den. På grunn av "høy positiv/negativ sekvens, lav nullsekvensimpedans", måler beskyttelsesenheten hovedsakelig nettets nullsekvensstrøm.

2 Konfigurasjon og analyse av strømbeskyttelse for jordtransformatorer

Strømbeskyttelse for jordtransformator bruker typisk fas til fas og nullsekvensstrømbeskyttelse. Her er nedbrytingen:

2.1 Innstilling av fas til fas strømbeskyttelse
2.1.1 Innstillingsprinsipper

Denne beskyttelsen inkluderer umiddelbar tripping og overstrømingsbeskyttelse:

• Umiddelbar Tripping: Koordiner med reservestruktur overstrømingsbeskyttelse på samme side av strømforsynings-transformator. Sikre følsomhet under tofas kortslutning (minimum operasjonsmodus) og unngå inrush-strøm (7–10× jordtransformator s nominerte strøm) og lavspansside feilstrøm.

• Overstrømingsbeskyttelse: Sett for å unngå jordtransformatorens nominerte strøm og maksimal feil fasestrøm under eksternt enfas jordkontakt, sikre pålitelighet.

• Operasjonslogikk: Umiddelbar tripping virker umiddelbart (ingen forsinkelse); overstrømingsbeskyttelse (reservat for fas til fas kortslutning) har kort forsinkelse og lavere innstillinger for nivåkoordinering.

2.1.2 Trippingsmoduser

Basert på jordtransformatorens kobling til strømforsynings-transformator:

• Koblet til lavspansk buss: Umiddelbar tripping/overstrømingsbeskyttelse tripper samme-side kretsutlukker for hurtig isolering av feil.

• Koblet til lavspansk ledning: Beskyttelse tripper alle-side kretsutlukkere for å kutte feilbane og forhindre eskalering.

2.2 Innstilling av nullsekvensstrømbeskyttelse for jordtransformatorer
2.2.1 Innstillingsprinsipper

• Strøminnstillingsverdien skal sikre tilstrekkelig følsomhet når det oppstår en enfas-jordkontakt.

• Sammenarbeide med innstillingsverdien for lang forsinkelsesbeskyttelse for full linjesensitivitet for nivå nullsekvensstrømbeskyttelse.

• For den første tidsbegrensningen av nullsekvensstrøm, skal det tas hensyn til å unngå successive enfas-jordkontakter på to linjer.

• Driftstiden skal være lengre enn maksimal driftstid for seksjon Ⅱ av nullsekvensstrøm for hver koblet komponent av bussen.

Siden nullsekvensstrømbeskyttelsen til jordtransformator ikke fungerer som hovedbeskyttelse, er det tre tidsbegrensninger, som vises nedenfor:

I formelen: t0¹, t0², t0³ er henholdsvis 1., 2. og 3. tidsbegrensning av nullsekvensstrømbeskyttelsen til jordtransformator; t_0I' er tidsinnstillingen for seksjon I av nullsekvensstrøm av utgående linje; t_0II' er den lengste tidsinnstillingen for seksjon II av nullsekvensstrømbeskyttelsen for all utstyr på bussen unntatt jordtransformator; Δt settes til 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Trippingsmoduser

• Når jordtransformator kobles til den tilsvarende bussen i understasjonen, virker nullsekvensstrømbeskyttelsen: 1. tidsbegrensning tripper bus tie kretsutlukker eller seksjon kretsutlukker og blokkerer automatisk reserve strømforsyningsinndata enhet (forkortet "automatisk reserve inndata"); 2. tidsbegrensning tripper kretsutlukkere på samme side av jordtransformator og strømforsynings-transformator.

• Når jordtransformator kobles til den tilsvarende ledningen til strømforsynings-transformator, virker nullsekvensstrømbeskyttelsen: 1. tidsbegrensning tripper bus tie kretsutlukker eller seksjon kretsutlukker og blokkerer automatisk reserve inndata; 2. tidsbegrensning tripper kretsutlukker på samme side av strømforsynings-transformator; 3. tidsbegrensning tripper kretsutlukkere på alle sider av strømforsynings-transformator.

2.3 Analyse av strømbeskyttelsesdrift for jordtransformatorer

Analyse av jordtransformatorbeskyttelseskonfigurasjon viser betydelige forskjeller i trippingsmoduser mellom fas til fas og nullsekvensstrømbeskyttelse: nullsekvensbeskyttelse blokkerer auto-reserve inndata under drift, mens fas til fas-beskyttelse ikke gjør det.

Hvis nullsekvensstrømmen målt av beskyttelsesenheten når driftsverdien og en jordfeil oppstår (med jordtransformator som den eneste nullsekvensstrømbanen i et system med liten motstand jording), oppdager enheten feilen, men kan ikke lokalisere den. Hvis feilen er på utgående linje, etter at beskyttelsen tripper jordtransformator, bytter auto-reserve inndata til reserve bussen. Hvis reserve bussen lukkes igjen på feil linje, oppdager jordtransformator på den fortsatt nullsekvensstrøm, utløser en annen trip. Siden auto-reserve inndata ikke har ferdig ladd, kan strømtapsområdet utvides. Derfor må nullsekvensbeskyttelse blokkere auto-reserve inndata.

Når fas til fas-beskyttelse virker (men nullsekvensbeskyttelse ikke gjør det), vurderer enheten en fas til fas kortslutning i selve jordtransformator. Den tripper jordtransformator, parallel-tripp strømforsynings-transformator samme-side kretsutlukker, og auto-reserve inndata bytter til reserve bussen. Siden feilen er på trippet jordtransformator, reconnects reserve bussen til normal linje, gjenoppretter strøm.

Samlet sett, fas til fas og nullsekvensstrømbeskyttelse av jordtransformatorer skiller seg sterkt i feilårsak og lokalisering, krever distinkte innstillinger og konfigurasjoner. Men under en jord kortslutning, kan fas til fas-beskyttelse misvirke pga målte nullsekvenskomponenter. Gitt deres ulike auto-reserve inndata logikk, kan misvirking utvide feilområdet eller enda forårsake en hel understasjon mørkeperiode.

3 Sakanalyse
3.1 Feilprosess

Primærkoblingen av en 110 kV understasjon er vist i figur 2. Før feilen, var lavspansk 018 kretsutlukker av Transformer 1 lukket, lavspansk 032 kretsutlukker av Transformer 2 var lukket, og 034 kretsutlukker var i testposisjon.

Klokken 06:14 den 30. juli 2023, aktiverede overstrømings I seksjon beskyttelsen av No. 2 jordtransformator, trippede No. 2 jordtransformator 022 kretsutlukker. Samtidig kopla den av lavspansk 032 kretsutlukker av Transformer 2, førte til tap av strøm i 10 kV seksjon II og III buss. Automatisk reserve strømforsynings (auto-reserve) enhet virket for å lukke 10 kV seksjon I/II bus tie 020 kretsutlukker.

Klokken 06:36, aktiverede overstrømings I seksjon beskyttelsen av No. 1 jordtransformator, trippede No. 1 jordtransformator 015 kretsutlukker og kopla av lavspansk 018 kretsutlukker av Transformer 1, førte til strømtap i alle 10 kV seksjon I, II, og III buss. Auto-reserve enhet lukket deretter lavspansk 032 kretsutlukker av Transformer 2 og No. 2 jordtransformator 022 kretsutlukker. Men feilen vedvarte, utløste overstrømings I seksjon beskyttelsen av No. 2 jordtransformator igjen. 022 kretsutlukker trippede og kopla av 032 kretsutlukker, førte til full strømtap i understasjonens 10 kV system.

3.2 Resultat av inspeksjon av stedlige utstyr
Funn fra inspeksjon av primære utstyr:

• Jordtransformator kropp: Ingen avvik ble funnet i No.1 og No.2 jordtransformator, uten tydelige feilspor i vindinger eller kjerner.

• 10 kV seksjon III buss PT intervall (040 switchgear):

• Tydelige vannflekker på toppen av switchgear kabinet, indikerer regnvannsinfiltrasjon.

• Alvorlig ablasjon ved C-fase posisjon av handcart kammer shutter skydd, med to gjennom-hull på øvre shutter.

• C-fase øvre kontakt boks og statisk kontakt var forbrent og skadet, med flytende vann akkumulert inne i boksen.

• Buebrand merker på C-fase øvre/nedre bevegelige kontakter av arrester handcart, annealed fjeder, og skadet kontakt arm isolerende cylinder.

• Ytre isolerende slange av C-fase buss i buss kammer var forbrent og revet. Vannflekker penetrering observeres i C-fase område av buss kammer bakplate, og vann dråper kondensert på live display sensor.

• En liten mengde vann akkumulert på bunnen av spenningstransformator kammer, mens de trefas PTs viste ingen tydelige ytre avvik.

Regnvannslekkasje fra stål støtte over 10 kV seksjon III buss PT kammer infiltrerte switchgear, forringet isolasjon og forårsaket en C-fase utslipp som utviklet seg til en metallisk jordfeil. I lav motstand jordingssystem, oppdaget No. 2 jordtransformator nullsekvensstrømmer på ~4.3 A/fase (over 2.5 A overstrømings I seksjon innstilling), utløste tripping. Overstrømingsbeskyttelsen blokkerer ikke 10 kV auto-reserve, førte til repeterende operasjoner. Den endelige tripping la auto-reserve ubelasted, forårsaket full 10 kV strømtap.

Hoved bidragende faktor: Kontrollordet for "fas strøm nullsekvens kansellering" var deaktivert (satt til "0"), hindret programvare filtrering av nullsekvenskomponenter i fas strøm. Med en 13 A nullsekvensstrøm, misvirket overstrømingsbeskyttelsen. Riktig aktivert, ville denne kontrollen ha forhindret feilen. Isteden, opererte nullsekvens overstrømingsbeskyttelse I seksjon (satt til 1.4 A): 1. tidsbegrensning trippede bus tie og blokkerte auto-reserve; 2. tidsbegrensning trippede jordtransformator og hovedtransformator kretsutlukkere, isolerte seksjon II/III mens seksjon I forble strømforsynt.

Rotårsak: Deaktivert nullsekvens kansellering kontrollord tillot misfortolkning av fas strøm.

4 Konklusjon

Dette artikkelen redegjør for jordtransformatorbeskyttelsesinnstillinger, analyserer misvirkningsrisiko under høy nullsekvensstrøm, og presenterer en sakstudie. For å forhindre gentagelse:

• Aktiver programvarebasert nullsekvens kansellering funksjoner (som "fas strøm nullsekvens kansellering" kontrollord) i systemer med lav motstand jording.

• Hvis slike funksjoner ikke er tilgjengelige, optimaliser koordinasjon mellom overstrømings- og nullsekvensbeskyttelsesinnstillinger.

Hoved takeaway: Proaktiv konfigurasjon av beskyttelsesprogramvare er kritisk for å forhindre misvirking under jordfeil.