Fallanalys av felaktig utlösning av överströmskydd på jordtransformator

Neutralan kopplingsläget hänvisar till anslutningen mellan det neutrala punkten i elkraftsystemet och marken. I Kinas system på 35 kV och under är vanliga metoder inklusive obehandlad neutral, bågavskärmningskretslopp till jord och småmotståndskoppling till jord. Obehandlad neutral används ofta eftersom den tillåter korttidsdrift vid enfasiga jordfel, medan småmotståndskoppling har blivit huvudström för dess snabba felborttagning och överspänningsgräns. Många transformatorstationer installerar kopplingstransformatorer för att modernisera neutralkoppling, men ändrade felförhållanden påverkar reläskydd, vilket riskerar felaktig operation eller avvisande.

Detta dokument introducerar principer och egenskaper för kopplingstransformatorer, förklarar nuvarande skyddskonfiguration/ställningstagande i småmotståndssystem, analyserar orsaker till feloperationer och tar ett enfasigt jordfelsfall för att analysera skyddshandlingar och fels orsak. Det ger referenser för feletablering/förebyggande, fördjupar underhållspersonals förståelse, ökar felsökningsverksamhet och elimineras potentiella risker.

Arbetssättet för kopplingstransformatorn

Under omvandlingen av en transformatorstation med deltaanslutning, neutral obehandlad system till ett småmotståndsgrundat system, för att införa en neutralpunkt, är den vanligaste praxis att lägga till en kopplingstransformator vid busbar. För närvarande väljs generellt en Z-typ kopplingstransformator för att införa grundpunkten. Därefter kommer arbetssättet för Z-typ kopplingstransformator att analyseras.

Z-typ kopplingstransformator är strukturellt lik en vanlig strömföringstransformator. Dock delas varje fasvindning på varje kärna i två lika delar, över och under, som är anslutna i ett zick-zack-mönster. Dess anslutningsmetod visas i figur 1.

När en jordkortslutning inträffar flödar nollsekvensström in via den neutrala punkten. Z-typ kopplingstransformatorns zick-zack-anslutning gör att ovan och nedre vindnings nollsekvensströmmar motverkar varandra, neutraliserar magnetiska flöden och minimerar nollsekvensimpedans för att undvika överdriven båggrundning över spänning. För positiva/negativa sekvensströmmar skapar dess konventionella transformatorliknande elektromagnetiska egenskaper hög impedans, begränsar deras flöde.

Under normal drift kör kopplingstransformator nära tom last (ingen sekundär last). Vid ett jordfel passerar positiva, negativa och nollsekvensfelströmmar genom den. På grund av "hög positiv/negativ sekvens, låg nollsekvens impedans" mäter skyddsenheten huvudsakligen nätets nollsekvensström.

2 Konfiguration och analys av strömskydd för kopplingstransformatorer

Kopplingstransformator strömskydd använder typiskt fas-till-fas och nollsekvensströmskydd. Här är uppdelningen:

2.1 Inställning av fas-till-fas strömskydd
2.1.1 Inställningsprinciper

Detta skydd inkluderar omedelbar trip och överströmskydd:

• Omedelbar Trip: Koordinera med reservöverströmskyddet för strömföringstransformator på samma sida. Se till att ha känslighet vid tvåfasiga kortslutningar (minsta driftläge) och undvika inrushingströmmar (7–10× kopplingstransformatornominell ström) och lågspänningsfelströmmar.

• Överströmskydd: Ställ in för att undvika kopplingstransformatorns nominella ström och maximal felfasström under externa enfasiga jordkopplingar, säkerställer tillförlitlighet.

• Driftlogik: Omedelbar trip agerar omedelbart (ingen fördröjning); överströmskydd (reserv för fas-till-fas kortslutningar) har en kort fördröjning och lägre inställningar för gradvis koordination.

2.1.2 Trippningslägen

Baserat på kopplingstransformatorns anslutning till strömföringstransformatorn:

• Ansluten till lågspänningsbus: Omedelbar trip/överströmskydd trippar samma sidans circuitbrytare för att snabbt isolera fel.

• Ansluten till lågspänningsled: Skydd trippar alla sidors circuitbrytare för att skära av fels väg och förhindra eskalering.

2.2 Inställning av nollsekvensströmskydd för kopplingstransformatorer
2.2.1 Inställningsprinciper

• Ströminställningsvärdet ska säkerställa tillräcklig känslighet när ett enfasigt jordfel inträffar.

• Samarbeta med inställningsvärdet för långtids skydd för full linjes känslighet för det understa nollsekvensströmskyddet.

• För det första tidsintervallet av nollsekvensström bör hänsyn tas till att undvika successivt inträffande av enfasiga jordfel på två linjer.

• Drifttid ska vara längre än den maximala drifttiden för sektion II av nollsekvensström för varje anslutet komponent på busbar.

Eftersom nollsekvensströmskyddet för kopplingstransformator inte fungerar som huvudskydd finns det tre tidsintervall, som visas nedan:

I formeln: t0¹, t0², t0³ är respektive det första, andra och tredje tidsintervallet för nollsekvensströmskyddet för kopplingstransformator; t_0I' är tidsinställningsvärdet för sektion I av utgående linjens nollsekvensström; t_0II' är den längsta tidsinställningsvärdet för sektion II av nollsekvensströmskyddet för all utrustning på busbar förutom kopplingstransformator; Δt ställs in som 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Trippningslägen

• När kopplingstransformator är ansluten till motsvarande busbar i transformatorstationen, opererar nollsekvensströmskyddet: det första tidsintervallet trippar busbindelcircuitbrytaren eller sektionscircuitbrytaren och blockerar automatisk reservströmsinmatningsenhet (förkortad som "automatisk reservinmatning"); det andra tidsintervallet trippar circuitbrytarna på samma sida av kopplingstransformator och strömföringstransformator.

• När kopplingstransformator är ansluten till motsvarande led av strömföringstransformator, opererar nollsekvensströmskyddet: det första tidsintervallet trippar busbindelcircuitbrytaren eller sektionscircuitbrytaren och blockerar automatisk reservinmatning; det andra tidsintervallet trippar circuitbrytaren på samma sida av strömföringstransformator; det tredje tidsintervallet trippar circuitbrytarna på alla sidor av strömföringstransformator.

2.3 Analys av strömskyddsoperation för kopplingstransformatorer

Analys av kopplingstransformatorns skyddskonfiguration visar betydande skillnader i trippningslägen mellan fas-till-fas och nollsekvensströmskydd: nollsekvensskydd blockerar automatisk reservinmatning under drift, medan fas-till-fas skydd inte gör det.

Om nollsekvensströmmen mätt av skyddsenheten når driftvärdet och ett jordfel inträffar (med kopplingstransformator som enda nollsekvensströmsväg i ett småmotståndsgrundat system), upptäcker enheten felet men kan inte lokalisera det. Om felet ligger på utgående linjen, efter att skyddet har trippat kopplingstransformatorn, växlar automatisk reservinmatning till reservbus. Om reservbus återkopplar till den felaktiga linjen, upptäcker kopplingstransformatorn på den fortfarande nollsekvensström, vilket utlöser ytterligare en trip. Eftersom automatisk reservinmatning inte har slutfört laddningen, kan avbrottsområdet utvidgas. Därför måste nollsekvensskyddet blockera automatisk reservinmatning.

När fas-till-fas skydd agerar (men nollsekvensskyddet inte gör det), bedömer enheten en fas-till-fas kortslutning i kopplingstransformatorn själv. Den trippar kopplingstransformatorn, parallell-trippar strömföringstransformatorns samma sidans circuitbrytare, och automatisk reservinmatning växlar till reservbus. Eftersom felet ligger på den trippade kopplingstransformatorn, återkopplar reservbus till den normala linjen, återställer strömförsörjningen.

Sammanfattningsvis skiljer sig fas-till-fas och nollsekvensströmskydd för kopplingstransformatorer mycket i fels orsak och platsbedömning, kräver distinkta inställningar och konfigurationer. Men under en jordkortslutning kan fas-till-fas skydd misstolkas p.g.a. mätning av nollsekvenskomponenter. Givet deras olika logiker för automatisk reservinmatning, kan misstolkning utvidga fels område eller till och med orsaka fullständigt avbrott i transformatorstationen.

3 Fallanalys
3.1 Felprocess

Primär kablingsdiagram för en 110 kV transformatorstation visas i figur 2. Innan felet, var lågspännings sida 018 circuitbrytaren av Transformator 1 stängd, lågspännings sida 032 circuitbrytaren av Transformator 2 stängd, och 034 circuitbrytaren var i testposition.

Klockan 06:14 den 30 juli 2023 aktiverades överströmskyddet för avsnitt I av nummer 2 kopplingstransformator, trippade nummer 2 kopplingstransformator 022 circuitbrytare. Samtidigt kopplades den ihop för att skära av lågspännings sida 032 circuitbrytaren av Transformator 2, vilket ledde till att 10 kV avsnitt II och III busbar förlorade strömförsörjning. Automatisk reservströmsinmatningsenhet (auto-standby) aktiverades för att stänga 10 kV avsnitt I/II bus bindel 020 circuitbrytare.

Klockan 06:36 aktiverades överströmskyddet för avsnitt I av nummer 1 kopplingstransformator, trippade nummer 1 kopplingstransformator 015 circuitbrytare och kopplades ihop för att skära av lågspännings sida 018 circuitbrytaren av Transformator 1, vilket ledde till strömförsörjningsförlust i alla 10 kV avsnitt I, II och III busbar. Auto-standby-enheten stängde sedan lågspännings sida 032 circuitbrytaren av Transformator 2 och nummer 2 kopplingstransformator 022 circuitbrytare. Men felet fortsatte, vilket utlöste överströmskyddet för avsnitt I av nummer 2 kopplingstransformator igen. 022 circuitbrytaren trippade och kopplades ihop för att skära av 032 circuitbrytaren, vilket slutligen ledde till fullständigt strömavbrott i transformatorstationens 10 kV-system.

3.2 Resultat av inspektion av platsutrustning
Fynd från inspektion av primärutrustning:

• Kopplingstransformator kropp: Inga avvikelser upptäcktes i nummer 1 och 2 kopplingstransformatorer, inga uppenbara felspår i vindningar eller kärnor.

• 10 kV avsnitt III bus PT-intervall (040 switchgear):

• Uppenbara vattenfläckar på locket på switchgear-kabinettet, indikerar regnvatteninträngning.

• Allvarlig erosion vid C-fas position av handvagnschambren shuttern, med två genomhål på den övre shuttern.

• C-fas övre kontaktbox och statisk kontakt var brända och skadade, med flytande vatten ackumulerat inuti boxen.

• Båglämnar spår på C-fas övre/nedre rörliga kontakter av arrester handvagn, annealed fjädrar, och skadade kontaktarm isolerings cylinder.

• Yttre isolerande mässing av C-fas busbar i buschamber var bränd och sprucken. Vattenfläck penetrering observerades i C-fas området av buschamber bakplatta, och vattendroppar kondenserade på live display sensor.

• En liten mängd vatten ackumulerat i botten av spänningsomvandlare chamber, medan de trefasiga PTs visade inga uppenbara yttre avvikelser.

Regnvattenläckage från stålstödet ovanför 10 kV avsnitt III bus PT-chamber infiltrerade switchgear, förvärrade isolering och orsakade en C-fas utsläpp som utvecklades till en metallisk jordfel. I lågmotståndssystemet upptäckte nummer 2 kopplingstransformator nollsekvensströmmar på ~4.3 A/fas (överstiger 2.5 A överströmskydd avsnitt I-inställning), vilket utlöste tripping. Överströmskyddet blockerar inte 10 kV auto-standby, vilket leder till upprepade operationer. Den slutliga trippningen lämnade auto-standby oladdad, vilket ledde till fullständigt 10 kV avbrott.

Nyckelfaktor: Kontrollordet "fasström nollsekvens avbrott" var inaktiverat (inställt på "0"), vilket hindrade mjukvarufiltering av nollsekvenskomponenter i fasströmmar. Med en 13 A nollsekvensström missopererade överströmskyddet. Om detta kontrollord hade varit korrekt aktiverat, skulle felet ha förhindrats. Istället aktiverade nollsekvensöverströmskyddet avsnitt I (inställt på 1.4 A): 1:a tidsgränsen trippade busbindeln och blockerade auto-standby; 2:a tidsgränsen trippade kopplingstransformatorn och huvudtransformatorn, isolerade avsnitt II/III medan avsnitt I förblev strömförsedd.

Rotorsak: Inaktiverat nollsekvensavbrott kontrollord tillät fel tolkning av fasströmmar.

4 Slutsats

Detta dokument beskriver kopplingstransformatorns skyddsinriktningar, analyserar risken för missoperationer vid höga nollsekvensströmmar, och presenterar ett fallstudie. För att förhindra återkomst:

• Aktivera mjukvarubaserade nollsekvensavbrottsfunktioner (t.ex. "fasström nollsekvensavbrott" kontrollord) i lågmotståndssystem.

• Om sådana funktioner inte är tillgängliga, optimera samordningen mellan överströmskydd och nollsekvensskyddsinriktningar.

Viktig poäng: Proaktiv konfiguration av skyddsmjukvara är avgörande för att förhindra missoperationer vid jordfel.