Analiza przypadku błędnego działania przekaźnika ochrony przeciwprądowej transformatora ziemnego

Tryb ziemnego uziemienia odnosi się do połączenia punktu neutralnego systemu ziemnego z ziemią. W chińskich systemach 35 kV i poniżej, powszechnie stosowane metody obejmują niewygroundowany punkt neutralny, uziemienie przez cewkę kompensacyjną oraz uziemienie małym oporem. Niewygroundowany tryb jest szeroko stosowany, ponieważ umożliwia krótkotrwałą pracę podczas pojedynczych przekładów fazowych, podczas gdy uziemienie małym oporem stało się dominujące ze względu na szybkie usuwanie uszkodzeń i ograniczanie przepięć. Wiele stacji transformatorowych instaluje transformatory uziemiające w celu modernizacji uziemienia neutralnego, ale zmienione charakterystyki uszkodzeń wpływają na ochronę relacyjną, co może prowadzić do nieprawidłowego działania lub odmowy.

W tym artykule przedstawiono zasady i cechy transformatorów uziemiających, wyjaśniono konfigurację/ustawienia bieżnikowej ochrony w systemach małego oporu, przeanalizowano przyczyny nieprawidłowego działania i na przykładzie przypadku przekładu jednofazowego dokonano analizy działań ochrony i przyczyn awarii. Artykuł dostarcza referencji dla obsługi awarii/prewencji, pogłębia zrozumienie personelu serwisowego, zwiększa efektywność rozwiązywania problemów i eliminuje potencjalne zagrożenia.

Zasada działania transformatora uziemiającego

Podczas modernizacji stacji transformatorowej z trójfazowym systemem delta, niewygroundowanym punktem neutralnym, do systemu małego oporu, aby wprowadzić punkt neutralny, najpowszechniej stosowaną praktyką jest dodanie transformatora uziemiającego do szyny. Obecnie najczęściej wybierany jest typ Z transformatora uziemiającego, który wprowadza punkt uziemienia. Następnie zostanie przeanalizowana zasada działania transformatora uziemiającego typu Z.

Transformator uziemiający typu Z strukturalnie przypomina zwykły transformator energetyczny. Jednak każda cewka na rdzeniu każdej fazy jest podzielona na dwie równe części, górna i dolna, połączone w kształcie zygzaka. Sposób połączenia przedstawiono na Rysunku 1.

Gdy wystąpi przekład ziemny, prąd zerowy płynie przez punkt neutralny. Połączenie zygzakowe transformatora uziemiającego typu Z sprawia, że prądy zerowe górnej i dolnej cewki działają przeciwko sobie, anulując magnetyczne przepływy i minimalizując impedancję zerową, aby uniknąć przepięć przy uziemieniu łukowym. Dla prądów dodatnich/ujemnych, jego właściwości elektromagnetyczne podobne do zwykłego transformatora tworzą wysoką impedancję, ograniczając ich przepływ.

W normalnym trybie pracy transformator uziemiający pracuje blisko bez obciążenia (bez obciążenia wtórnego). Podczas przekładu ziemnego, prądy uszkodzeniowe dodatnie, ujemne i zerowe przepływają przez niego. Dzięki „wysokiej impedancji dla prądów dodatnich/ujemnych, niskiej impedancji dla prądu zerowego”, urządzenie ochronne głównie mierzy prąd zerowy sieci.

2 Konfiguracja i analiza bieżnikowej ochrony transformatorów uziemiających

Bieżnikowa ochrona transformatorów uziemiających zwykle używa ochrony prądu międzyfazowego i prądu zerowego. Oto szczegółowe omówienie:

2.1 Ustawienie ochrony prądu międzyfazowego
2.1.1 Zasady ustawiania

Ta ochrona obejmuje ochronę natychmiastową i ochronę przeciw nadmiernemu prądowi:

• Ochrona natychmiastowa: Koordynacja z zapasową ochroną przeciw nadmiernemu prądowi transformatora zasilającego po tej samej stronie. Zapewnij czułość podczas przekładów dwufazowych (minimalny tryb pracy) i unikaj prądów początkowych (7-10x nominalny prąd transformatora uziemiającego) oraz prądów uszkodzeniowych po stronie napięcia niskiego.

• Ochrona przeciw nadmiernemu prądowi: Ustawiona tak, aby unikać nominalnego prądu transformatora uziemiającego i maksymalnego prądu uszkodzeniowego fazy podczas zewnętrznego przekładu jednofazowego, zapewniając niezawodność.

• Logika działania: Ochrona natychmiastowa działa natychmiast (bez opóźnienia); ochrona przeciw nadmiernemu prądowi (zapasowa dla przekładów międzyfazowych) ma krótkie opóźnienie i niższe ustawienia dla koordynacji na poziomie.

2.1.2 Tryby wyłączania

W zależności od połączenia transformatora uziemiającego z transformatorem zasilającym:

• Połączenie z niskonapięciową szyną: Ochrona natychmiastowa/przeciw nadmiernemu prądowi wyłącza wyłącznik po tej samej stronie, aby szybko izolować uszkodzenia.

• Połączenie z niskonapięciowym przewodem: Ochrona wyłącza wszystkie wyłączniki po stronie, aby przerwać ścieżkę uszkodzenia i zapobiec jej eskalacji.

2.2 Ustawienie ochrony prądu zerowego dla transformatorów uziemiających
2.2.1 Zasady ustawiania

• Wartość ustawienia prądu powinna zapewnić wystarczającą czułość w przypadku przekładu jednofazowego do ziemii.

• Współpraca z wartością ustawienia długotrwałej ochrony dla pełnej czułości linii ochrony prądu zerowego niższego poziomu.

• Dla pierwszego limitu czasowego prądu zerowego należy uwzględnić unikanie kolejnych przekładów jednofazowych do ziemii na dwóch liniach.

• Czas działania powinien być dłuższy niż maksymalny czas działania sekcji II prądu zerowego każdego połączonego elementu szyny.

Ponieważ ochrona prądu zerowego transformatora uziemiającego nie służy jako główna ochrona, istnieją trzy limity czasowe, które są przedstawione poniżej:

W formule: t0¹, t0², t0³ to odpowiednio 1., 2. i 3. limit czasowy ochrony prądu zerowego transformatora uziemiającego; t_0I' to wartość ustawienia czasowego sekcji I prądu zerowego linii wychodzącej; t_0II' to najdłuższa wartość ustawienia czasowego sekcji II ochrony prądu zerowego wszystkiego sprzętu na szynie, z wyjątkiem transformatora uziemiającego; Δt ustawiono na 0,2-0,5 s.

2.2.2 Tryby wyłączania

• Gdy transformator uziemiający jest połączony z odpowiednią szyną stacji, ochrona prądu zerowego działa: 1. limit czasowy wyłącza wyłącznik łączący szyny lub sekcji i blokuje urządzenie automatycznego rezerwowego zasilania (skrótowo "automatyczne rezerwowe zasilanie"); 2. limit czasowy wyłącza wyłączniki po tej samej stronie transformatora uziemiającego i transformatora zasilającego.

• Gdy transformator uziemiający jest połączony z odpowiednim przewodem transformatora zasilającego, ochrona prądu zerowego działa: 1. limit czasowy wyłącza wyłącznik łączący szyny lub sekcji i blokuje automatyczne rezerwowe zasilanie; 2. limit czasowy wyłącza wyłącznik po tej samej stronie transformatora zasilającego; 3. limit czasowy wyłącza wyłączniki po wszystkich stronach transformatora zasilającego.

2.3 Analiza działania bieżnikowej ochrony transformatorów uziemiających

Analiza konfiguracji ochrony transformatora uziemiającego pokazuje znaczące różnice w trybach wyłączania między ochroną prądu międzyfazowego a ochroną prądu zerowego: ochrona prądu zerowego blokuje automatyczne rezerwowe zasilanie podczas działania, podczas gdy ochrona prądu międzyfazowego tego nie robi.

Jeśli prąd zerowy mierzony przez urządzenie ochronne osiągnie wartość działania i wystąpi przekład ziemny (z transformatorem uziemiającym jako jedyną ścieżką prądu zerowego w systemie małego oporu), urządzenie wykryje uszkodzenie, ale nie będzie mogło go zlokalizować. Jeśli uszkodzenie wystąpi na linii wychodzącej, po wyłączeniu transformatora uziemiającego, automatyczne rezerwowe zasilanie przełączy się na rezerwową szynę. Jeśli rezerwowa szyna ponownie zamknie się na uszkodzoną linię, transformator uziemiający na niej nadal wykryje prąd zerowy, co spowoduje kolejne wyłączenie. Ponieważ automatyczne rezerwowe zasilanie nie zakończyło ładowania, zakres przerwy w zasilaniu może się rozszerzyć. Dlatego ochrona prądu zerowego musi blokować automatyczne rezerwowe zasilanie.

Gdy ochrona prądu międzyfazowego działa (ale ochrona prądu zerowego nie), urządzenie ocenia, że wystąpił przekład międzyfazowy w samym transformatorze uziemiającym. Wyłącza transformator uziemiający, równolegle wyłącza wyłącznik po tej samej stronie transformatora zasilającego, a automatyczne rezerwowe zasilanie przełącza się na rezerwową szynę. Ponieważ uszkodzenie wystąpiło w wyłączonej transformatorze uziemiającym, rezerwowa szyna ponownie łączy się z normalną linią, przywracając zasilanie.

Podsumowując, ochrona prądu międzyfazowego i prądu zerowego transformatorów uziemiających różnią się znacznie w ocenie przyczyny i lokalizacji uszkodzenia, wymagając różnych ustawień i konfiguracji. Jednak podczas przekładu ziemnego, ochrona prądu międzyfazowego może nieprawidłowo działać z powodu mierzonych składowych prądu zerowego. Biorąc pod uwagę różne logiki automatycznego rezerwowego zasilania, nieprawidłowe działanie może rozszerzyć zakres uszkodzenia, a nawet spowodować całkowitą awarię stacji.

3 Analiza przypadku
3.1 Przebieg uszkodzenia

Podstawowy diagram kablowy stacji 110 kV przedstawiono na Rysunku 2. Przed uszkodzeniem, niskonapięciowy wyłącznik 018 transformatora 1 był zamknięty, niskonapięciowy wyłącznik 032 transformatora 2 był zamknięty, a wyłącznik 034 znajdował się w pozycji testowej.

30 lipca 2023 roku o godzinie 06:14, ochrona przeciw nadmiernemu prądowi sekcji I transformatora uziemiającego nr 2 została aktywowana, wyłączając wyłącznik 022 transformatora uziemiającego nr 2. W tym samym czasie, interlokowanie wyłączyło niskonapięciowy wyłącznik 032 transformatora 2, powodując utratę zasilania w szynach 10 kV sekcji II i III. Urządzenie automatycznego rezerwowego zasilania (automatyczne rezerwowe zasilanie) zadziałało, zamykając łącznik szyn 10 kV sekcji I/II 020.

O godzinie 06:36, ochrona przeciw nadmiernemu prądowi sekcji I transformatora uziemiającego nr 1 została aktywowana, wyłączając wyłącznik 015 transformatora uziemiającego nr 1 i interlokując, aby wyłączyć niskonapięciowy wyłącznik 018 transformatora 1, co doprowadziło do utraty zasilania we wszystkich szynach 10 kV sekcji I, II i III. Urządzenie automatycznego rezerwowego zasilania następnie zamknęło niskonapięciowy wyłącznik 032 transformatora 2 i wyłącznik 022 transformatora uziemiającego nr 2. Jednak uszkodzenie nadal występowało, aktywując ponownie ochronę przeciw nadmiernemu prądowi sekcji I transformatora uziemiającego nr 2. Wyłącznik 022 został wyłączony i interlokując, wyłączył wyłącznik 032, co ostatecznie doprowadziło do całkowitej utraty zasilania w systemie 10 kV stacji.

3.2 Wyniki kontroli sprzętu na miejscu
Wyniki kontroli sprzętu pierwotnego:

• Korpus transformatora uziemiającego: Nie wykryto żadnych anomalii w transformatorach uziemiających nr 1 i nr 2, bez widocznych śladów uszkodzeń w cewkach ani rdzeniach.

• Interwał PT szyny 10 kV sekcji III (switchgear 040):

• Widoczne ślady wilgoci na górnym pokrywie obudowy switchgear, co wskazuje na infiltrację deszczówki.

• Silne ablacje w pozycji fazy C przegrody schowka wózka, z dwoma otworami w górnej przegrodzie.

• Skrzynka kontaktów górnych i statycznych kontaktów fazy C były spalone i uszkodzone, z akumulacją wody w skrzynce.

• Ślady spalania łuku na górnych/dolnych kontaktach ruchomych wózka ogranicznika przepięć, zanik sprężyn i uszkodzenie izolatorów ramion kontaktowych.

• Zewnętrzna izolacyjna rurka fazy C szyny w komorze szyn była spalona i pęknięta. Obserwowano penetrację śladów wilgoci w obszarze fazy C tylnej płyty komory szyn, a krople wody kondensowały na czujniku żywości.

• Mała ilość wody zgromadziła się na dnie komory transformatora napięciowego, podczas gdy trzyfazowe PT nie wykazały żadnych widocznych zewnętrznych anomalii.

Przekład ziemny w wyniku infiltracji deszczówki z góry stalowego wspornika komory PT szyny 10 kV sekcji III, która przeniknęła do switchgear, degradując izolację i powodując przekład fazy C, który ewoluował w metaliczny przekład ziemny. W systemie małego oporu, transformator uziemiający nr 2 wykrył prądy zerowe około 4,3 A/faza (przekraczające ustawienie 2,5 A ochrony przeciw nadmiernemu prądowi sekcji I), co spowodowało wyłączenie. Ochrona przeciw nadmiernemu prądowi nie blokuje 10 kV automatycznego rezerwowego zasilania, prowadząc do powtarzalnych operacji. Ostateczne wyłączenie pozostawiło automatyczne rezerwowe zasilanie niezaładowane, co doprowadziło do całkowitej utraty zasilania w systemie 10 kV stacji.

Kluczowy czynnik przyczynowy: Słowo kontrolne "anulowanie prądu zerowego międzyfazowego" było wyłączone (ustawione na "0"), co uniemożliwiło oprogramowaniu filtrowanie składowych prądu zerowego w prądach międzyfazowych. Z prądem zerowym 13 A, ochrona przeciw nadmiernemu prądowi nieprawidłowo zadziałała. Poprawnie włączone, to słowo kontrolne zapobiegłoby uszkodzeniu. Zamiast tego, ochrona przeciw nadmiernemu prądowi zerowemu sekcji I (ustawiona na 1,4 A) zadziałała: 1. limit czasowy wyłączył łącznik szyn i zablokował automatyczne rezerwowe zasilanie; 2. limit czasowy wyłączył wyłączniki transformatora uziemiającego i głównego transformatora, izolując sekcje II/III, podczas gdy sekcja I pozostała zasilona.

Podstawowa przyczyna: Wyłączone słowo kontrolne anulowania prądu zerowego umożliwiło błędne interpretowanie prądów międzyfazowych.

4 Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia ustawienia ochrony transformatorów uziemiających, analizuje ryzyko nieprawidłowego działania podczas wysokich prądów zerowych i prezentuje studium przypadku. Aby zapobiec powtórzeniu:

• Włącz funkcje anulowania prądu zerowego oparte na oprogramowaniu (np. słowo kontrolne "anulowanie prądu zerowego międzyfazowego") w systemach małego oporu.

• Jeśli takie funkcje są niedostępne, zoptymalizuj koordynację między ustawieniami ochrony przeciw nadmiernemu prądowi i ochrony prądu zerowego.

Najważniejsza wskazówka: Proaktywne konfigurowanie oprogramowania ochrony jest kluczowe do zapobiegania nieprawidłowym działaniom podczas przekładów ziemnych.