УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Лекция 24

Основные виды повреждений трансформаторов. К основным видам повреждений трансформаторов относятся:

междуфазные замыкания внутри кожуха трансформатора и на его наружных выводах;

замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания);

замыкания на землю обмоток или их наружных выводов;

«пожар стали» магнитопровода.

«Пожар стали» магнитопровода обусловлен нарушением изоляции между листами магнитопровода, что приводит к увеличению потерь на перемагничивания и вихревые токи. В свою очередь это вызывает местный нагрев стали вследствие чего возникает дальнейшее разрушение изоляции. Наиболее часто возникают КЗ на выводах и витковые замыкания. Многофазные короткие замыкания в обмотках наблюдаются значительно реже.

Защиты от КЗ выполняется с действием на отключение. Для ограничения уровня повреждений её выполняют быстродействующей. Однофазное КЗ на землю опасно для обмоток, подключенных к сетям с глухозаземленными нейтралями, поэтому в этом случае защита должна отключать трансформатор. Если электрическая сеть выполнена с изолированной или компенсированной через ДГР нейтралью, то защита от однофазных КЗ на землю выполняется с действием на отключение когда такая защита уже имеется в сети. При появлении виткового замыкания в витках обмотки возникает значительный ток, поэтому такие повреждения должны отключаться быстродействующей защитой. Для идентификации таких повреждений нельзя использовать защиты, основанные на использовании электрических величин (токовые, дистанционные, дифференциальные), т.к. при малом числе замкнутых витков ток в поврежденной фазе со стороны питания может быть даже меньше номинального тока, а напряжение на выводах трансформатора изменится незначительно. Защитой от внутренних повреждений трансформатора с образованием электрической дуги («пожар стали», витковые замыкания, многофазные КЗ в обмотках) является газовая защита.

Также можно выделить следующие ненормальные режимы работы трансформатора:

ненормальные режимы, обусловленные внешними КЗ;

ненормальные режимы, вызванные перегрузками;

ненормальные режимы, возникающие при недопустимом понижении уровня масла, например при повреждении бака.

При длительном протекании сверхтоков, обусловленных внешними КЗ, возникает повышенный перегрев изоляции обмоток и возможно её повреждение. Кроме того, при КЗ снижается напряжение в сети. Допустимая длительность протекания тока: 4 с. для трансформаторов 35 кВ; 3 с. для трансформаторов 110 кВ и выше. Поэтому на трансформаторе необходимо использовать защиту, отключающую его при возникновении сверхтоков, обусловленных внешними КЗ. Сверхтоки, возникающие вследствие перегрузки, относительно невелики. Их протекание допускается в течение значительного временного промежутка. Так, например, ток перегрузки допустим в течение 45 мин. Поэтому защиту от перегрузки можно выполнить с действием на сигнал. Если же подстанция не имеет обслуживающего персонала, то защита должна действовать на разгрузку или отключение.

Газовая защита. Принцип действия обусловлен на явлении газообразования в баке поврежденного трансформатора. Газ образуется вследствие разложения масла и других изолирующих материалов под действием электрической дуги при междувитковых замыканиях или недопустимом нагреве при «пожаре стали». Электрическая дуга наблюдается и при многофазных КЗ в обмотках. Поэтому газовая защита является универсальной защитой от всех внутренних повреждений трансформатора. Основным элементом такой защиты является газовое реле. Известно 3 конструкции газовых реле:

поплавковое газовое реле;

лопастное газовое реле;

газовое реле с чашкообразными элементами.

В последнее время наибольшее распространение имеют газовые реле с чашкообразными элементами. Подробное описание конструкции реле представлено в книге Андреев В.А. «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения», 2006, с.490-491. Интенсивность образования пара зависит от характера и размеров повреждения, что позволяет выполнить защиту, действующей на сигнал или отключение. При низкой интенсивности газообразования реле действует на сигнал, а при высоком уровне газообразования на отключение.

Достоинства газовый защиты: 1) простота; 2) высокая чувствительность; 3) реагирование на все виды повреждений внутри бака; 4) малое время срабатывания при значительных повреждениях; 5) действие на отключение или сигнал в зависимости от характера повреждения.

Недостатки газовой защиты: 1) не действует при повреждениях вне бака трансформатора, на выводах трансформатора, в зоне между трансформатором и выключателем; 2) возможность ложных срабатываний при попадании воздуха в бак (после доливки масла, ремонта системы охлаждения трансформатора и включения его вновь), что объясняет необходимость вывода защиты из действия в таких ситуациях; 3) возможность ложных срабатываний на трансформаторах, эксплуатируемых в районах, подтвержденных землетрясениям (в этом случае допускается перевод действия защиты на сигнал).

В связи с указанными замечаниями газовая защита не может быть использована в качестве единственной защиты от внутренних повреждений и должна дополняться второй защитой. Для маломощных трансформаторов используется токовая отсечка и МТЗ, а для мощных дифференциальная защита.

Газовая защита обязательна для трансформаторов мощностью , допускается на трансформаторах мощностью . Для внутрицеховых подстанций газовую защиту необходимо предусматривать на понижающих трансформаторах практически любой мощности, допускающих это по конструкции вне зависимости от наличия другой быстродействующей защиты.

Токовые и токовые направленные защиты трансформатора от КЗ. Используется при возникновении КЗ на выводах трансформатора и в его соединениях с выключателями, т.к. газовая защита не реагирует на такие повреждения. Как правило, токовая защита имеет две ступени: токовую отсечку и МТЗ. Она устанавливается со стороны источника питания непосредственно у выключателя. В зону действия защиты входят трансформатор и его соединения с выключателями. При срабатывании защита действуют на выключатели и отключает трансформатор. Предусматривается для трансформаторов небольшой и средней мощности менее 6,3 МВА. В некоторых случаях она дополняется защитой от однофазных КЗ на выводах низшего напряжения трансформатора, питающего четырехпроводную сеть напряжением 0,4-0,23 кВ. В городских сетях до 1 кВ для селективного отключения аварийного трансформатора следует предусматривать токовую направленную защиту.

Дифференциальные токовые защиты трансформаторов. Дифференциальная продольная защита трансформатора реагирует на повреждения в обмотках, на выводах и соединениях с выключателями. Недостаточная чувствительность защиты может проявляться только при витковых замыканиях и «пожаре стали». Схема защиты представлена на рис.1.а.

Рис.1. Дифференциальная продольная защита трансформатора

а – схема включения защиты

б – осциллограмма переходного тока намагничивания;

Трансформаторы тока устанавливаются с обеих сторон трансформатора вблизи с выключателями с Q1, Q2. При возникновении повреждения срабатывает реле тока KA, и защита отключает трансформатор. В случае нормального режима или внешнего КЗ через реле тока KA протекает ток небаланса незначительной величины. В первый момент включения трансформатора под напряжение может произойти бросок тока намагничивания трансформатора , мгновенное значение которого может достичь 6-8 кратных значений. Наглядно это представлено на рис.1.б. Переходный ток намагничивания содержит значительный уровень гармонических составляющих и значительную апериодическую составляющую, поэтому кривая тока смещена относительно оси времени. Проходя через реле, этот ток может вызвать неправильное срабатывание защиты.

Первым условием выбора тока срабатывания является отстройка от бросков тока намагничивания. Если пренебречь другими слагающими тока небаланса незначительной величины, то расчетный ток небаланса

Ток срабатывания выбирается по следующему условию

(1)

где .

Вторым условием является наихудший случай внешнего КЗ, который описывается следующим выражением

(2)

Величина расчетного максимального тока небаланса принимается равной

где cоставляющая, обусловленная разнотипностью ТТ, установленных со стороны высшего и низшего напряжений; составляющая, обусловленная нарушением соотношения между первичными токами ТТ при автоматическом регулировании коэффициента трансформации; составляющая, обусловленная отличием расчетных коэффициентов трансформации от коэффициентов трансформации, найденным по шкале номинальных токов как ближайшие большие. Ток срабатывания приравнивают наибольшему значению, полученному по выражениям (1) и (2).

Токовые защиты от сверхтоков внешних коротких замыканий и перегрузок. На трансформаторах помимо защит, действующих при повреждении в трансформаторе и его соединениях, предусматриваются резервные защиты, действующие при внешних КЗ в случае отказа защит или выключателей смежных элементов. В то же время такие защиты являются основными защитами шин, если на них не предусмотрена собственная защита. Такие защиты выполняются в виде токовых защит с выдержками времени с включением измерительных органов на полные фазные токи или их симметричные составляющие.

Защита трансформатора открытыми плавкими вставками и плавкими предохранителями, управляемыми предохранителями. В электрических сетях 6, 10 и 35 кВ во многих случаях вместо выключателя и релейной защиты со стороны высшего напряжения трансформатора устанавливают открытые плавкие вставки или плавкие предохранители.

Управляемые плавкие предохранители выхлопного типа благодарю расположению электромагнита отключения и источника оперативного тока на высоком потенциале аппарата позволяют расположить устройство защиты на высшем напряжении трансформатора и отказаться от использования дорогостоящих высоковольтных трансформаторов тока на подстанциях без выключателей на стороне высшего напряжения 35 и 110 кВ.

На трансформаторах мощностью должна предусматриваться дифференциальная защита. При отсутствии ТТ такое требование можно удовлетворить за счет использования управляемого предохранителя со светооптической системой управления, позволяющей согласовать действие токовой защиты, установленной на высоком напряжении, с действием защиты, расположенной на низшем напряжении трансформатора. Это позволяет получить защиту трансформатора с косвенным сравнением электрических величин, которая обладает абсолютной селективностью. Для защиты трансформаторов с высшем напряжением 6, 10 кВ вместо стандартного плавкого предохранителя можно использовать управляемый предохранитель.

Устройства противоаварийной автоматики трансформаторов. Автоматическое включение резерва (АВР) имеют широкое применение как для включения резервных линий, так и трансформаторов. Схемы подстанций при наличии двух и более трансформаторов выполняют с секционированием шин низшего напряжения. В нормальном режиме секционный выключатель находится в отключенном состоянии, а в аварийном АВР включает выключатель и все потребители этой секции получают электроэнергию от неповрежденного трансформатора.

Автоматическое повторное включение (АПВ) используется на однотрансформаторных подстанциях с односторонним питанием при отключении трансформатора мощностью более 1 МВА. При этом не допускается включение трансформатора при внутренних повреждениях. На подстанциях с двумя и более трансформаторами помимо АВР может предусматриваться и АПВ. Действие таких устройств автоматики должно быть согласовано. С наличием АВР действие АПВ ограничивается и его пуск разрешается только при внешних КЗ. Для выполнения этой задачи используют МТЗ, установленную на выводах низшего напряжения трансформатора. Срабатывание защиты свидетельствуют о возникновении повреждения на шинах или о том, что внешнее КЗ не отключено собственной защитой. В результате отключается выключатель со стороны низшего напряжения трансформатора и затем АПВ повторно включает его. Во всех остальных случаях используется АВР.

Автоматическая аварийная разгрузка трансформаторов (защита от перегрузки). При действии автоматики потребители отключаются очередями с выдержкой времени первой ступени . Если перегрузка трансформатора не устраняется, то следующие потребители отключаются с выдержкой времени на больше предыдущей, например . Отключаемая нагрузка определяется с учетом того, что с оставшейся нагрузкой трансформатор может проработать в течение времени 1,5-2 ч., за которое обслуживающий персонал примет меры по разгрузке.

Устройства автоматического управления режимами работы трансформаторов.

Автоматическое отключение и включение трансформатора. Нагрузка параллельно работающих трансформаторов постоянно меняется. В отдельные промежутки спада нагрузки является целесообразным отключить один трансформатор, а при восстановлении нагрузки вновь включить. Это позволяет уменьшить потери электроэнергии при параллельной работе трансформаторов.

Автоматическое регулировании напряжения трансформатора. Трансформаторы снабжаются устройствами регулирования под нагрузкой (УРПН), которые позволяют автоматически регулировать напряжение путем переключения числа витков одной из обмоток трансформатора без его отключения. Как правило, УРПН располагается на стороне высшего напряжения.

УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ