Come proteggere i trasformatori. Il modo corretto di proteggere i trasformatori può prolungarne la durata di utilizzo.

Il trasformatore è un'apparecchiatura statica che funziona ininterrottamente, risultando quindi più affidabile e soggetta a minori probabilità di guasto. Tuttavia, poiché la stragrande maggioranza dei trasformatori è installata all'esterno ed è soggetta al carico durante il funzionamento e ai cortocircuiti della rete elettrica, vari guasti e anomalie sono inevitabili durante il processo operativo.

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 a guasti che si verificano all'interno dell'involucro, come ad esempio i cortocircuiti tra le fasi degli avvolgimenti, i cortocircuiti tra le spire degli avvolgimenti monofase, i cortocircuiti tra gli avvolgimenti e il nucleo di ferro e i guasti di disconnessione degli avvolgimenti, ecc.

I guasti esterni si riferiscono a vari guasti di cortocircuito di fase tra le linee di collegamento esterne dei trasformatori e a guasti di messa a terra monofase che si verificano quando la boccola di isolamento della linea di collegamento scarica attraverso l'involucro.

Il guasto di un trasformatore provoca gravi danni. 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, con conseguente deformazione dell'involucro del trasformatore e persino esplosione. Pertanto, quando un trasformatore si guasta, deve essere rimosso.

Le anomalie del trasformatore sono principalmente dovute a sovraccarico, riduzione del livello dell'olio, cortocircuito esterno causato da sovracorrente, temperatura dell'olio del trasformatore in funzione troppo elevata, temperatura degli avvolgimenti troppo elevata, pressione del trasformatore troppo elevata e guasto del sistema di raffreddamento. Quando il trasformatore presenta anomalie, dovrebbe essere emesso un segnale di allarme.

Due, configurazione di protezione del trasformatore

Le principali protezioni contro i cortocircuiti includono: 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 composta, protezione da sovracorrente di sequenza zero (direzione), protezione da bassa impedenza, ecc.

Protezione contro il funzionamento anomalo: principalmente protezione da sovraccarico, protezione da sovraeccitazione, protezione da gas leggeri, protezione da intercapedine neutra, protezione da guasto del livello dell'olio termico e del sistema di raffreddamento.

Tre protezioni non elettriche

La protezione del trasformatore, composta da elementi non elettrici come olio, gas, temperatura e altri fluidi, è detta protezione non elettrica. Esistono principalmente protezioni a gas, a pressione, a temperatura, a livello dell'olio e a arresto del sistema di raffreddamento. La protezione non elettrica interviene secondo le necessità del sito, intervenendo o inviando segnali.

1. Protezione dai gas

Quando si verifica un guasto interno al trasformatore, a causa dell'azione della corrente di cortocircuito e dell'arco nel punto di cortocircuito, all'interno del trasformatore si produce una grande quantità di gas; allo stesso tempo, aumenta la velocità del flusso dell'olio del trasformatore. L'utilizzo di gas e flusso d'olio per ottenere la protezione è detto protezione a gas.

(1) Protezione da gas leggero: quando si verifica un piccolo guasto o un'anomalia all'interno del trasformatore, il surriscaldamento locale del punto di guasto provoca un'espansione parziale dell'olio e il gas nell'olio forma bolle che entrano nel relè del gas. L'azione di protezione da gas leggero invia un segnale di gas leggero.

(2) Protezione contro i gas pesanti: quando si verifica un guasto grave nel serbatoio del trasformatore, la corrente di guasto è elevata e l'arco provoca la decomposizione dell'olio del trasformatore in grandi quantità, con conseguente flusso di una grande quantità di gas e olio. Il deflettore d'urto fa sì che il gas pesante segua l'azione di protezione, invia il segnale di gas pesante e l'uscita di sicurezza, e il trasformatore viene disattivato.

(3) La protezione con gas pesante è la protezione principale contro i guasti interni del serbatoio del combustibile, che può riflettere vari guasti interni del trasformatore. Quando il trasformatore presenta un cortocircuito tra alcune spire, anche se la corrente di guasto è molto elevata, nella protezione differenziale prodotta la corrente differenziale potrebbe non essere elevata, e la protezione differenziale potrebbe rifiutarsi di intervenire. Pertanto, per i guasti interni del trasformatore, è necessario fare affidamento sulla protezione con gas pesante per eliminare i guasti.

L'immagine

2. Protezione dalla pressione

La protezione dalla sovrapressione è anche la principale protezione contro i guasti interni del serbatoio del trasformatore. Insieme alla protezione contro le variazioni di pressione, viene utilizzata per riflettere la pressione dell'olio del trasformatore.

3. Protezione da temperatura e livello dell'olio

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

Quando il trasformatore perde olio o il livello dell'olio si abbassa per altri motivi, il livello dell'olio viene protetto e viene inviato un segnale di allarme.

4, il sistema di raffreddamento si arresta completamente

Quando tutti i sistemi di raffreddamento del trasformatore si arrestano, la temperatura del trasformatore aumenta. Se non si interviene tempestivamente, l'isolamento degli avvolgimenti del trasformatore potrebbe danneggiarsi. Pertanto, quando tutti i sistemi di raffreddamento del trasformatore si arrestano, il sistema di protezione invia un segnale di allarme e, dopo un lungo ritardo, disattiva il trasformatore.

Quattro, protezione differenziale

La protezione differenziale del trasformatore è la principale protezione del circuito elettrico del trasformatore e il suo campo di protezione comprende la parte di corrente che circonda ciascun lato del trasformatore. In questo campo, in caso di cortocircuito tra gli avvolgimenti, cortocircuito tra le spire e altri guasti, interviene la protezione differenziale.

1, corrente di spunto del trasformatore

La corrente di campo prodotta quando il trasformatore viene scaricato è detta corrente di spunto di campo. L'entità della corrente di spunto di eccitazione è correlata alla struttura del trasformatore, all'angolo di chiusura, alla capacità, alla remanenza prima della chiusura e ad altri fattori. Le misurazioni mostrano che la corrente di spunto è solitamente da 2 a 6 volte la corrente nominale, con un valore massimo superiore a 8 volte la corrente nominale. Poiché la corrente di spunto fluisce nel trasformatore solo sul lato di carica, produrrà una grande corrente differenziale nel circuito differenziale, con conseguente malfunzionamento della protezione differenziale.

La corrente di spunto presenta le seguenti caratteristiche: a. Il valore della corrente di spunto è molto elevato e contiene una componente aperiodica evidente; B. La forma d'onda è appuntita e discontinua; C. Contiene una componente armonica di ordine superiore evidente, in particolare la componente di seconda armonica; D. La corrente di spunto di eccitazione è attenuata.

In base alle caratteristiche della corrente di spunto sopra descritte, al fine di impedire che la corrente di spunto causi un malfunzionamento della protezione differenziale del trasformatore, il progetto si basa su tre principi: elevato contenuto di seconda armonica, asimmetria della forma d'onda e angolo di discontinuità della forma d'onda per realizzare il bloccaggio 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 della corrente differenziale per stabilire se quest'ultima sia una corrente di guasto o una corrente di spunto. Quando la percentuale della componente di seconda armonica rispetto alla componente fondamentale supera un certo valore (solitamente il 20%), si ritiene che la corrente differenziale sia causata dalla corrente di spunto e la protezione differenziale si attiva.

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

3, protezione differenziale a frenata rapida

Quando si verifica un guasto grave all'interno del trasformatore e la corrente di guasto è sufficientemente elevata da causare la saturazione del trasformatore di corrente (CT), 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 si blocchi o si attivi in ​​ritardo a causa della frenatura della seconda armonica. Ciò danneggerebbe gravemente il trasformatore. Per risolvere questo problema, viene solitamente installata una protezione differenziale a interruzione rapida.

L'elemento differenziale a interruzione rapida è in realtà un elemento differenziale ad alta costante di protezione differenziale longitudinale. A differenza del comune elemento differenziale, riflette il valore effettivo del flusso differenziale. Indipendentemente dalla forma d'onda del flusso differenziale o dall'ampiezza della componente armonica, non appena il valore effettivo del flusso differenziale supera il valore di impostazione dell'interruzione a velocità differenziale (solitamente superiore al valore di impostazione della protezione differenziale), il trasformatore verrà immediatamente disattivato, senza blocco dovuto alla corrente di spunto di eccitazione o ad altri criteri.

Cinque, protezione di riserva del trasformatore

Viene brevemente illustrato il sistema di protezione principale del trasformatore, seguito dalla descrizione del sistema di protezione di riserva. Esistono diverse configurazioni di protezione di riserva per i trasformatori. In questa sede, introduciamo brevemente due tipologie principali: la protezione da sovracorrente con doppio blocco di tensione e la protezione da messa a terra.

1. Doppia protezione da sovracorrente con bloccaggio a pressione

La protezione da sovracorrente con blocco di tensione composta è la protezione di riserva per i guasti da cortocircuito tra trasformatori di grandi e medie dimensioni. È adatta per trasformatori elevatori, trasformatori di collegamento di sistema e trasformatori riduttori la cui protezione da sovracorrente non soddisfa i requisiti di sensibilità. La tensione composta, costituita da tensione di sequenza negativa e bassa tensione, può riflettere vari guasti nell'intervallo di protezione, ridurre il valore di intervento della protezione da sovracorrente e migliorarne la sensibilità.

La protezione da sovracorrente a tensione composta è costituita da un elemento di tensione composta, 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 locale del trasformatore, mentre la tensione di ingresso è la tensione trifase secondaria del trasformatore di tensione (PT) sul lato locale o su altri lati del trasformatore. Per la protezione a microcomputer, la tensione di questo lato può essere fornita agli altri lati tramite software, in modo da garantire che qualsiasi lato sottoposto a manutenzione del trasformatore di tensione possa comunque utilizzare la protezione da sovracorrente a tensione composta. La logica di funzionamento è mostrata di seguito.

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 è generalmente costituita da: protezione da sovracorrente di sequenza zero, protezione da sovratensione di sequenza zero, protezione da spinterometro e così via. Di seguito viene fornita una breve introduzione a tre diverse modalità di messa a terra basate sul punto neutro.

(1) Il punto neutro è direttamente messo a terra

Per i trasformatori con tensione pari o superiore a 110 kV e punto neutro direttamente collegato a terra, la protezione contro le correnti di sequenza zero deve essere impostata sul lato del sistema di messa a terra ad alta corrente per riflettere il guasto a terra. Per i trasformatori collegati direttamente a terra sia sul lato alta corrente che sul lato medio, la protezione contro le correnti di sequenza zero deve essere impostata in direzione di ciascuna sbarra laterale.

Il principio della protezione dalla corrente di sequenza zero è simile a quello della protezione di sequenza zero di linea, fare riferimento al numero 30. La corrente di sequenza zero può essere derivata dalla corrente del trasformatore di corrente secondario del punto neutro o dalla corrente del trasformatore di corrente trifase secondario del lato locale. La tensione di sequenza zero collegata all'elemento direzionale può essere ottenuta dalla tensione di apertura del triangolo di trasformazione del trasformatore di tensione del lato locale o dalla tensione trifase secondaria del lato locale. Nei dispositivi di protezione a microcomputer, si adotta principalmente una soluzione di produzione propria.

Per i trasformatori di grandi dimensioni a tre avvolgimenti, la protezione dalla corrente di sequenza zero può essere a tre stadi. È presente una direzione nelle sezioni I e II, mentre la sezione III non ha direzione. Ciascuna sezione ha generalmente un ritardo a due stadi: un ritardo più breve per ridurre l'estensione del guasto (salto del bus o interruttore locale), e un ritardo più lungo per disconnettere il trasformatore (salto dell'interruttore trilaterale). La configurazione specifica della protezione dipende dalla situazione reale.

Come illustrato in figura, dopo l'intervento della protezione di corrente di sequenza zero nella sezione I o II, è necessario bypassare prima l'interruttore di bus o locale t1 o T3 con un breve ritardo per ridurre l'entità dell'influenza del guasto. Se la quantità di guasto persiste, il trasformatore deve essere disconnesso con l'interruttore a tre vie t2 o T4 con un lungo ritardo. Nella sezione III senza direzione, il trasformatore viene disconnesso direttamente con ritardo.

(2) il punto neutro non è messo a terra

La corrente di sequenza zero passa attraverso il punto neutro del trasformatore per formare l'anello di sequenza zero. Tuttavia, se tutti i punti neutri del trasformatore sono collegati a terra, la corrente di cortocircuito nel punto di messa a terra si distribuirà a 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, viene regolato il numero di trasformatori collegati a terra al punto neutro.

Per i trasformatori non messi a terra, è necessario configurare una protezione contro la tensione di sequenza zero per prevenire danni da sovratensione al trasformatore causati da un arco elettrico nel punto di guasto in caso di guasto a terra.

Trasformatore completamente isolato grazie al suo elevato livello di isolamento del punto neutro, quando si verifica un guasto a terra del sistema, la prima protezione di corrente di sequenza zero rimuove il trasformatore di messa a terra del punto neutro; se il guasto persiste, interviene la protezione di tensione di sequenza zero per rimuovere il trasformatore non messo a terra del punto neutro.

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

Tutti i trasformatori ad alta tensione sono semiisolati e l'isolamento della bobina del neutro verso terra è più debole rispetto ad altre parti. L'isolamento del neutro è soggetto a guasti. Pertanto, è necessario configurare una protezione di distanza.

Il ruolo della protezione contro gli scarichi è quello di proteggere la sicurezza dell'isolamento del punto neutro del trasformatore non messo a terra.

Come illustrato, tra il punto neutro del trasformatore e la terra è installato uno spinterometro. 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 criterio la corrente di scarto 3I0 che scorre attraverso il punto neutro del trasformatore e la tensione di apertura del triangolo 3U0 del PT della sbarra.

Se il punto neutro rispetto al luogo del guasto è elevato, si verifica una scarica nel traferro, con conseguente elevata corrente di traferro 3I0; in questo momento, interviene la protezione del traferro, dopo un ritardo, rimuovendo il trasformatore. Inoltre, quando il sistema presenta un guasto a terra, interviene la protezione della sequenza zero del trasformatore di messa a terra del punto neutro, interrompendo prima il trasformatore di messa a terra del punto neutro. Dopo che il sistema ha perso il punto di terra, se il guasto persiste, la tensione triangolare a circuito aperto del bus PT 3U0 sarà elevata e anche in questo caso interverrà la protezione del traferro.

Fonte: Power pulpit