Protección diferencial para transformadores y otros productos de protección diferencial | CANWIN

Además, existen varias condiciones de funcionamiento anormales del transformador, que incluyen principalmente un nivel bajo de aceite, una temperatura o presión de aceite elevadas, una tensión elevada en el punto neutro del transformador, sobrecarga, sobrecorriente, sobreexcitación, etc.

Para supervisar diferentes fallos o condiciones de funcionamiento anormales, hemos establecido diferentes sistemas de protección, que se dividen en protección principal y protección de respaldo, y la protección principal se caracteriza por su rápida respuesta.

Parte 2: Protección diferencial

La protección diferencial longitudinal es una de las principales protecciones del transformador, y opera instantáneamente disparando los interruptores en cada lado. El área de protección es la parte comprendida entre los transformadores de corriente a cada lado de la protección diferencial, incluyendo el cuerpo del transformador y las líneas de salida entre el transformador de corriente y el transformador. En 2017, el pararrayos del lado de 35 kV del transformador principal n.° 2 de una subestación de 220 kV sufrió una descarga disruptiva en la fase AB, y el chasis del pararrayos se rompió por la descarga. Debido a que el pararrayos de 35 kV estaba ubicado entre el transformador reológico y el transformador principal en el lado de baja tensión de este último, se encontraba dentro del rango de protección de la diferencia longitudinal. Los dos conjuntos de protecciones del transformador principal actuaron correctamente y la falla fue aislada.

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Lógica básica de la protección diferencial

La protección diferencial longitudinal del transformador actual utiliza un dispositivo de protección por microcomputadora. La corriente de cada fase ingresa al dispositivo de protección de forma independiente, y la protección diferencial longitudinal se implementa mediante un algoritmo de software. Tomaremos una fase como ejemplo para ilustrar el principio básico de la protección diferencial longitudinal.

La corriente diferencial que percibe el dispositivo de protección es la suma vectorial de las corrientes secundarias de las dos bobinas. Como se muestra en la Figura 1, cuando el sistema funciona normalmente o sufre un cortocircuito externo, las corrientes secundarias de las dos bobinas tienen la misma magnitud y polaridad opuesta, por lo que la corriente diferencial es cero y la protección no se activa. Como se muestra en la Figura 2, cuando se produce una falla a tierra dentro del rango de protección, las corrientes secundarias tienen la misma magnitud y polaridad, y la corriente diferencial es la suma de las corrientes secundarias. Al alcanzarse el valor de arranque diferencial, la protección se activa.

Sobre la base del método de conexión de bobina secundaria reológica descrito anteriormente, la protección diferencial longitudinal añade ajuste de fase, eliminación de corriente de secuencia cero y conversión de amplitud a los vectores de corriente en lados opuestos para formar un método de cálculo de corriente diferencial, e introduce la curva característica de frenado de relación. Esto constituye la lógica básica de la protección.

Tomando como ejemplo el cableado YN-d11, el diagrama de cableado y el diagrama de fasores de corriente se muestran en la Figura 3. Se observa que, debido a la diferencia de ángulo de 30° entre los fasores de alta y baja tensión, la suma vectorial de ambas corrientes no es cero durante el funcionamiento normal, por lo que se requiere una conversión de fase. Tras la conversión, los lados de alta y baja tensión de la misma fase coinciden.

Existen dos métodos de conversión de fase, uno se basa en el lado Y, de modo que la fase de corriente del lado D sea consistente con la fase de corriente del lado Y, denominado "estrella angular", la protección de estrella angular más común es Narui Jibao RCS-978, etc., la fórmula de conversión es:

El otro método se basa en el lado d, de modo que la fase actual del lado Y sea consistente con la del lado d, lo que se conoce como "ángulo de rotación en estrella". La mayoría de los dispositivos de protección existentes adoptan el método del ángulo de rotación en estrella, y la fórmula de conversión es:

El objetivo de la eliminación de la corriente de secuencia cero es prevenir el mal funcionamiento de la protección diferencial longitudinal. En el cableado YN-d, cuando se produce una falla a tierra fuera del lado de alta tensión, fluye corriente de secuencia cero en el lado Y de alta tensión, pero no en el lado d de baja tensión, y las corrientes de secuencia cero en ambos lados no se pueden equilibrar, por lo que la protección diferencial fallará. En el modo de conversión de "ángulo de rotación en estrella", la diferencia entre las dos corrientes después del cambio de fase en el lado Y ha filtrado la corriente cero, por lo que no es necesario tomar medidas. En el modo de conversión de "ángulo a estrella", la compensación de la corriente de secuencia cero se realiza en el vector de corriente del lado Y, y la fórmula de compensación es:

Debido a la diferencia en la relación de transformación del transformador y la relación de transformación reológica de cada lado, la amplitud secundaria de la corriente diferencial en cada lado del transformador no puede ser la misma durante el funcionamiento normal o en caso de una falla externa. En este caso, es necesario realizar una conversión de amplitud, tomando como referencia el valor de la corriente en un lado, calculando el coeficiente de equilibrio en el otro lado según la tensión en ambos lados y la relación reológica, y multiplicando la corriente en el otro lado por el coeficiente de equilibrio, de modo que el cálculo interno del flujo diferencial del dispositivo sea cero.

Para mejorar aún más la sensibilidad de acción en caso de fallas internas y evitar de manera confiable la corriente desequilibrada de fallas externas, la protección diferencial longitudinal adopta un elemento diferencial con una curva característica de frenado de relación. El eje vertical de la curva de frenado de relación representa la corriente diferencial, el eje horizontal la corriente de frenado, la parte superior de la curva es el área de acción y la parte inferior es el área de frenado. Las curvas características existentes se dividen principalmente en dos tipos: de línea quebrada de dos segmentos y de línea quebrada de tres segmentos.

La curva de frenado de relación de dos segmentos con línea quebrada se muestra en la figura izquierda de la Figura 4. La curva puede ser de tipo ABC, que pasa por el origen, o de tipo ABD, que no pasa por el origen. La mayoría de los dispositivos son de tipo ABC.

La curva de frenado de relación de línea quebrada de tres segmentos se muestra en la figura derecha de la Figura 4, la cual se puede subdividir en dos tipos: una línea horizontal para el segmento AB y una línea oblicua para el mismo segmento. Los equipos con la línea horizontal en la sección AB incluyen Guodian Nanzi PST-1200U, ABB RET-316, Xuji WBH-801 y SEL-387, y los equipos con la línea oblicua en la sección AB incluyen Sifang CSC-326, Shenrui PRS-778 y South Swiss RCS-978.

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Cómo comprobar la protección diferencial

La verificación de la protección diferencial longitudinal se lleva a cabo de acuerdo con la curva característica de frenado de relación; la protección por encima de la curva se activa y la protección por debajo de la curva no se activa:

1) Elija un punto. Seleccione de 3 a 5 puntos para la verificación de la protección diferencial longitudinal, el primer punto se selecciona en el eje vertical de la Figura 4 para verificar la corriente mínima de operación Iop.min; el segundo y tercer punto se seleccionan en el punto de inflexión para verificar la corriente del punto de inflexión Ires; además, elija un punto en cada pendiente para verificar la pendiente.

2) Calcular el valor. Calcular la corriente de arranque, el coeficiente de equilibrio y el equilibrio de cada lado del transformador; luego calcular la magnitud de la corriente y el ángulo de fase de cada lado de cada punto de control de acuerdo con la curva de frenado de relación del dispositivo.

3) Verifique la curva. Aplique el método de variable fija para fijar una corriente en el punto de control y cambiar la magnitud de la otra corriente, de modo que el punto de control se desplace hacia arriba y hacia abajo en la zona de acción y la zona de frenado para verificar si el dispositivo de protección funciona correctamente.

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Componentes auxiliares para protección diferencial

Para que la protección diferencial sea más fiable, la lógica de protección también incluye componentes como arranque, desconexión rápida y bloqueo:

1) Elemento de inicio: La variable de inicio incluye el valor máximo de la corriente diferencial trifásica, la cantidad de variación de corriente, etc. Cuando la variable de inicio es mayor que cualquier valor de inicio, el dispositivo de protección abre la protección diferencial.

2) Elemento diferencial de ruptura rápida: A un nivel alto de corriente de cortocircuito, debido a la saturación del transformador de corriente, el segundo armónico genera un par de frenado enorme y el elemento diferencial se niega a moverse. Para evitar el rechazo de la protección, se instala un elemento diferencial de acción rápida en el dispositivo. Cuando la corriente de cortocircuito alcanza 4 a 10 veces la corriente nominal, el elemento de acción rápida se mueve rápidamente a la salida. Además, para evitar una acción incorrecta de la protección debido a la inconsistencia de las características transitorias de los transformadores de corriente en cada lado cuando hay una gran corriente de cortocircuito, las características relevantes de los transformadores de corriente en cada lado de la protección diferencial del equipo principal incluidos los transformadores deben ser consistentes (Dieciocho Contramedidas 15.1. 10). El lado de alta tensión del transformador principal n.° 2 de una subestación está conectado a la segunda cadena del cableado 2/3, y esta cadena está conectada a otra línea de enlace; En 2017, se produjo una falla a tierra monofásica en la fase B del interruptor en la cadena, y dos conjuntos de protección diferencial para el cuerpo del transformador principal El elemento de ruptura rápida opera para cortar los interruptores en cada lado del transformador principal; la protección diferencial de corriente de fase dividida en ambos lados de la línea de interconexión corta la fase B del interruptor del lado correspondiente, y luego el recierre monofásico tiene éxito.

3) Elemento de bloqueo de corriente de irrupción excitatoria: Cuando se corta el transformador de descarga aérea y el cortocircuito fuera del área del transformador, se genera una enorme corriente de irrupción excitatoria. Para evitar que la corriente diferencial causada por la corriente de irrupción excitatoria provoque un mal funcionamiento del dispositivo, se configura un elemento de bloqueo de corriente de irrupción para la protección de diferencia longitudinal, utilizando distorsión de la forma de onda (forma de onda de corriente diferencial intermitente o asimétrica), identificación de componentes armónicos (contenido del segundo o tercer armónico) e identificación difusa de la corriente de irrupción excitatoria. Sin embargo, cuando el transformador se descarga aéreamente, especialmente en la primera descarga aérea, la protección diferencial seguirá fallando debido a una desmagnetización insuficiente del cuerpo principal, y el contenido armónico de la corriente diferencial descargada aéreamente puede ser inferior al umbral de bloqueo de componentes armónicos. Para eliminar fundamentalmente la influencia del magnetismo residual en la carga vacía del transformador, podemos tomar medidas de desmagnetización y realizar otra carga vacía, o reducir temporalmente el umbral de bloqueo del segundo armónico para garantizar el funcionamiento normal del transformador principal.

4) Elemento de desconexión del transformador de corriente (TC): Cuando se desconecta la fase secundaria del TC, la corriente diferencial es la corriente de carga de la fase desconectada, y la protección puede fallar. En este caso, la corriente de secuencia cero, los cambios en la corriente de fase, la caída repentina y anormal de la tensión de fase, etc., pueden utilizarse para determinar la desconexión del TC.

5) Elemento de bloqueo de saturación de CT: Cuando ocurre una falla externa, la saturación de CT provocará un mal funcionamiento de la protección diferencial, por lo que el dispositivo de protección está equipado con un elemento de detección de bloqueo de saturación de CT. Cuando el CT se satura, se produce una corriente diferencial después de que el CT se satura durante un período de tiempo, por lo que el dispositivo utiliza la consistencia temporal de la corriente de frenado y la corriente diferencial para determinar si el CT está saturado. Además, para minimizar el impacto de la saturación de CT en la protección diferencial longitudinal del transformador, se utilizan transformadores de corriente con un factor límite preciso (ALF) y una tensión de punto de inflexión nominal más alta (18 contramedidas del elemento 15.1.12).

Parte 3: Introducción a otras protecciones diferenciales

1.

protección diferencial de lado dividido

La protección diferencial de lado dividido es una protección diferencial que toma como objeto de protección el devanado del lado Y del transformador, y está compuesta por los primeros y últimos transformadores de corriente (TC) de los devanados de cada lado según la fase. Tomando como ejemplo la fase A de autoacoplamiento de la Figura 5, la protección está compuesta por TA1A, TA2a' y TA3A. Según la ley de corrientes de Kirchhoff, no existe acoplamiento electromagnético entre las corrientes en ambos extremos, por lo que la protección no requiere elementos de bloqueo de corriente de irrupción, elementos de acción diferencial de conmutación ni elementos de bloqueo de sobreexcitación. Además, el valor fijo de la corriente de operación de la protección diferencial de lado dividido es menor y la sensibilidad es mayor que la de la protección diferencial longitudinal. Sin embargo, la desventaja de esta protección es que no puede proteger contra cortocircuitos entre espiras.

2.

Protección diferencial de fase dividida

La protección diferencial de división de fase es una protección diferencial que toma cada devanado de fase del transformador como objeto protegido y está compuesta por transformadores de corriente (TC) en cada lado de cada devanado de fase (ejemplo). Esta protección puede reflejar todas las fallas de una fase determinada del transformador, excepto las de los conductores del lado de baja tensión, pero requiere un elemento de bloqueo de corriente de irrupción.

3.

Protección diferencial de celdas en el lado de bajo voltaje

Dado que la protección diferencial de división de fase no tiene alcance para los conductores del lado de baja tensión, se introduce la protección diferencial de celda como complemento. La protección diferencial del lado de baja tensión se compone del transformador de corriente interno del devanado triangular bifásico del lado de baja tensión y del transformador de corriente que refleja la corriente diferencial del devanado bifásico. Este elemento bloquea las sobretensiones transitorias, pero no responde a fallas entre espiras.

4.

protección diferencial de secuencia cero

La protección diferencial de secuencia cero consta de transformadores de corriente de secuencia cero en el lado del punto neutro del transformador y circuitos de secuencia cero de los transformadores de corriente en el lado estrella del transformador. Las figuras 6 y 7 muestran los bucles de corriente cuando ocurren fallas a tierra fuera y dentro de la zona, respectivamente. De manera similar, las corrientes secundarias de esta protección no tienen relación de acoplamiento electromagnético, por lo que el dispositivo de protección no necesita un elemento de bloqueo de corriente de irrupción de excitación ni un elemento de bloqueo de sobreexcitación; al mismo tiempo, es más sensible a la falla a tierra del devanado del transformador. Sin embargo, la protección diferencial de secuencia cero solo puede reflejar la falla a tierra interna del lado de alta y media tensión, y no puede proteger el cortocircuito entre espiras.