Phân tích Trường hợp về Sự cố Hoạt động Sai của Rơle Bảo vệ Quá dòng của Biến áp Đất

Chế độ nối đất trung tính đề cập đến kết nối giữa điểm trung tính của hệ thống điện và mặt đất. Trong các hệ thống 35 kV và dưới ở Trung Quốc, các phương pháp phổ biến bao gồm không nối đất trung tính, nối đất thông qua cuộn dây chống hồ quang, và nối đất thông qua điện trở nhỏ. Phương pháp không nối đất được sử dụng rộng rãi vì cho phép hoạt động trong thời gian ngắn khi có sự cố chập một pha, trong khi nối đất thông qua điện trở nhỏ đã trở thành xu hướng chính do khả năng loại bỏ nhanh chóng sự cố và hạn chế quá áp. Nhiều trạm biến áp lắp đặt biến áp nối đất để cải tạo việc nối đất trung tính, nhưng đặc tính sự cố thay đổi ảnh hưởng đến bảo vệ rơle, gây nguy cơ vận hành sai hoặc từ chối.

Bài viết này giới thiệu nguyên lý và đặc điểm của biến áp nối đất, trình bày cấu hình/biểu định bảo vệ hiện tại trong các hệ thống điện trở nhỏ, phân tích nguyên nhân vận hành sai, và lấy một trường hợp chập một pha để phân tích các hành động bảo vệ và nguyên nhân lỗi. Nó cung cấp tài liệu tham khảo cho xử lý/phòng ngừa sự cố, làm sâu sắc hiểu biết của nhân viên bảo trì, nâng cao hiệu quả khắc phục sự cố, và loại bỏ tiềm ẩn nguy hiểm.

Nguyên lý hoạt động của biến áp nối đất

Trong quá trình chuyển đổi trạm biến áp có hệ thống tam giác, trung tính không nối đất sang hệ thống nối đất thông qua điện trở nhỏ, để đưa vào điểm trung tính, cách thức phổ biến nhất là thêm biến áp nối đất vào busbar. Hiện nay, thường chọn biến áp nối đất kiểu Z để đưa vào điểm nối đất. Tiếp theo, sẽ phân tích nguyên lý hoạt động của biến áp nối đất kiểu Z.

Biến áp nối đất kiểu Z về cấu trúc tương tự như biến áp điện thông thường. Tuy nhiên, mỗi cuộn dây trên lõi mỗi pha được chia thành hai phần với số vòng bằng nhau, trên và dưới, được kết nối theo hình chữ zíc-zắc. Cách đấu dây được thể hiện trong Hình 1.

Khi xảy ra chập đất, dòng điện thứ tự không chảy vào qua điểm trung tính. Kết nối zíc-zắc của biến áp nối đất kiểu Z làm cho dòng điện thứ tự không trên và dưới cuộn dây đối lập nhau, triệt tiêu từ thông và giảm thiểu trở kháng thứ tự không để tránh quá áp hồ quang quá mức. Đối với dòng điện thứ tự dương/tiêu cực, đặc tính điện từ giống như biến áp thông thường tạo ra trở kháng cao, hạn chế dòng chảy của chúng.

Trong điều kiện hoạt động bình thường, biến áp nối đất chạy gần như không tải (không có tải thứ cấp). Khi có sự cố chập đất, dòng điện sự cố thứ tự dương, tiêu cực và không đi qua nó. Nhờ "trở kháng thứ tự dương/tiêu cực cao, trở kháng thứ tự không thấp", thiết bị bảo vệ chủ yếu đo dòng điện thứ tự không của lưới.

2 Cấu hình và Phân tích Bảo vệ Dòng Điện cho Biến Áp Nối Đất

Bảo vệ dòng điện cho biến áp nối đất thường sử dụng bảo vệ dòng điện giữa pha và bảo vệ dòng điện thứ tự không. Chi tiết như sau:

2.1 Thiết lập Bảo vệ Dòng Điện Giữa Pha
2.1.1 Nguyên tắc Thiết lập

Bảo vệ này bao gồm bảo vệ cắt tức thì và bảo vệ quá dòng:

• Cắt tức thì: phối hợp với bảo vệ quá dòng dự phòng của biến áp nguồn cùng bên. Đảm bảo độ nhạy trong trường hợp chập hai pha (chế độ hoạt động tối thiểu) và tránh dòng khởi động (7-10 lần dòng định mức của biến áp nối đất) và dòng sự cố phía hạ thế.

• Bảo vệ quá dòng: thiết lập để tránh dòng định mức của biến áp nối đất và dòng pha lớn nhất trong trường hợp chập một pha bên ngoài, đảm bảo độ tin cậy.

• Logic hoạt động: Cắt tức thì tác động ngay lập tức (không có độ trễ); bảo vệ quá dòng (dự phòng cho chập giữa pha) có độ trễ ngắn và thiết lập thấp hơn để phối hợp theo cấp.

2.1.2 Chế độ Cắt

Dựa trên cách kết nối của biến áp nối đất với biến áp nguồn:

• Kết nối với busbar hạ thế: Cắt tức thì/bảo vệ quá dòng cắt cầu dao cùng bên để cách ly sự cố nhanh chóng.

• Kết nối với đường dẫn hạ thế: Bảo vệ cắt tất cả cầu dao để cắt đường sự cố và ngăn chặn sự lan rộng.

2.2 Thiết lập Bảo vệ Dòng Điện Thứ Tự Không cho Biến Áp Nối Đất
2.2.1 Nguyên tắc Thiết lập

• Giá trị thiết lập dòng điện phải đảm bảo độ nhạy đủ khi có sự cố chập một pha xuống đất.

• Phối hợp với giá trị thiết lập của bảo vệ chậm dài hạn để đảm bảo độ nhạy toàn tuyến của bảo vệ dòng điện thứ tự không cấp dưới.

• Đối với thời gian đầu tiên của dòng điện thứ tự không, cần xem xét để tránh sự xuất hiện liên tiếp của sự cố chập một pha xuống đất trên hai đường dây.

• Thời gian tác động phải dài hơn thời gian tác động tối đa của Phần II dòng điện thứ tự không của mỗi thành phần kết nối với busbar.

Vì bảo vệ dòng điện thứ tự không của biến áp nối đất không đóng vai trò bảo vệ chính, nên có ba thời gian giới hạn, được thể hiện như sau:

Trong công thức: t0¹, t0², t0³ là thời gian giới hạn thứ 1, 2, và 3 của bảo vệ dòng điện thứ tự không của biến áp nối đất tương ứng; t_0I' là giá trị thiết lập thời gian của Phần I dòng điện thứ tự không của đường ra; t_0II' là giá trị thiết lập thời gian dài nhất của Phần II bảo vệ dòng điện thứ tự không của tất cả thiết bị trên busbar ngoại trừ biến áp nối đất; Δt được thiết lập là 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Chế độ Cắt

• Khi biến áp nối đất được kết nối với busbar tương ứng của trạm biến áp, bảo vệ dòng điện thứ tự không hoạt động: thời gian giới hạn thứ 1 cắt cầu dao bus tie hoặc cầu dao phân đoạn và chặn thiết bị tự động cấp nguồn dự phòng (gọi tắt là "tự động cấp nguồn dự phòng"); thời gian giới hạn thứ 2 cắt cầu dao cùng bên của biến áp nối đất và biến áp nguồn.

• Khi biến áp nối đất được kết nối với đường dẫn tương ứng của biến áp nguồn, bảo vệ dòng điện thứ tự không hoạt động: thời gian giới hạn thứ 1 cắt cầu dao bus tie hoặc cầu dao phân đoạn và chặn tự động cấp nguồn dự phòng; thời gian giới hạn thứ 2 cắt cầu dao cùng bên của biến áp nguồn; thời gian giới hạn thứ 3 cắt cầu dao tất cả các bên của biến áp nguồn.

2.3 Phân tích Hoạt động Bảo vệ Dòng Điện cho Biến Áp Nối Đất

Phân tích cấu hình bảo vệ biến áp nối đất cho thấy sự khác biệt đáng kể về chế độ cắt giữa bảo vệ dòng điện giữa pha và bảo vệ dòng điện thứ tự không: bảo vệ thứ tự không chặn cấp nguồn dự phòng trong quá trình hoạt động, trong khi bảo vệ giữa pha không.

Nếu dòng điện thứ tự không đo bởi thiết bị bảo vệ đạt giá trị tác động và có sự cố chập đất (với biến áp nối đất là đường duy nhất của dòng điện thứ tự không trong hệ thống nối đất điện trở nhỏ), thiết bị phát hiện sự cố nhưng không xác định được vị trí. Nếu sự cố nằm trên đường ra, sau khi bảo vệ cắt biến áp nối đất, cấp nguồn dự phòng chuyển sang busbar dự phòng. Nếu busbar dự phòng đóng lại lên đường dây lỗi, biến áp nối đất trên đó vẫn phát hiện dòng điện thứ tự không, gây ra một lần cắt nữa. Vì cấp nguồn dự phòng chưa hoàn thành sạc, phạm vi mất điện có thể mở rộng. Do đó, bảo vệ thứ tự không phải chặn cấp nguồn dự phòng.

Khi bảo vệ giữa pha tác động (nhưng bảo vệ thứ tự không không), thiết bị xác định sự cố chập giữa pha trong biến áp nối đất. Nó cắt biến áp nối đất, cắt song song cầu dao cùng bên của biến áp nguồn, và cấp nguồn dự phòng chuyển sang busbar dự phòng. Vì sự cố nằm trên biến áp nối đất đã cắt, busbar dự phòng nối lại với đường dây bình thường, khôi phục nguồn điện.

Tóm lại, bảo vệ dòng điện giữa pha và bảo vệ dòng điện thứ tự không của biến áp nối đất khác nhau đáng kể về đánh giá nguyên nhân và vị trí sự cố, đòi hỏi các thiết lập và cấu hình riêng biệt. Tuy nhiên, trong trường hợp chập đất, bảo vệ giữa pha có thể vận hành sai do thành phần thứ tự không được đo. Với logic cấp nguồn dự phòng khác nhau, vận hành sai có thể mở rộng phạm vi sự cố hoặc thậm chí gây mất điện toàn trạm.

3 Phân tích Trường Hợp
3.1 Quá trình Sự Cố

Sơ đồ đấu nối sơ cấp của trạm biến áp 110 kV được hiển thị trong Hình 2. Trước sự cố, cầu dao 018 phía hạ thế của biến áp 1 đóng, cầu dao 032 phía hạ thế của biến áp 2 đóng, và cầu dao 034 ở vị trí thử nghiệm.

Lúc 06:14 ngày 30 tháng 7 năm 2023, bảo vệ quá dòng Phần I của biến áp nối đất số 2 kích hoạt, cắt cầu dao 022 của biến áp nối đất số 2. Đồng thời, nó liên kết để cắt cầu dao 032 phía hạ thế của biến áp 2, khiến busbar 10 kV Phần II và III mất điện. Thiết bị tự động cấp nguồn dự phòng (tự động cấp nguồn dự phòng) hoạt động để đóng cầu dao bus tie 10 kV Phần I/II 020.

Lúc 06:36, bảo vệ quá dòng Phần I của biến áp nối đất số 1 kích hoạt, cắt cầu dao 015 của biến áp nối đất số 1 và liên kết để cắt cầu dao 018 phía hạ thế của biến áp 1, dẫn đến mất điện tất cả busbar 10 kV Phần I, II và III. Thiết bị tự động cấp nguồn dự phòng sau đó đóng cầu dao 032 phía hạ thế của biến áp 2 và cầu dao 022 của biến áp nối đất số 2. Tuy nhiên, sự cố vẫn tiếp diễn, kích hoạt bảo vệ quá dòng Phần I của biến áp nối đất số 2 một lần nữa. Cầu dao 022 cắt và liên kết để cắt cầu dao 032, cuối cùng gây mất điện hoàn toàn hệ thống 10 kV của trạm biến áp.

3.2 Kết quả Kiểm Tra Thiết Bị Trên Trang

• Thân biến áp nối đất: Không tìm thấy bất thường nào ở biến áp nối đất số 1 và số 2, không có dấu vết sự cố rõ ràng trên cuộn dây hoặc lõi.

• Khoảng PT busbar 10 kV Phần III (cầu dao 040):

• Có vết nước rõ ràng trên nắp tủ switchgear, cho thấy nước mưa đã thấm vào.

• Có cháy nghiêm trọng ở vị trí pha C của cửa chắn buồng tay kéo, với hai lỗ xuyên qua trên cửa chắn trên.

• Hộp tiếp xúc pha C và tiếp xúc tĩnh bị cháy và hư hỏng, có nước lỏng tích tụ bên trong hộp.

• Có vết cháy hồ quang trên tiếp xúc di chuyển pha C trên/dưới của tay kéo arrester, lò xo bị nung chảy, và các ống cách điện tay kéo bị hỏng.

• Ống cách điện bên ngoài của busbar pha C trong buồng bus bị cháy và nứt. Có vết nước thấm qua ở khu vực pha C của tấm lưng buồng bus, và có giọt nước ngưng tụ trên cảm biến hiển thị điện áp.

• Có một lượng nhỏ nước tích tụ ở đáy buồng biến áp điện áp, trong khi ba pha PT không có bất thường nào rõ ràng bên ngoài.

Nước mưa rò rỉ từ thanh thép hỗ trợ phía trên buồng PT busbar 10 kV Phần III thấm vào tủ switchgear, làm suy giảm cách điện và gây phóng điện pha C, phát triển thành sự cố chập đất kim loại. Trong hệ thống nối đất điện trở nhỏ, biến áp nối đất số 2 phát hiện dòng điện thứ tự không khoảng 4.3 A/pha (vượt quá giá trị thiết lập 2.5 A của bảo vệ quá dòng Phần I), kích hoạt cắt. Bảo vệ quá dòng không chặn cấp nguồn dự phòng 10 kV, dẫn đến các hoạt động lặp lại. Lần cắt cuối cùng để cấp nguồn dự phòng chưa kịp sạc, gây mất điện hoàn toàn hệ thống 10 kV.

Yếu tố góp phần chính: Từ khóa "hủy bỏ thứ tự không dòng pha" bị vô hiệu hóa (đặt là "0"), ngăn chặn bộ lọc phần mềm của thành phần thứ tự không trong dòng pha. Với dòng điện thứ tự không 13 A, bảo vệ quá dòng vận hành sai. Nếu được kích hoạt đúng, từ khóa này sẽ ngăn chặn sự cố. Thay vào đó, bảo vệ quá dòng thứ tự không Phần I (đặt ở 1.4 A) hoạt động: thời gian giới hạn thứ 1 cắt cầu dao bus tie và chặn cấp nguồn dự phòng; thời gian giới hạn thứ 2 cắt cầu dao biến áp nối đất và biến áp chính, cách ly Phần II/III trong khi Phần I vẫn được cấp điện.

Nguyên nhân gốc rễ: Từ khóa hủy bỏ thứ tự không bị vô hiệu hóa, cho phép hiểu sai dòng pha.

4 Kết luận

Bài viết này mô tả các thiết lập bảo vệ biến áp nối đất, phân tích rủi ro vận hành sai dưới dòng điện thứ tự không cao, và trình bày một trường hợp nghiên cứu. Để ngăn ngừa tái diễn:

• Kích hoạt các tính năng hủy bỏ thứ tự không dựa trên phần mềm (ví dụ: từ khóa "hủy bỏ thứ tự không dòng pha") trong các hệ thống nối đất điện trở nhỏ.

• Nếu các tính năng này không có sẵn, tối ưu hóa sự phối hợp giữa các thiết lập bảo vệ quá dòng và bảo vệ dòng điện thứ tự không.

Điểm mấu chốt: Cấu hình bảo vệ phần mềm chủ động là quan trọng để ngăn chặn vận hành sai trong trường hợp sự cố chập đất.