Analisi della protezione del trasformatore nella protezione a relè

1. Guasti e anomalie comuni dei trasformatori

I guasti dei trasformatori possono essere suddivisi in guasti interni e guasti esterni.

I guasti interni si riferiscono ai guasti che si verificano all'interno dell'involucro, inclusi i cortocircuiti fase-fase degli avvolgimenti, i cortocircuiti tra spire degli avvolgimenti monofase, i cortocircuiti tra avvolgimenti e nuclei di ferro e i guasti di disconnessione degli avvolgimenti.

I guasti esterni si riferiscono a vari cortocircuiti fase-fase tra i conduttori esterni del trasformatore e a guasti monofase a terra che si verificano quando la boccola isolante dei conduttori si scarica attraverso l'involucro della scatola.

Il guasto di un trasformatore è molto pericoloso. In particolare, in caso di guasto interno, l'arco ad alta temperatura generato dalla corrente di cortocircuito non solo brucia l'isolamento e il nucleo di ferro dell'avvolgimento del trasformatore, ma provoca anche la decomposizione dell'olio del trasformatore e la produzione di una grande quantità di gas, causando la deformazione o addirittura l'esplosione dell'involucro del trasformatore. Pertanto, è necessario interrompere l'alimentazione al trasformatore in caso di guasto.

Le anomalie che possono interessare un trasformatore includono principalmente sovraccarico, basso livello dell'olio, sovracorrente causata da cortocircuito esterno, elevata temperatura dell'olio durante il funzionamento, elevata temperatura degli avvolgimenti, elevata pressione del trasformatore e guasto del sistema di raffreddamento. Quando il trasformatore si trova in uno stato di funzionamento anomalo, deve essere emesso un segnale di allarme.

2. Configurazione della protezione del trasformatore

Principali sistemi di protezione contro i cortocircuiti: principalmente protezione differenziale longitudinale, protezione contro i gas pesanti, ecc.

Protezione di backup contro i guasti da cortocircuito: principalmente protezione da sovracorrente con blocco di tensione composito, protezione da sovracorrente di sequenza zero (direzionale), protezione a bassa impedenza, ecc.

Protezione da funzionamento anomalo: comprende principalmente protezione da sovraccarico, protezione da sovraeccitazione, protezione da gas leggeri, protezione da gap del punto neutro, protezione da guasto del livello dell'olio termico e del sistema di raffreddamento, ecc.

3. Protezione non elettrica

La protezione dei trasformatori che utilizza grandezze non elettriche come olio, gas e temperatura del trasformatore è detta protezione non elettrica. Comprende principalmente la protezione da gas, la protezione da sovrapressione, la protezione da sovratemperatura, la protezione da livello dell'olio e la protezione da arresto completo del refrigeratore. La protezione non elettrica interviene tramite sgancio o invio di una segnalazione a seconda delle esigenze del sito.

(1) Protezione del gas

Quando si verifica un guasto all'interno del trasformatore, a causa dell'azione della corrente di cortocircuito e dell'arco elettrico nel punto di cortocircuito, si genera una grande quantità di gas all'interno del trasformatore e la velocità di flusso dell'olio al suo interno aumenta. La protezione realizzata mediante l'utilizzo di gas e flusso d'olio è detta protezione a gas.

Protezione contro i gas deboli: quando si verifica un piccolo guasto o un'anomalia all'interno del trasformatore, il punto di guasto si surriscalda parzialmente, causando l'espansione di parte dell'olio, il gas presente nell'olio forma bolle che entrano nel relè del gas e la protezione contro i gas deboli si attiva inviando un segnale di gas debole.

Protezione contro i gas pesanti: Quando si verifica un grave guasto nel serbatoio dell'olio del trasformatore, la corrente di guasto è elevata e l'arco elettrico provoca la decomposizione di una grande quantità di olio del trasformatore, generando un flusso di gas e olio di notevole entità. Il deflettore d'urto fa intervenire il relè di protezione contro i gas pesanti, inviando un segnale di gas pesante e disconnettendo la presa. Rimuovere il trasformatore.

La protezione a gas pesante è la principale protezione contro i guasti interni del serbatoio dell'olio e può rilevare vari guasti all'interno del trasformatore. Quando si verifica un numero limitato di cortocircuiti tra le spire del trasformatore, anche se la corrente di guasto è elevata, la corrente differenziale generata nella protezione differenziale potrebbe non essere elevata e la protezione differenziale potrebbe non intervenire. Pertanto, in caso di guasto interno del trasformatore, è necessario affidarsi alla protezione a gas pesante per eliminare il guasto.

(2) Protezione dalla pressione

La protezione contro la sovrapressione è anche la principale protezione contro i guasti interni nel serbatoio del trasformatore. Contiene una valvola di sicurezza contro le sovrapressioni e una protezione contro le variazioni improvvise di pressione, utilizzate per reagire alla pressione dell'olio del trasformatore.

(3) Protezione dalla temperatura e dal livello dell'olio

Quando la temperatura del trasformatore raggiunge il valore di allarme, il sistema di protezione termica invierà un segnale di allarme e avvierà il refrigeratore di riserva.

In caso di perdite di olio dal trasformatore o di calo del livello dell'olio per altri motivi, il sistema di protezione del livello dell'olio si attiverà e invierà un segnale di allarme.

(4) Protezione completa del raffreddatore

Quando il sistema di raffreddamento del trasformatore si arresta completamente, la temperatura del trasformatore aumenta. Se non si interviene tempestivamente, si possono verificare danni all'isolamento degli avvolgimenti del trasformatore. Pertanto, quando il sistema di raffreddamento si arresta completamente durante il funzionamento del trasformatore, il dispositivo di protezione emette un segnale di allarme e, dopo un lungo ritardo, interrompe l'alimentazione al trasformatore.

4. Protezione differenziale

La protezione differenziale del trasformatore è la principale protezione delle grandezze elettriche del trasformatore e il suo campo di protezione è la parte racchiusa dai trasformatori di corrente su ciascun lato. Quando si verificano guasti come cortocircuiti fase-fase e cortocircuiti tra spire dell'avvolgimento all'interno di questo campo, la protezione differenziale deve intervenire.

Per quanto riguarda il principio di protezione differenziale del trasformatore, ne abbiamo già parlato in dettaglio in precedenza; chi fosse interessato può consultare i relativi contenuti nei documenti storici 6, 7 e 8. Non mi addentrerò ulteriormente in questo argomento, ma mi limiterò ad aggiungere alcuni concetti relativi alla corrente di spunto di eccitazione.

(1) Corrente di spunto di eccitazione del trasformatore

La corrente di eccitazione generata quando il trasformatore cade dall'aria è detta corrente di spunto di eccitazione. L'entità della corrente di spunto è correlata alla struttura del trasformatore, all'angolo di chiusura, alla capacità, al magnetismo residuo prima della chiusura e ad altri fattori. Le misurazioni mostrano che quando il trasformatore cade dall'aria, la corrente di spunto di eccitazione dovuta alla saturazione del nucleo di ferro è molto elevata, solitamente da 2 a 6 volte la corrente nominale, e il valore massimo può superare le 8 volte. Poiché la corrente di spunto di eccitazione fluisce nel trasformatore solo sul lato di carica, si genera un'elevata corrente differenziale nel circuito differenziale, con conseguente malfunzionamento della protezione differenziale.

La corrente di spunto di eccitazione presenta le seguenti caratteristiche: a. Il valore della corrente di spunto è molto elevato e contiene componenti non periodiche evidenti; b. La forma d'onda è appuntita e intermittente; c. Contiene componenti armoniche di ordine superiore evidenti, in particolare la componente di seconda armonica. Ovviamente; d. La corrente di spunto di eccitazione è attenuata.

In base alle caratteristiche della corrente di spunto sopra descritte, al fine di prevenire il malfunzionamento della protezione differenziale del trasformatore causato dalla corrente di spunto, nel progetto vengono utilizzati tre principi: elevato contenuto di seconda armonica, forma d'onda asimmetrica e ampio angolo di discontinuità della forma d'onda per realizzare il blocco della protezione differenziale.

(2) Principio di frenatura della seconda armonica

L'essenza della frenatura di seconda armonica consiste nell'utilizzare la componente di seconda armonica nella corrente differenziale per stabilire se quest'ultima sia una corrente di guasto o una corrente di spunto da eccitazione. Quando la percentuale della componente di seconda armonica e della componente fondamentale supera un certo valore (solitamente il 20%), si deduce che la corrente differenziale è causata da una corrente di spunto da eccitazione e la protezione differenziale viene bloccata.

Pertanto, maggiore è il rapporto di frenatura della seconda armonica, maggiore è la corrente di seconda armonica contenuta nell'onda fondamentale consentita e peggiore sarà l'effetto frenante.

(3) Protezione differenziale a rottura rapida

Quando si verifica un grave guasto all'interno del trasformatore e il trasformatore di corrente (CT) si satura a causa di un'elevata corrente di guasto, anche la corrente secondaria del CT contiene un elevato numero di componenti armoniche. In base a quanto descritto sopra, è probabile che la protezione differenziale, a causa della frenatura della seconda armonica, intervenga con un blocco o un ritardo. Ciò danneggerebbe gravemente il trasformatore. Per risolvere questo problema, si utilizza solitamente una protezione differenziale a interruzione rapida.

L'elemento di interruzione rapida differenziale è in realtà un elemento differenziale di alto valore per la protezione differenziale longitudinale. A differenza degli elementi differenziali comuni, riflette il valore efficace della corrente differenziale. Indipendentemente dalla forma d'onda della corrente differenziale e dall'ampiezza della componente armonica, non appena il valore efficace della corrente differenziale supera il valore di taratura dell'interruzione rapida differenziale (di solito superiore al valore di taratura della protezione differenziale), interviene immediatamente per interrompere il trasformatore senza eccitazione. Blocca criteri come la corrente di spunto.

Di seguito viene illustrata la protezione di backup del trasformatore

Esistono diverse configurazioni di protezione di emergenza per i trasformatori. Questo articolo introduce principalmente due tipi di protezione di emergenza: la protezione da sovracorrente con blocco di tensione complesso e la protezione da messa a terra per i trasformatori.

1. Protezione da sovracorrente per blocco di pressione complesso

La protezione da sovracorrente con blocco di tensione complesso rappresenta la protezione di backup per i guasti di cortocircuito fase-fase dei trasformatori di grandi e medie dimensioni. È adatta per trasformatori elevatori, trasformatori di contatto di sistema e trasformatori riduttori la cui protezione da sovracorrente non soddisfa i requisiti di sensibilità. La tensione composita, costituita dalla tensione di sequenza negativa e dalla bassa tensione, è in grado di rilevare diversi guasti all'interno del campo di protezione, riducendo il valore di intervento della protezione da sovracorrente e migliorandone la sensibilità.

La protezione composita di sovracorrente di tensione è composta da un elemento di tensione composito, un elemento di sovracorrente e un elemento di temporizzazione. La corrente di ingresso della protezione è la corrente trifase secondaria del trasformatore di corrente (CT) sul lato del trasformatore stesso, mentre la tensione di ingresso è la tensione trifase secondaria del trasformatore di tensione (PT) sul lato del trasformatore stesso o su altri lati. Nel caso di protezione a microcomputer, la tensione di questo lato può essere fornita agli altri lati tramite software, in modo da garantire che la protezione di sovracorrente di qualsiasi lato possa essere utilizzata anche in caso di revisione del PT su qualsiasi lato. La logica di funzionamento è illustrata nella figura seguente.

2. Protezione di messa a terra del trasformatore

La protezione di riserva contro i guasti da cortocircuito a terra dei trasformatori di grandi e medie dimensioni comprende in genere: protezione da sovracorrente di sequenza zero, protezione da sovratensione di sequenza zero, protezione da spinterometro, ecc. Di seguito viene fornita una breve introduzione basata su tre diversi metodi di messa a terra del punto neutro.

(1) Il punto neutro è direttamente messo a terra

Per i trasformatori con tensione pari o superiore a 110 kV il cui punto neutro è direttamente collegato a terra, è necessario installare una protezione contro le correnti di sequenza zero che intervenga sui guasti a terra sul lato del sistema di messa a terra delle grandi correnti. Per i trasformatori collegati direttamente a terra sia sul lato alta che su quello media tensione, la protezione contro le correnti di sequenza zero deve avere una direzione, e tale direzione deve essere orientata verso le sbarre collettrici su ciascun lato.

Il principio della protezione dalla corrente di sequenza zero è simile a quello della protezione dalla sequenza zero di linea, si veda il numero 30. La corrente di sequenza zero può essere prelevata dalla corrente secondaria del trasformatore di corrente (CT) del punto neutro, oppure può essere autogenerata dalla corrente trifase secondaria del CT sul lato locale. La tensione di sequenza zero collegata all'elemento direzionale può essere prelevata dalla tensione trifase aperta del trasformatore di tensione (PT) sul lato locale, oppure può essere autogenerata dalla tensione trifase secondaria sul lato locale. Nei dispositivi di protezione a microcomputer, viene adottato principalmente il metodo di autogenerazione.

Per i trasformatori di grandi dimensioni a tre avvolgimenti, è possibile utilizzare una protezione da corrente di sequenza zero a tre stadi. In particolare, la Sezione I e la Sezione II hanno una direzione specifica, mentre la Sezione III non ne ha. Generalmente, ogni sezione prevede due livelli di ritardo: un ritardo breve (azionamento del commutatore di sbarra o dell'interruttore sul lato principale della barra) restringe l'intervallo di guasto, mentre un ritardo lungo (azionamento dell'interruttore trilaterale) interrompe completamente l'alimentazione del trasformatore. La configurazione specifica della protezione viene determinata in base alla situazione reale.

Come illustrato in figura, dopo l'intervento della sezione I o II della protezione direzionale di corrente di sequenza zero, si aziona innanzitutto l'accoppiatore di sbarra o l'interruttore su questo lato dopo un breve ritardo t1 o t3 per ridurre l'entità del guasto. Se il guasto persiste, dopo un ritardo maggiore t2 o t4 si aziona l'interruttore trilaterale per interrompere l'alimentazione del trasformatore. La sezione III non ha direzionalità e il trasformatore viene interrotto direttamente dopo un ritardo.

(2) Il punto neutro non è messo a terra

La corrente di sequenza zero passa attraverso il punto neutro del trasformatore formando un circuito di sequenza zero. Tuttavia, se i punti neutri di tutti i trasformatori sono collegati a terra, la corrente di cortocircuito nel punto di messa a terra verrà deviata su ciascun trasformatore, riducendo la sensibilità della protezione da sovracorrente di sequenza zero. Pertanto, al fine di limitare la corrente di sequenza zero entro un certo intervallo, esistono normative sul numero di trasformatori che possono funzionare con il punto neutro collegato a terra.

Per i trasformatori che funzionano senza messa a terra, è necessario configurare una protezione contro la tensione di sequenza zero per prevenire danni da sovratensione al trasformatore causati da archi elettrici negli intercapedini in corrispondenza dei punti di guasto durante i guasti a terra.

Grazie all'elevato livello di isolamento del punto neutro del trasformatore completamente isolato, in caso di guasto a terra nel sistema, la protezione da corrente di sequenza zero interromperà innanzitutto l'alimentazione del trasformatore con il punto neutro collegato a terra; se il guasto persiste, interverrà la protezione da tensione di sequenza zero, che interromperà l'alimentazione del punto neutro senza collegare a terra il trasformatore.

(3) Il punto neutro è messo a terra attraverso lo spazio di scarica

I trasformatori ad altissima tensione sono tutti trasformatori semiisolati e l'isolamento dell'avvolgimento del punto neutro verso terra è più debole rispetto a quello delle altre parti. L'isolamento del punto neutro è soggetto a guasti. Pertanto, è necessario configurare una protezione contro gli scarichi.

La funzione della protezione contro gli scarichi è quella di proteggere la sicurezza dell'isolamento del punto neutro del trasformatore con punto neutro non messo a terra.

Installare uno spinterometro tra il punto neutro del trasformatore e la terra, come mostrato in figura. Quando l'interruttore di sezionamento di terra è chiuso, il trasformatore è collegato direttamente a terra e si attiva la protezione da sovracorrente di sequenza zero. Quando l'interruttore di sezionamento di terra è scollegato, il trasformatore è collegato a terra attraverso lo spinterometro e si attiva la protezione da sovracorrente.

La protezione contro gli scarichi viene realizzata utilizzando come parametri la corrente di scarto 3I0 che scorre attraverso il punto neutro del trasformatore e la tensione triangolare di apertura del trasformatore di tensione della sbarra 3U0.

Se il punto neutro si alza a causa di un guasto, il traferro si interrompe e si genera una grande corrente di traferro 3I0. In questo momento, interviene la protezione del traferro e il trasformatore viene disattivato dopo un ritardo. Inoltre, quando si verifica un guasto a terra nel sistema, interviene la protezione di sequenza zero del trasformatore di messa a terra del punto neutro, e il trasformatore di messa a terra del punto neutro viene disattivato per primo. Dopo che il sistema ha perso il punto di messa a terra, se il guasto persiste, la tensione triangolare a circuito aperto 3U0 del PT del bus sarà molto elevata e anche in questo caso interverrà la protezione del traferro.