Proteção diferencial de transformadores e outros produtos de proteção diferencial | CANWIN

Além disso, existem diversas condições anormais de funcionamento do transformador, incluindo principalmente baixo nível de óleo, alta temperatura ou pressão do óleo, alta tensão no ponto neutro do transformador, sobrecarga, sobrecorrente, sobrexcitação, etc.

Para monitorar diferentes falhas ou condições anormais de funcionamento, estabelecemos diferentes proteções, divididas em proteção principal e proteção de reserva, sendo que a proteção principal possui características de ação rápida.

Parte 2: Proteção diferencial

A proteção diferencial longitudinal é uma das principais proteções do transformador, atuando instantaneamente para acionar as chaves em cada lado. A área de proteção compreende a parte entre os transformadores de corrente em cada lado da proteção diferencial, incluindo o corpo do transformador e as linhas de saída entre o transformador de corrente e o transformador. Em 2017, o para-raios no lado de 35 kV do transformador principal nº 2 de uma subestação de 220 kV apresentou um arco voltaico na fase AB, e o chassi do para-raios foi danificado pela descarga. Como o para-raios de 35 kV estava localizado entre o transformador reológico e o transformador principal no lado de baixa tensão deste último, ele se encontrava dentro da área de proteção da diferença longitudinal. Os dois conjuntos de proteção do transformador principal atuaram corretamente e a falha foi isolada.

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Lógica básica da proteção diferencial

A proteção diferencial longitudinal existente em transformadores adota um dispositivo de proteção microcomputadorizado, onde a corrente de cada fase entra no dispositivo de proteção individualmente, e a proteção diferencial longitudinal é realizada por um algoritmo de software. Tomamos uma fase como exemplo para ilustrar o princípio básico da proteção diferencial longitudinal.

A corrente diferencial "sentida" pelo dispositivo de proteção é a soma vetorial das correntes secundárias das duas bobinas. Como mostrado na Figura 1, quando o sistema está operando normalmente ou sofre um curto-circuito externo, as correntes secundárias das duas bobinas têm a mesma magnitude e polaridade oposta, e a corrente diferencial é 0, não atuando a proteção nesse momento. Como mostrado na Figura 2, quando ocorre uma falta à terra dentro da faixa de proteção, as correntes secundárias têm a mesma magnitude e polaridade, e a corrente diferencial é a soma das correntes secundárias. Quando o valor diferencial de partida é atingido, a proteção atua.

Com base no método de conexão da bobina secundária reológica descrito acima, a proteção diferencial longitudinal adiciona ajuste de fase, eliminação da corrente de sequência zero e conversão de amplitude aos vetores de corrente em lados opostos para formar um método de cálculo de corrente diferencial, e então introduz a curva característica de frenagem proporcional. Isso constitui a lógica básica da proteção.

Tomando como exemplo a fiação do YN-d11, o diagrama de fiação e o diagrama fasorial de corrente são mostrados na Figura 3. Pode-se observar que, devido à diferença de ângulo de 30° entre os fasores dos lados de alta e baixa tensão, a soma vetorial das duas correntes não é zero durante a operação normal, sendo necessária a conversão de fase. Após a conversão, os lados de alta e baixa tensão da mesma fase passam a ter a mesma fase.

Existem dois métodos de conversão de fase. Um deles é baseado no lado Y, de forma que a fase da corrente do lado D seja consistente com a fase da corrente do lado Y, conhecido como "estrela angular". O protetor de estrela angular mais comum é o Narui Jibao RCS-978, etc. A fórmula de conversão é:

O outro método baseia-se no lado d, de modo que a fase atual do lado Y seja consistente com a do lado d, denominado "ângulo de rotação em estrela". A maioria dos dispositivos de proteção existentes adota o método do ângulo de rotação em estrela, e a fórmula de conversão é:

O objetivo da eliminação da corrente de sequência zero é evitar o mau funcionamento da proteção diferencial longitudinal. Para a fiação YN-d, quando ocorre uma falha de aterramento fora do lado de alta tensão, a corrente de sequência zero flui no lado Y de alta tensão, mas não há corrente de sequência zero no lado d de baixa tensão. Como as correntes de sequência zero em ambos os lados não podem ser balanceadas, a proteção diferencial apresentará mau funcionamento. No modo de conversão "ângulo de rotação em estrela", a diferença entre as duas correntes após a defasagem no lado Y filtra a corrente zero, portanto, nenhuma medida precisa ser tomada. No modo de conversão "ângulo para estrela", a compensação da corrente de sequência zero é realizada no vetor de corrente do lado Y, e a fórmula de compensação é:

Devido à diferença na relação de transformação do transformador e na relação de transformação reológica de cada lado, a amplitude secundária da corrente diferencial em cada lado do transformador não pode ser a mesma durante a operação normal ou em caso de falha externa. Nesse caso, é necessário realizar a conversão de amplitude, tomando o valor da corrente em um lado como referência, calculando o coeficiente de balanceamento no outro lado de acordo com a tensão em ambos os lados e a relação reológica, e multiplicando a corrente do outro lado pelo coeficiente de balanceamento, de modo que o cálculo interno do fluxo diferencial do dispositivo seja 0.

Para melhorar ainda mais a sensibilidade de atuação em caso de falhas internas e evitar de forma confiável a corrente desequilibrada de falhas externas, a proteção diferencial longitudinal adota um elemento diferencial com uma curva característica de frenagem proporcional. O eixo vertical da curva de frenagem proporcional representa a corrente diferencial, o eixo horizontal representa a corrente de frenagem, a parte superior da curva representa a área de atuação e a parte inferior, a área de frenagem. As curvas características existentes dividem-se principalmente em dois tipos: tipo linha quebrada de dois segmentos e tipo linha quebrada de três segmentos.

A curva de frenagem com relação de linha quebrada de dois segmentos é mostrada na figura à esquerda da Figura 4. A curva pode ser do tipo ABC, que passa pela origem, ou do tipo ABD, que não passa pela origem. A maioria dos dispositivos é do tipo ABC.

A curva de frenagem com relação de linha quebrada de três segmentos é mostrada na figura à direita da Figura 4, que pode ser subdividida em dois tipos: um com linha horizontal para o segmento AB e outro com linha oblíqua para o segmento AB. Os equipamentos com linha horizontal na seção AB incluem o Guodian Nanzi PST-1200U, o ABB RET-316, o Xuji WBH-801 e o SEL-387, enquanto os equipamentos com linha oblíqua na seção AB incluem o Sifang CSC-326, o Shenrui PRS-778 e o South Swiss RCS-978.

02

Como verificar a proteção diferencial

A verificação da proteção diferencial longitudinal é realizada de acordo com a curva característica de frenagem da relação de transmissão; a proteção atua acima da curva, e a proteção não atua abaixo da curva.

1) Selecione um ponto. Selecione de 3 a 5 pontos para verificação da proteção diferencial longitudinal. O primeiro ponto é selecionado no eixo vertical da Figura 4 para verificar a corrente mínima de operação Iop.min; o segundo e o terceiro pontos são selecionados no ponto de inflexão para verificar a corrente do ponto de inflexão Ires; além disso, selecione um ponto em cada inclinação para verificar a inclinação.

2) Calcule o valor. Calcule a corrente de partida, o coeficiente de balanceamento e o balanceamento de cada lado do transformador; em seguida, calcule a magnitude da corrente e o ângulo de fase de cada lado de cada ponto de verificação de acordo com a curva de frenagem do dispositivo.

3) Verificar a curva. Aplicar o método da variável fixa para fixar uma corrente no ponto de verificação e alterar a magnitude da outra corrente, de modo a deslocar o ponto de verificação para cima e para baixo na zona de atuação e na zona de frenagem, a fim de verificar se o dispositivo de proteção opera corretamente.

03

Componentes auxiliares para proteção diferencial

Para tornar a proteção diferencial mais confiável, a lógica de proteção também inclui componentes como partida, frenagem rápida e bloqueio:

1) Elemento de partida: A variável de partida inclui o valor máximo da corrente diferencial trifásica, a magnitude da variação da corrente, etc. Quando a variável de partida for maior que qualquer valor de partida, o dispositivo de proteção ativa a proteção diferencial.

2) Elemento diferencial de interrupção rápida: Em níveis elevados de corrente de curto-circuito, devido à saturação do transformador de corrente, o segundo harmônico gera um enorme torque de frenagem e o elemento diferencial se recusa a se mover. Para evitar a recusa de proteção, um elemento diferencial de ação rápida é instalado no dispositivo. Quando a corrente de curto-circuito atinge de 4 a 10 vezes a corrente nominal, o elemento de ação rápida se move rapidamente para a saída. Além disso, para evitar a atuação incorreta da proteção devido à inconsistência das características transitórias dos transformadores de corrente em cada lado quando há uma grande corrente de curto-circuito, as características relevantes dos transformadores de corrente em cada lado da proteção diferencial do equipamento principal, incluindo os transformadores, devem ser consistentes (Dezoito Contramedidas 15.1. 10). O lado de alta tensão do transformador principal nº 2 de uma subestação é conectado à segunda cadeia de cabos 2/3, e esta cadeia é conectada a outra linha de interligação; Em 2017, ocorreu uma falta à terra monofásica na fase B da chave da cadeia, e dois conjuntos de proteção diferencial para o corpo do transformador principal, com elemento de interrupção rápida, atuaram para cortar as chaves em cada lado do transformador principal; a proteção diferencial de corrente bifásica em ambos os lados da linha de interligação cortou a fase B da chave do lado correspondente, e então o religamento monofásico foi bem-sucedido.

3) Elemento de bloqueio de corrente de partida: Quando o transformador de descarga a ar e o curto-circuito fora da área do transformador são interrompidos, uma enorme corrente de partida de excitação é gerada. Para evitar que a corrente diferencial causada pela corrente de partida de excitação provoque mau funcionamento do dispositivo, um elemento de bloqueio de corrente de partida é configurado para a proteção contra diferença longitudinal, utilizando distorção da forma de onda (forma de onda de corrente diferencial intermitente ou assimétrica), identificação de componentes harmônicos (conteúdo de segunda ou terceira harmônica) e identificação difusa da corrente de partida de excitação. No entanto, quando o transformador é efetivamente submetido a descarga a ar, especialmente na primeira descarga, a proteção diferencial ainda apresentará mau funcionamento devido à desmagnetização insuficiente do corpo principal, e o conteúdo harmônico da corrente diferencial submetida a descarga a ar pode ser inferior ao limite de bloqueio de componentes harmônicos. Para eliminar fundamentalmente a influência do magnetismo residual na carga vazia do transformador, podemos tomar medidas de desmagnetização e realizar outra carga vazia, ou reduzir temporariamente o limite de bloqueio da segunda harmônica para garantir a operação normal do transformador principal.

4) Elemento de desconexão do TC: Quando a fase secundária do TC é desconectada, a corrente diferencial é a corrente de carga da fase desconectada, e a proteção pode apresentar mau funcionamento. Nesse momento, a corrente de sequência zero, as variações na corrente de fase, a queda repentina e anormal da tensão de fase, etc., podem ser usadas para determinar a desconexão do TC.

5) Elemento de bloqueio de saturação do TC: Quando ocorre uma falha externa, a saturação do TC causa mau funcionamento da proteção diferencial. Portanto, o dispositivo de proteção é equipado com um elemento de detecção de bloqueio de saturação do TC. Quando o TC está saturado, a corrente diferencial ocorre após um período de saturação. Assim, o dispositivo utiliza a consistência temporal da corrente de frenagem e da corrente diferencial para determinar se o TC está saturado. Além disso, para minimizar o impacto da saturação do TC na proteção diferencial longitudinal do transformador, são utilizados transformadores de corrente com fator limite preciso (ALF) e tensão de ponto de inflexão nominal mais alta (18 contramedidas, item 15.1.12).

Parte 3: Introdução a outras proteções diferenciais

1.

proteção diferencial lateral dividida

A proteção diferencial de lado dividido é uma proteção diferencial que considera o enrolamento do lado Y do transformador como o objeto protegido e é composta pelos primeiros e últimos transformadores de corrente (TCs) dos enrolamentos de cada lado, de acordo com a fase. Tomando como exemplo a fase autoacoplada A na Figura 5, a proteção é composta por TA1A, TA2a' e TA3A. De acordo com a lei de Kirchhoff para correntes, não há relação de acoplamento eletromagnético entre as correntes em ambas as extremidades, portanto, a proteção não requer elementos de bloqueio de corrente de irrupção, elementos de ação instantânea diferencial e elementos de bloqueio de sobrexcitação. Além disso, o valor fixo da corrente de operação da proteção diferencial de lado dividido é menor e a sensibilidade é maior do que a da proteção diferencial longitudinal. No entanto, a desvantagem dessa proteção é que ela não protege contra curto-circuito entre espiras.

2.

Proteção diferencial de fase dividida

A proteção diferencial por divisão de fase é uma proteção diferencial que considera cada enrolamento de fase do transformador como o objeto protegido e é composta por transformadores de corrente (TCs) em cada lado de cada enrolamento de fase. (exemplo: TC). Essa proteção pode refletir todas as falhas de uma determinada fase do transformador, exceto as dos condutores do lado de baixa tensão, mas requer um elemento de bloqueio de corrente de irrupção.

3.

Proteção diferencial de células no lado de baixa tensão

Como a proteção diferencial por divisão de fase não possui alcance de proteção para os condutores do lado de baixa tensão, a proteção diferencial de célula é introduzida como um complemento à proteção diferencial por divisão de fase. A proteção diferencial do lado de baixa tensão é composta pelo TC interno do enrolamento triangular bifásico do lado de baixa tensão e pelo TC que reflete a corrente diferencial do enrolamento bifásico. Este elemento bloqueia a corrente de irrupção, mas não responde a faltas entre espiras.

4.

Proteção diferencial de sequência zero

A proteção diferencial de sequência zero consiste em transformadores de corrente de sequência zero no lado do ponto neutro do transformador e circuitos de sequência zero dos transformadores de corrente no lado estrela do transformador. As Figuras 6 e 7 mostram os laços de corrente quando ocorrem faltas à terra fora e dentro da zona, respectivamente. De forma semelhante, as correntes secundárias desta proteção não possuem relação de acoplamento eletromagnético, portanto o dispositivo de proteção não necessita de um elemento de bloqueio de corrente de irrupção de excitação ou um elemento de bloqueio de sobrexcitação; ao mesmo tempo, é mais sensível à falta de aterramento do enrolamento do transformador. No entanto, a proteção diferencial de sequência zero só pode refletir a falta de aterramento interna do lado de alta e média tensão, e não pode proteger contra curto-circuito entre espiras.