Аналіз випадку неправильного функціонування реле захисту від перевантаження заземлювального трансформатора

Режим заземлення нейтралі відноситься до з'єднання нейтральної точки електроенергетичної системи з землею. У китайських системах 35 кВ та нижче, поширені методи включають незаземлений нейтраль, заземлення через дуговий розрядник і заземлення за допомогою малого опору. Незаземлений режим широко використовується, оскільки дозволяє короткотривалу роботу під час аварій однофазного заземлення, а заземлення за допомогою малого опору стало основним завдяки швидкому вилученню аварій та обмеженню перенапруг. Багато підстанцій встановлюють заземлювальні трансформатори для модернізації заземлення нейтралі, але змінені характеристики аварій впливають на реле-захист, що призводить до помилкових дій або відмов.

У цій статті розглядаються принципи та характеристики заземлювального трансформатора, розкриваються поточні конфігурації/налаштування захисту в системах з малим опором, аналізуються причини помилкових дій, а також розглядається випадок однофазного заземлення для розбору дій захисту та кореневих причин відмов. Це надає посилання для вирішення/попередження аварій, глибоко розуміння технічного персоналу, підвищує ефективність вирішення проблем та усуває потенційні загрози.

Принцип роботи заземлювального трансформатора

Під час модернізації підстанції з трикутним з'єднанням, нейтральним незаземленим системою, до системи з малим опором, для введення нейтральної точки найпоширеніше практика полягає в додаванні заземлювального трансформатора до шини. На сьогодні загалом вибирається Z-тип заземлювального трансформатора для введення точки заземлення. Далі буде проаналізовано принцип роботи Z-типу заземлювального трансформатора.

Z-тип заземлювального трансформатора конструктивно подібний до звичайного силового трансформатора. Однак, намотка на кожному фазовому сердечнику розділена на дві рівні частини, верхню та нижню, які з'єднані у вигляді зигзага. Його спосіб з'єднання показаний на рисунку 1.

При виникненні короткого замикання на землю, нульова послідовність струму протікає через нейтральну точку. Зигзагоподібне з'єднання Z-типу заземлювального трансформатора робить струми нульової послідовності верхньої та нижньої намоток взаємно противими, що скасовує магнітний потік і мінімізує імпеданс нульової послідовності, щоб уникнути надмірної перенапруги при дуговому заземленні. Для позитивних/негативних послідовностей, його електромагнітні властивості, подібні до звичайного трансформатора, створюють високий імпеданс, обмежуючи їхній потік.

При нормальній роботі, заземлювальний трансформатор працює близько до навантаження (без вторинного навантаження). Під час аварії на землю, струми позитивної, негативної та нульової послідовностей проходять через нього. Завдяки "високому імпедансу позитивної/негативної послідовності, низькому імпедансу нульової послідовності", пристрій захисту в основному вимірює нульовий струм мережі.

2 Конфігурація та аналіз струмового захисту заземлювальних трансформаторів

Струмовий захист заземлювальних трансформаторів зазвичай використовує захист між фазами та захист нульового струму. Ось деталі:

2.1 Налаштування захисту між фазами
2.1.1 Принципи налаштування

Цей захист включає моментальне відключення та захист від перевищень струму:

• Моментальне відключення: Координується з резервним захистом від перевищень струму на тій же стороні живлення. Забезпечує чутливість при двофазних коротких замиканнях (мінімальний режим роботи) та уникнення впливу вхідних струмів (7-10 разів номінальний струм заземлювального трансформатора) та струмів аварій на нижньому напрузі.

• Захист від перевищень струму: Встановлюється, щоб уникнути номінального струму заземлювального трансформатора та максимального фазового струму аварії під час зовнішнього однофазного заземлення, забезпечуючи надійність.

• Логіка роботи: Моментальне відключення діє негайно (без затримки); захист від перевищень струму (резервний захист між фазами) має коротку затримку та нижчі налаштування для рівневої координації.

2.1.2 Режими відключення

На основі з'єднання заземлювального трансформатора з трансформатором живлення:

• Підключений до низьконапінної шини: Моментальне відключення/захист від перевищень струму відключає комутатор на тій же стороні, щоб швидко ізольувати аварії.

• Підключений до низьконапінного виходу: Захист відключає всі комутатори, щоб зрізати шлях аварії та запобігти її поширенню.

2.2 Налаштування захисту нульового струму заземлювальних трансформаторів
2.2.1 Принципи налаштування

• Значення струму налаштування повинно забезпечувати достатню чутливість при однофазному заземленні.

• Співпрацює з значенням довготривалого захисту для повної лінійної чутливості нижнього рівня захисту нульового струму.

• Для першої обмеження нульового струму, слід врахувати уникнення послідовного виникнення однофазних заземлень на двох лініях.

• Час роботи повинен бути довший, ніж максимально допустимий час роботи секції II нульового струму кожного з'єднаного компонента шини.

Оскільки захист нульового струму заземлювального трансформатора не служить як основний захист, існує три обмеження, які показані нижче:

У формулі: t0¹, t0², t0³ - перше, друге та третє обмеження захисту нульового струму заземлювального трансформатора відповідно; t_0I' - значення налаштування часу секції I нульового струму виходу; t_0II' - найдовше значення налаштування часу секції II захисту нульового струму всіх обладнань на шині, окрім заземлювального трансформатора; Δt встановлюється як 0.2-0.5 с.

2.2.2 Режими відключення

• Коли заземлювальний трансформатор підключений до відповідної шини підстанції, захист нульового струму діє: перше обмеження відключає комутатор з'єднання шин або комутатор секції та блокує автоматичний резервний вхід (коротко "автоматичний резервний вхід"); друге обмеження відключає комутатори на тій же стороні заземлювального трансформатора та трансформатора живлення.

• Коли заземлювальний трансформатор підключений до відповідного виходу трансформатора живлення, захист нульового струму діє: перше обмеження відключає комутатор з'єднання шин або комутатор секції та блокує автоматичний резервний вхід; друге обмеження відключає комутатор на тій же стороні трансформатора живлення; третє обмеження відключає комутатори на всіх сторонах трансформатора живлення.

2.3 Аналіз роботи струмового захисту заземлювальних трансформаторів

Аналіз конфігурації захисту заземлювального трансформатора показує значні відмінності в режимах відключення між захистом між фазами та захистом нульового струму: захист нульового струму блокує автоматичний резервний вхід під час роботи, а захист між фазами - ні.

Якщо виміряний захисним пристроєм нульовий струм досягає значення роботи, і відбувається аварія на землю (при заземлювальному трансформаторі як єдиному шляху нульового струму в системі з малим опором), пристрій виявляє аварію, але не може її локалізувати. Якщо аварія на виході, після відключення заземлювального трансформатора, автоматичний резервний вхід переключається на резервну шину. Якщо резервна шина повторно закривається на аварійну лінію, заземлювальний трансформатор на ній все ще виявляє нульовий струм, що викликає ще одне відключення. Оскільки автоматичний резервний вхід не завершив зарядки, діапазон відключення може розширюватися. Тому захист нульового струму повинен блокувати автоматичний резервний вхід.

При дії захисту між фазами (але не захисту нульового струму), пристрій визначає міжфазне коротке замикання в самому заземлювальному трансформаторі. Він відключає заземлювальний трансформатор, паралельно відключає комутатор на тій же стороні трансформатора живлення, і автоматичний резервний вхід переключається на резервну шину. Оскільки аварія відбувається на відключеному заземлювальному трансформаторі, резервна шина повторно підключається до нормальної лінії, відновлюючи живлення.

У підсумку, захист між фазами та захист нульового струму заземлювальних трансформаторів значно відрізняються в визначенні причин та локації аварії, що вимагає різних налаштувань та конфігурацій. Однак, під час короткого замикання на землю, захист між фазами може помилково включатися через виміряні компоненти нульової послідовності. З урахуванням їх різних логік автоматичного резервного входу, помилкове включення може розширити діапазон аварії або навіть спричинити відключення всієї підстанції.

3 Аналіз випадку
3.1 Процес аварії

Основна схема підстанції 110 кВ показана на рисунку 2. Перед аварією, низьконапінний комутатор 018 трансформатора 1 був закритий, низьконапінний комутатор 032 трансформатора 2 був закритий, а комутатор 034 був у тестовій позиції.

О 06:14 30 липня 2023 року, захист від перевищень струму першої секції заземлювального трансформатора №2 активізувався, відключивши комутатор заземлювального трансформатора 022. Водночас, він інтерлокував відключення низьконапінного комутатора 032 трансформатора 2, що призвело до втрати живлення шин 10 кВ секцій II та III. Автоматичний резервний вхід (авторезерв) включив комутатор з'єднання шин 10 кВ секцій I/II 020.

О 06:36, захист від перевищень струму першої секції заземлювального трансформатора №1 активізувався, відключивши комутатор заземлювального трансформатора 015 та інтерлокував відключення низьконапінного комутатора 018 трансформатора 1, що призвело до втрати живлення усіх шин 10 кВ секцій I, II та III. Авторезерв включив низьконапінний комутатор 032 трансформатора 2 та комутатор заземлювального трансформатора 022. Однак, аварія продовживася, що викликало повторне включення захисту від перевищень струму першої секції заземлювального трансформатора №2. Комутатор 022 відключився та інтерлокував відключення комутатора 032, що врешті-решт призвело до повного відключення системи 10 кВ підстанції.

3.2 Результати перевірки обладнання на місці
Перевірка первинного обладнання:

• Тіло заземлювального трансформатора: Не було виявлено аномалій у заземлювальних трансформаторах №1 та №2, без очевидних слідів аварії в намотках або сердечниках.

• Інтервал PT шини 10 кВ секції III (шкаф 040):

• Очевидні водяні плями на верхній кришці шкафа, що свідчить про проникнення дощової води.

• Сильне згоріння у C-фазі відділення затвора камери, з двома отворами на верхньому затворі.

• C-фаза верхнього контакту та статичний контакт були спалені та пошкоджені, з наявністю рідкої води всередині коробки.

• Сліди від дуги на верхньому/нижньому рухомих контактах апарату захисту від перенапруг, аннулювання пружин та пошкодження ізоляційних циліндров контактного плеча.

• Згоріла та тріщината зовнішня ізоляційна рукавичка C-фази шини в камері шин. Було виявлено проникнення води в C-фазі задньої панелі камери шин, а на датчику вказівника живлення були конденсовані водяні краплі.

• Невелика кількість води зібралася на дні камери напругових трансформаторів, а трифазні PT не мали очевидних зовнішніх аномалій.

Протікання дощової води з металевої підстави над камерою PT шини 10 кВ секції III проникло в шкаф, погіршивши ізоляцію та викликавши C-фазне виділення, яке перетворилося на металеву землю. У системі з малим опором, заземлювальний трансформатор №2 виявив нульові струми ~4.3 А/фазу (перевищуючи налаштування 2.5 А захисту від перевищень струму першої секції), що викликало відключення. Захист від перевищень струму не блокує авторезерв 10 кВ, що призвело до повторних операцій. Остаточне відключення залишило авторезерв незарядженим, що призвело до повного відключення 10 кВ.

Ключовий фактор: Контрольне слово "анулювання нульової послідовності струму фази" було вимкнено (встановлено на "0"), що не дозволяло програмному забезпеченню фільтрувати компоненти нульової послідовності у струмах фаз. З нульовим струмом 13 А, захист від перевищень струму помилково включився. При правильному ввімкненні, це контрольне слово могло б запобігти аварії. Замість цього, захист від перевищень нульового струму першої секції (встановлений на 1.4 А) включився: перше обмеження відключило комутатор з'єднання шин та заблокувало авторезерв; друге обмеження відключило комутатори заземлювального та головного трансформаторів, ізольюючи секції II/III, поки секція I залишалася під живленням.

Основна причина: Вимкнене контрольне слово анулювання нульової послідовності дозволило невірне трактування струмів фаз.

4 Висновки

У цій статті розглядаються налаштування захисту заземлювальних трансформаторів, аналізуються ризики помилкових включень при високих нульових струмах, та представляється випадок. Для запобігання повторення:

• Ввімкнути програмні функції анулювання нульової послідовності (наприклад, контрольне слово "анулю