Analiza slučaja o neredovnom radu releja za prekoračenje struje zemljajućeg transformatora

Neutralni način zemljanja odnosi se na vezu između neutralne tačke sistema snage i zemlje. U kineskim sistemima od 35 kV i niže, uobičajeni metodi uključuju nezemljani neutral, zemljanje putem koila za potiskivanje luka i zemljanje malim otporom. Nezemljani način je široko korišćen jer dozvoljava kratkotrajnu radnju tokom jednofaznih grešaka zemljanja, dok je zemljanje malim otporom postalo mainstream zbog brzog uklanjanja grešaka i ograničavanja prenapona. Mnoge transformatorske stanice instaliraju transformatore za zemljanje kako bi obnovile neutralno zemljanje, ali promenjeni karakteristike grešaka utiču na relejnu zaštitu, stvarajući rizik od pogrešne operacije ili odbijanja.

Ovaj rad predstavlja principe i karakteristike transformatora za zemljanje, istražuje trenutnu konfiguraciju/ podešavanje zaštite struje u sistemima malog otpora, analizira uzroke pogrešne operacije i koristi slučaj jednofaznog zemljanja kako bi analizirao akcije zaštite i korenove greške. Pruža reference za obradu/preprečavanje grešaka, dublji razumevanje održavajućeg osoblja, poboljšava efikasnost otklanjanja grešaka i eliminira potencijalne opasnosti.

Princip rada transformatora za zemljanje

Tokom transformacije transformatorske stanice sa delta-povezanom, neutralno-nezemljanom sistemom u sistem mali-otpornog zemljanja, kako bi se uvezao neutralni tačka, najčešće praksa je dodavanje transformatora za zemljanje na magistralu. Trenutno, generalno se bira Z-tip transformatora za zemljanje kako bi se uvezao tačka zemljanja. Sledeći će biti analiziran princip rada Z-tipa transformatora za zemljanje.

Z-tip transformatora za zemljanje strukturno je sličan običnom transformatoru snage. Međutim, svaki fazni jezgra je podijeljen na dva dijela sa jednakim brojem zavojnica, gornji i donji, koji su povezani u obliku ziga. Njegov način povezivanja prikazan je na Slici 1.

Kada dođe do kraćenja na zemlju, nulto-sekvencijski tok teče preko neutralne tačke. Zig-zag povezivanje Z-tipa transformatora za zemljanje dovodi do toga da se gornji i donji nulto-sekvencijski tokovi suprotstavljaju, anuliraju magnetni fluks i minimiziraju nulto-sekvencijski impedans kako bi se spriječio prekomjeran lukoviti prenapon. Za pozitivne/negativne sekvencijske tokove, njegove elektromagnetne osobine poput one običnog transformatora stvaraju visok impedans, ograničavajući njihov protok.

Tijekom normalne operacije, transformator za zemljanje radi blizu bezopterećen (bez sekundarnog opterećenja). Tijekom greške zemljanja, pozitivni, negativni i nulto-sekvencijski grešci tokova prođu kroz njega. Zbog "visokog pozitivnog/negativnog sekvencijskog, niskog nulto-sekvencijskog impedansa", uređaj za zaštitu uglavnom meri nulto-sekvencijski tok mreže.

2 Konfiguracija i analiza zaštite struje za transformatore za zemljanje

Zaštita struje transformatora za zemljanje tipično koristi faza-faza i nulto-sekvencijsku zaštitu struje. Evo detaljnog pregleda:

2.1 Podešavanje zaštite struje faza-faza
2.1.1 Principi podešavanja

Ova zaštita uključuje instantanu trip i zaštitu nadmernog toka:

• Instantna Trip: Koordinirati s rezervnom zaštitom nadmernog toka istosobnog transformatora snage. Osigurati osjetljivost tijekom dvofaznih kraćenja (minimalni način rada) i izbjegavati talasne tokove (7–10× nominalni tok transformatora za zemljanje) i tokove grešaka na strani niske napetosti.

• Zaštita nadmernog toka: Postaviti da izbegne nominalni tok transformatora za zemljanje i maksimalni greški fazi tok tijekom vanjskog jednofaznog zemljanja, osiguravajući pouzdanost.

• Logika rada: Instantna trip djeluje odmah (bez kašnjenja); zaštita nadmernog toka (rezervna za faza-faza kraćenja) ima kratko kašnjenje i niže postavke za ravnomerno koordinisanje.

2.1.2 Načini tripovanja

Na osnovu veze transformatora za zemljanje sa transformatorom snage:

• Povezan na niskonaponsku magistralu: Instantna trip/zaštita nadmernog toka tripuje istosobni prekidnik kako bi brzo izolirao grešku.

• Povezan na niskonaponski vod: Zaštita tripuje sve prekidnike kako bi prekinula put greške i sprečila eskalaciju.

2.2 Podešavanje nulto-sekvencijske zaštite struje za transformatore za zemljanje
2.2.1 Principi podešavanja

• Vrijednost podešavanja struje treba da osigura dovoljnu osjetljivost kada dođe do jednofazne greške na zemlju.

• Saradnja s vrijednošću podešavanja dugotrajne zaštite za punu liniju osjetljivosti nulto-sekvencijske zaštite niže razine.

• Za prvi rok nulto-sekvencijske struje, treba uzeti u obzir izbegavanje uzastopnog pojavljivanja jednofaznih grešaka na zemlju na dvije linije.

• Vrijeme rada treba da bude duže od maksimalnog vremena rada Odeljka II nulto-sekvencijske struje svake povezane komponente magistrale.

Pošto nulto-sekvencijska zaštita transformatora za zemljanje ne služi kao glavna zaštita, postoje tri roka, koji su prikazani ispod:

U formuli: t0¹, t0², t0³ su 1., 2. i 3. rok nulto-sekvencijske zaštite transformatora za zemljanje redom; t_0I' je vrijeme podešavanja Odeljka I nulto-sekvencijske struje izlazne linije; t_0II' je najduže vrijeme podešavanja Odeljka II nulto-sekvencijske zaštite struje svih opreme na magistrali osim transformatora za zemljanje; Δt je postavljeno na 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Načini tripovanja

• Kada je transformator za zemljanje povezan na odgovarajuću magistralu transformatorske stanice, nulto-sekvencijska zaštita struje djeluje: 1. rok tripuje prekidnik magistralnog spoja ili prekidnik sekcije i blokira uređaj za automatsko upotrebljavanje rezervne snage (kratko nazivano "automatsko upotrebljavanje rezerve"); 2. rok tripuje prekidnike istosobni transformatoru za zemljanju i transformatoru snage.

• Kada je transformator za zemljanje povezan na odgovarajući vod transformatora snage, nulto-sekvencijska zaštita struje djeluje: 1. rok tripuje prekidnik magistralnog spoja ili prekidnik sekcije i blokira automatsko upotrebljavanje rezerve; 2. rok tripuje prekidnik istosobni transformatoru snage; 3. rok tripuje prekidnike na svim stranama transformatora snage.

2.3 Analiza rada zaštite struje za transformatore za zemljanje

Analiza konfiguracije zaštite transformatora za zemljanje pokazuje značajne razlike u načinima tripovanja između faza-faza i nulto-sekvencijske zaštite struje: nulto-sekvencijska zaštita blokira automatsko upotrebljavanje rezerve tijekom rada, dok faza-faza zaštita ne čini.

Ako merena nulto-sekvencijska struja dostigne vrijednost rada i dođe do greške zemljanja (s transformatorom za zemljanje kao jedinom putanjom nulto-sekvencijske struje u sistemu mali-otpornog zemljanja), uređaj detektuje grešku, ali ne može je lokirati. Ako je greška na izlaznoj liniji, nakon što zaštita tripuje transformator za zemljanje, automatsko upotrebljavanje rezerve prelazi na rezervnu magistralu. Ako rezervna magistrala ponovo zatvori na grešnu liniju, transformator za zemljanje na njoj još uvijek detektuje nulto-sekvencijsku struju, što dovodi do novog tripovanja. Pošto automatsko upotrebljavanje rezerve nije završilo nabijanje, raspon isključivanja može se proširiti. Stoga, nulto-sekvencijska zaštita mora blokirati automatsko upotrebljavanje rezerve.

Kada faza-faza zaštita djeluje (ali nulto-sekvencijska zaštita ne), uređaj zaključuje da je došlo do dvofaznog kraćenja unutar samog transformatora za zemljanje. Tripuje transformator za zemljanje, paralelno tripuje istosobni prekidnik transformatora snage, a automatsko upotrebljavanje rezerve prelazi na rezervnu magistralu. Budući da je greška na tripovanom transformatoru za zemljanje, rezervna magistrala se ponovo povezuje na normalnu liniju, vraćajući snagu.

Zaključno, faza-faza i nulto-sekvencijska zaštita struje transformatora za zemljanje značajno se razlikuju u ocjeni uzroka i lokacije greške, zahtevajući različite podešavanja i konfiguracije. Međutim, tijekom kraćenja na zemlju, faza-faza zaštita može pogrešno funkcionisati zbog merenih nulto-sekvencijskih komponenti. Zbog njihove različite logike automatskog upotrebljavanja rezerve, pogrešno funkcionisanje može proširiti raspon greške ili čak dovesti do potpunog isključivanja transformatorske stanice.

3 Analiza slučaja
3.1 Proces greške

Primarna shema vezivanja 110 kV transformatorske stanice prikazana je na Slici 2. Prije greške, niskonaponski prekidnik 018 transformatora 1 bio je zatvoren, niskonaponski prekidnik 032 transformatora 2 bio je zatvoren, a prekidnik 034 bio je u testnoj poziciji.

30. jula 2023. godine u 06:14, aktivirala se zaštita nadmernog toka I sekcije drugog transformatora za zemljanje, tripujući prekidnik 022 drugog transformatora za zemljanje. Istodobno, interaktivno je prekinuto niskonaponski prekidnik 032 transformatora 2, što je dovelo do gubitka snage na 10 kV magistrali II i III. Uređaj za automatsko upotrebljavanje rezervne snage (automatsko upotrebljavanje rezerve) je radio tako da je zatvorio prekidnik magistralnog spoja 10 kV I/II 020.

U 06:36, aktivirala se zaštita nadmernog toka I sekcije prvog transformatora za zemljanje, tripujući prekidnik 015 prvog transformatora za zemljanje i interaktivno prekinuvši niskonaponski prekidnik 018 transformatora 1, što je dovelo do gubitka snage na svim 10 kV magistralama I, II i III. Uređaj za automatsko upotrebljavanje rezerve zatim je zatvorio niskonaponski prekidnik 032 transformatora 2 i prekidnik 022 drugog transformatora za zemljanje. Međutim, greška je nastavila, aktivirajući ponovo zaštitu nadmernog toka I sekcije drugog transformatora za zemljanje. Prekidnik 022 je tripovan i interaktivno prekinuo prekidnik 032, što je konačno dovelo do potpunog isključivanja 10 kV sistema transformatorske stanice.

3.2 Rezultati inspekcije opreme na terenu
Rezultati inspekcije primarne opreme:

• Tijelo transformatora za zemljanje: Na prvom i drugom transformatoru za zemljanje nisu pronađene nikakve anomalije, sa nema očiglednih tragova greške u zavojnicama ili jezgrima.

• Interval PT 10 kV magistrala III (uređaj 040):

• Očigledne vodene tragove na vrhu kućišta uređaja, što ukazuje na penetraciju kiše.

• Teška ablacija na C-faznoj poziciji zavore kamere voznog vozila, sa dva otvora na gornjoj zavori.

• C-fazna gornja kutija kontakata i statički kontakt su bili izgorjeli i oštećeni, sa tekućom vodom koja se nagomilala unutar kutije.

• Tragovi luka na C-faznim gornjim/donjim pokretnim kontaktima voznog vozila odgroma, annealed springovi i oštećeni izolacioni cilindri kontaktnog ruka.

• Vanjska izolaciona manga C-faznog busa u bus komori bila je izgorjena i puknuta. Penetracija vodene tragove je otkrivena u C-faznom području backplate bus komore, a kondenzirane kapljice su bile na senzoru živog displeja.

• Malo vode se nagomilalo na dnu komore trofaznog PT-a, dok su trofazni PT-i nisu pokazali očigledne vanjske anomalije.

Kiša je probila kroz čelikovu podlogu iznad komore PT 10 kV magistrale III, penetrirajući uređaj, smanjujući izolaciju i dovodeći do C-faznog ispraznjenja koje se razvilo u metaličku grešku zemljanja. U sistemu mali-otpornog zemljanja, drugi transformator za zemljanje je detektirao nulto-sekvencijske tokove od oko 4.3 A/faza (premašujući podešavanje nadmernog toka I sekcije od 2.5 A), što je aktiviralo tripovanje. Zaštita nadmernog toka ne blokira 10 kV automatsko upotrebljavanje rezerve, što dovodi do ponovljenih operacija. Konačno tripovanje ostavilo je automatsko upotrebljavanje rezerve nerabljivo, što je dovelo do potpunog isključivanja 10 kV sistema.

Ključan faktor doprinosa: Kontrolna reč "otkazivanje nulto-sekvencijskih komponenti faze struje" bila je isključena (postavljena na "0"), što je sprečilo softversko filtriranje nulto-sekvencijskih komponenti u fazama struje. Sa 13 A nulto-sekvencijskom strujom, zaštita nadmernog toka je pogrešno funkcionisala. Ako je ispravno omogućena, ova kontrola bi sprečila grešku. Umjesto toga, I sekcija nulto-sekvencijske zaštite nadmernog toka (postavljena na 1.4 A) je funkcionirala: 1. rok tripovanja magistralnog spoja i blokiranje automatskog upotrebljavanja rezerve; 2. rok tripovanja transformatora za zemljanje i glavnog transformatora, izolirajući sekcije II/III, dok je sekcija I ostala snabdijena energijom.

Koren uzroka: Isključena kontrolna reč otkazivanja nulto-sekvencijskih komponenti dozvolila je pogrešnu interpretaciju faza struje.

4 Zaključak

Ovaj rad opisuje podešavanja zaštite transformatora za zemljanje, analizira rizike pogrešne operacije kod visokih nulto-sekvencijskih struja i predstavlja studiju slučaja. Da bi se sprečila ponovna pojava:

• Omogućiti softverske funkcije otkazivanja nulto-sekvencijskih komponenti (npr. kontrolna reč "otkazivanje nulto-sekvencijskih komponenti faze struje") u sistemima mali-otpornog zemljanja.

• Ako takve funkcije nisu dostupne, optimizirati koordinaciju između podešavanja zaštite nadmernog toka i nulto-sekvencijske zaštite.

Ključni iznos: Proaktivna konfiguracija softvera za zaštitu ključna je za sprečavanje pogrešne operacije tijekom grešaka zemljanja.