Transformatorių apsaugos analizė relinėje apsaugoje

1. Dažni transformatorių gedimai ir sutrikimai

Transformatoriaus gedimus galima suskirstyti į vidinius ir išorinius gedimus.

Vidiniai gedimai – tai korpuso viduje atsirandantys gedimai, įskaitant apvijų fazių trumpojo jungimo gedimus, vienfazės apvijos tarpapvijų trumpojo jungimo gedimus, trumpojo jungimo gedimus tarp apvijų ir geležies šerdies bei apvijų atjungimo gedimus.

Išoriniai gedimai – tai įvairūs fazių trumpojo jungimo gedimai tarp transformatoriaus išorinių laidų ir vienfaziai įžeminimo gedimai, atsirandantys, kai laidų izoliacinė įvorė mirksi per dėžutės korpusą.

Transformatoriaus gedimas yra labai pavojingas. Ypač įvykus vidiniam gedimui, dėl trumpojo jungimo srovės susidaręs aukštos temperatūros lankas ne tik sudegins transformatoriaus apvijos izoliaciją ir geležies šerdį, bet ir sukels transformatoriaus alyvos skaidymąsi bei didelio kiekio dujų išsiskyrimą, dėl ko transformatoriaus korpusas deformuosis ar net sprogs. Todėl transformatoriaus gedimo atveju jį reikia atjungti.

Nenormalios transformatoriaus būklės dažniausiai pasireiškia perkrova, žemu alyvos lygiu, išorinio trumpojo jungimo sukelta viršsrove, aukšta transformatoriaus alyvos temperatūra veikiančio metu, aukšta apvijų temperatūra, aukštas transformatoriaus slėgis ir aušinimo sistemos gedimas. Kai transformatorius veikia nenormaliai, turėtų įsijungti aliarmo signalas.

2. Transformatoriaus apsaugos konfigūracija

Pagrindinė trumpojo jungimo apsauga: daugiausia išilginė diferencialinė apsauga, sunkiųjų dujų apsauga ir kt.

Atsarginė apsauga nuo trumpojo jungimo gedimų: daugiausia sudėtinė įtampos blokavimo apsauga nuo viršsrovės, nulinės sekos (krypties) apsauga nuo viršsrovės, apsauga nuo mažos varžos ir kt.

Apsauga nuo nenormalaus veikimo: daugiausia apima apsaugą nuo perkrovų, apsaugą nuo per didelio sužadinimo, apsaugą nuo lengvųjų dujų, apsaugą nuo neutralaus taško tarpo, apsaugą nuo alyvos lygio temperatūros ir aušinimo sistemos gedimų ir kt.

3. Apsauga nuo elektros energijos

Transformatoriaus apsauga, naudojant neelektrinius dydžius, tokius kaip alyva, dujos ir transformatoriaus temperatūra, vadinama neelektrine apsauga. Ji daugiausia apima dujų apsaugą, slėgio apsaugą, temperatūros apsaugą, alyvos lygio apsaugą ir aušintuvo visiško sustojimo apsaugą. Neelektrinė apsauga veikia suveikus arba išsijungus, atsižvelgiant į objekto poreikius.

(1) Apsauga nuo dujų

Kai transformatoriuje įvyksta gedimas dėl trumpojo jungimo srovės ir lanko veikimo trumpojo jungimo taške, transformatoriaus viduje susidaro didelis dujų kiekis, todėl transformatoriaus alyvos tekėjimo greitis padidėja. Apsauga, pasiekiama naudojant dujas ir alyvos srautą, vadinama dujų apsauga.

Apsauga nuo lengvųjų dujų: Kai transformatoriaus viduje įvyksta nedidelis gedimas ar sutrikimas, gedimo vieta iš dalies perkaitinama, todėl dalis alyvos išsiplečia, alyvoje esančios dujos suformuoja burbuliukus ir patenka į dujų relę, o apsauga nuo lengvųjų dujų suveikia ir siunčia lengvųjų dujų signalą.

Apsauga nuo sunkiųjų dujų: Kai transformatoriaus alyvos bake įvyksta rimtas gedimas, gedimo srovė yra didelė, o dėl lanko suskyla didelis kiekis transformatoriaus alyvos, susidaro didelis dujų ir alyvos srautas. Smūginė pertvara įjungia sunkiųjų dujų relės apsaugą, siunčia sunkiųjų dujų signalą ir išjungia išleidimo angą. Išimkite transformatorių.

Apsauga nuo sunkiųjų dujų yra pagrindinė alyvos bako vidinių gedimų apsauga ir gali atspindėti įvairius transformatoriaus viduje esančius gedimus. Kai transformatoriuje įvyksta nedaug trumpųjų jungimų tarp apvijų, nors gedimo srovė yra didelė, diferencinės apsaugos generuojama diferencinė srovė gali būti nedidelė, ir diferencinė apsauga gali nesuveikti. Todėl, esant transformatoriaus vidiniam gedimui, reikia pasikliauti apsauga nuo sunkiųjų dujų, kad būtų pašalintas gedimas.

(2) Slėgio apsauga

Slėgio apsauga taip pat yra pagrindinė apsauga nuo transformatoriaus bako vidinių gedimų. Jame yra slėgio mažinimo ir staigaus slėgio pokyčio apsauga, naudojama reaguoti į transformatorinės alyvos slėgį.

(3) Temperatūros ir alyvos lygio apsauga

Kai transformatoriaus temperatūra pakyla iki įspėjamosios vertės, temperatūros apsauga išsiųs aliarmo signalą ir įjungs budėjimo režimo aušintuvą.

Kai transformatorinėje alyvoje nuteka alyva arba dėl kitų priežasčių sumažėja alyvos lygis, suveikia alyvos lygio apsauga ir išsiųstas aliarmo signalas.

(4) Aušintuvo visiško sustojimo apsauga

Kai transformatoriaus aušintuvas visiškai sustoja, pakyla transformatoriaus temperatūra. Laiku nesureagavus, gali būti pažeista transformatoriaus apvijos izoliacija. Todėl, kai transformatoriaus veikimo metu aušintuvas visiškai sustoja, apsauga po ilgo delsimo išsiųs aliarmo signalą ir išjungs transformatorių.

4. Diferencinė apsauga

Transformatoriaus diferencinė apsauga yra pagrindinė transformatoriaus elektrinio dydžio apsauga, o jos apsaugos diapazonas yra srovės transformatorių iš abiejų pusių apsupta dalis. Kai šiame diapazone įvyksta tokie gedimai kaip apvijos fazių trumpasis jungimas ir trumpasis jungimas tarp apvijų, turi suveikti diferencinė apsauga.

Kalbant apie transformatoriaus diferencinės apsaugos principą, mes jau išsamiai aptarėme anksčiau, draugai, kuriems to reikia, gali peržiūrėti atitinkamą turinį istoriniuose įrašuose 6, 7 ir 8. Aš nesileisiu į detales, o čia tiesiog pridėsiu keletą sąvokų apie sužadinimo paleidimo srovę.

(1) Transformatoriaus sužadinimo įsibėgėjimo srovė

Žadinimo srovė, susidaranti transformatoriaus įjungimo metu, vadinama sužadinimo pradine srove. Įjungimo srovės dydis priklauso nuo transformatoriaus konstrukcijos, uždarymo kampo, talpos, liekamojo magnetizmo prieš uždarymą ir kitų veiksnių. Matavimai rodo, kad transformatoriaus įjungimo metu dėl geležies šerdies prisotinimo susidaranti sužadinimo pradinė srovė yra labai didelė, paprastai 2–6 kartus didesnė už vardinę srovę, o maksimali gali būti daugiau nei 8 kartus didesnė. Kadangi sužadinimo pradinė srovė į transformatorių teka tik įkrovimo pusėje, diferencialinėje grandinėje susidarys didelė diferencinė srovė, dėl kurios diferencinė apsauga suges.

Žadinimo pradinė srovė pasižymi šiomis savybėmis: a. Įjungimo srovės vertė yra labai didelė ir joje yra aiškių neperiodinių dedamųjų; b. Bangos forma yra smaili ir pertraukiama; c. Joje yra aiškių aukštesnės eilės harmoninių dedamųjų, ypač antrosios harmonikos dedamosios. Akivaizdu, kad; d. Žadinimo pradinė srovė yra susilpnėjusi.

Remiantis aukščiau pateiktomis įjungimo srovės charakteristikomis, siekiant išvengti transformatoriaus diferencinės apsaugos netinkamo veikimo dėl įjungimo srovės, projekte naudojami trys principai: didelis antrosios harmonikos kiekis, asimetrinė bangos forma ir didelis bangos formos nepertraukiamumo kampas, siekiant realizuoti diferencinės apsaugos blokavimą.

(2) Antrosios harmonikos stabdymo principas

Antrosios harmonikos stabdymo esmė – pagal antrąją diferencialinės srovės harmoniką nustatyti, ar diferencialinė srovė yra gedimo srovė, ar sužadinimo pradinė srovė. Kai antrosios harmonikos ir pagrindinės bangos komponentės procentinė dalis viršija tam tikrą vertę (paprastai 20 %), laikoma, kad diferencialinę srovę sukėlė sužadinimo pradinė srovė, ir diferencialinė apsauga blokuojama.

Todėl kuo didesnis antrosios harmonikos stabdymo santykis, tuo didesnė pagrindinėje bangoje esanti antrosios harmonikos srovė yra leidžiama, o stabdymo efektas bus blogesnis.

(3) Diferencialinė greito stabdymo apsauga

Kai transformatoriaus viduje įvyksta rimtas gedimas ir srovės transformatorius (ST) yra persotintas dėl didelės gedimo srovės, ST antrinėje srovėje taip pat yra daug harmoninių dedamųjų. Remiantis aukščiau pateiktu aprašymu, dėl antrojo harmoninio stabdymo gali atsirasti diferencinė apsauga. Blokavimo arba uždelsimo veiksmas. Tai smarkiai pažeis transformatorių. Siekiant išspręsti šią problemą, paprastai nustatoma diferencinė greitojo išjungimo apsauga.

Diferencialinis greitojo išjungimo elementas iš tikrųjų yra didelės vertės diferencialinis elementas, skirtas išilginei diferencinei apsaugai. Skirtingai nuo įprastų diferencialinių elementų, jis atspindi diferencinės srovės efektyviąją vertę. Nepriklausomai nuo diferencinės srovės bangos formos ir harmoninio komponento dydžio, jei diferencinės srovės efektyvioji vertė viršija diferencinės greitojo išjungimo nustatytąją vertę (paprastai didesnę už diferencinės apsaugos nustatytąją vertę), jis nedelsdamas veiks ir išjungs transformatorių be sužadinimo. Blokuoja tokius kriterijus kaip įjungimo srovė.

Toliau pristatoma transformatoriaus atsarginė apsauga

Yra daug transformatorių atsarginės apsaugos konfigūracijų tipų. Šiame numeryje daugiausia pristatomi dviejų tipų atsarginės apsaugos: kompleksinė įtampos blokavimo apsauga nuo viršsrovės ir transformatorių įžeminimo apsauga.

1. Apsauga nuo viršsrovės sudėtingam slėgio blokavimui

Sudėtinga įtampos blokavimo viršsrovės apsauga yra atsarginė apsauga, skirta dideliems ir vidutinio dydžio transformatorių fazių trumpojo jungimo gedimams. Ji tinka įtampos kėlimo transformatoriams, sisteminiams kontaktiniams transformatoriams ir įtampos žeminamiesiems transformatoriams, kurių viršsrovės apsauga neatitinka jautrumo reikalavimų. Sudėtinė įtampa, sudaryta iš neigiamos sekos įtampos ir žemos įtampos, gali atspindėti įvairius gedimus apsaugos diapazone, o tai sumažina viršsrovės apsaugos nustatymo vertę ir pagerina jautrumą.

Sudėtinė įtampos viršsrovės apsauga sudaryta iš sudėtinio įtampos elemento, viršsrovės elemento ir laiko elemento. Apsaugos įėjimo srovė yra transformatoriaus pusės srovės transformatoriaus (CT) antrinė trifazė srovė, o įėjimo įtampa yra transformatoriaus pusės arba kitų pusių įtampos transformatoriaus (PT) antrinė trifazė įtampa. Mikrokompiuterio apsaugos atveju šios pusės įtampa gali būti tiekiama kitoms pusėms programine įranga, siekiant užtikrinti, kad bet kurios pusės apsauga nuo viršsrovės vis tiek veiktų, kai bet kurios pusės PT yra kapitaliai remontuojamas. Veiksmų logika parodyta paveikslėlyje žemiau.

2. Transformatoriaus įžeminimo apsauga

Didelių ir vidutinio dydžio transformatorių įžeminimo trumpojo jungimo gedimų atsarginė apsauga paprastai apima: nulinės sekos viršsrovės apsaugą, nulinės sekos viršįtampio apsaugą, tarpo apsaugą ir kt. Toliau pateikiamas trumpas įvadas, pagrįstas trimis skirtingais neutralaus taško įžeminimo metodais.

(1) Neutralus taškas yra tiesiogiai įžemintas

Transformatoriams, kurių įtampa yra 110 kV ir didesnė, o neutralus taškas yra tiesiogiai įžemintas, didelės srovės įžeminimo sistemos pusėje turėtų būti įrengta nulinės sekos srovės apsauga, reaguojanti į įžeminimo gedimus. Transformatoriams, kurie yra tiesiogiai įžeminti tiek aukštoje, tiek vidutinėje pusėje, nulinės sekos srovės apsauga turėtų turėti kryptį, o kryptis turėtų būti nukreipta į šynas abiejose pusėse.

Nulinės sekos srovės apsaugos principas yra panašus į linijos nulinės sekos apsaugos principą, žr. 30 leidimą. Nulinės sekos srovė gali būti imama iš neutralaus taško srovės transformatoriaus antrinės srovės arba gali būti generuojama vietinio srovės transformatoriaus antrinės trifazės srovės. Prie kryptinio elemento prijungta nulinės sekos įtampa gali būti imama iš vietinio srovės transformatoriaus atvirojo trifazės įtampos arba gali būti generuojama vietinio antrinės trifazės įtampos. Mikrokompiuterio apsaugos įrenginyje daugiausia taikomas savaiminio generavimo metodas.

Dideliems trijų apvijų transformatoriams galima naudoti trijų pakopų nulinės sekos srovės apsaugą. Iš jų I ir II sekcijos turi kryptis, o III sekcija neturi krypčių. Kiekvienoje sekcijoje paprastai yra du vėlinimo lygiai, o gedimų diapazonas susiaurinamas trumpu vėlavimu (perjungiant magistralės jungtį arba jungiklį pagrindinėje strypo pusėje), o transformatorius išjungiamas ilgu vėlavimu (perjungiant trijų pusių jungiklį). Konkreti apsaugos konfigūracija nustatoma atsižvelgiant į konkrečią situaciją.

Kaip parodyta paveikslėlyje, suveikus nulinės sekos kryptinės srovės apsaugos I arba II sekcijai, pirmiausia po trumpo uždelsimo t1 arba t3 peršokite šios pusės šynos jungiklį arba jungiklį, kad sumažintumėte gedimo apimtį. Jei gedimas vis dar yra, po ilgesnio uždelsimo laiko t2 arba t4 peršokite trijų pusių jungiklį, kad išjungtumėte transformatorių. III sekcija neturi krypties, ir transformatorius išjungiamas iš karto po uždelsimo.

(2) Neutralus taškas nėra įžemintas

Nulinės sekos srovė teka per transformatoriaus neutralųjį tašką ir sudaro nulinės sekos grandinę. Tačiau jei visų transformatorių neutralieji taškai yra įžeminti, trumpojo jungimo srovė įžeminimo taške bus nukreipta į kiekvieną transformatorių, o tai sumažins nulinės sekos viršsrovės apsaugos jautrumą. Todėl, siekiant apriboti nulinės sekos srovę tam tikrame diapazone, yra reglamentai dėl transformatorių, kurie veikia su įžemintu neutraliuoju tašku, skaičiaus.

Transformatoriams, kurie veikia be įžeminimo, nulinės sekos įtampos apsauga turėtų būti sukonfigūruota taip, kad būtų išvengta transformatoriaus viršįtampio žalos, kurią sukelia tarpinės iškrovos gedimų taškuose įžeminimo gedimų metu.

Dėl aukšto visiškai izoliuoto transformatoriaus neutralaus taško izoliacijos lygio, sistemoje įvykus įžeminimo gedimui, nulinės sekos srovės apsauga pirmiausia atjungs transformatorių, kurio neutralus taškas yra įžemintas, o jei gedimas vis dar yra, nulinės sekos įtampos apsauga atjungs neutralų tašką neįžemindama transformatoriaus.

(3) Neutralus taškas įžemintas per iškrovimo tarpą

Itin aukštos įtampos transformatoriai yra pusiau izoliuoti transformatoriai, o neutralaus taško ritės izoliacija nuo žemės yra silpnesnė nei kitų dalių. Neutralaus taško izoliacija yra linkusi sugesti. Todėl reikia konfigūruoti apsaugą nuo tarpų.

Apsaugos nuo tarpo funkcija yra apsaugoti neįžeminto transformatoriaus neutralaus taško izoliacijos saugumą.

Įrenkite pramušamąjį tarpą tarp transformatoriaus neutralaus taško ir žemės, kaip parodyta paveikslėlyje. Kai įžeminimo izoliacijos jungiklis yra uždarytas, transformatorius yra tiesiogiai įžemintas ir įsijungia nulinės sekos viršsrovės apsauga. Kai įžeminimo izoliacijos jungiklis yra atjungtas, transformatorius įžeminamas per pramušamąjį tarpą ir įjungiama pramušamojo tarpo apsauga.

Apsauga nuo tarpo realizuojama naudojant kriterijus tarpo srovę 3I0, tekančią per transformatoriaus neutralės tašką, ir šynos PT atidarymo trikampio įtampą 3U0.

Jei dėl gedimo pakyla neutralus taškas, tarpas nutrūksta ir susidaro didelė tarpo srovė 3I0. Šiuo metu suveikia tarpo apsauga ir transformatorius išsijungia po uždelsimo. Be to, sistemoje įvykus įžeminimo gedimui, suveikia neutralaus taško įžeminimo transformatoriaus nulinės sekos apsauga ir pirmiausia išsijungia neutralaus taško įžeminimo transformatorius. Jei sistemai praradus įžeminimo tašką ir gedimas vis dar egzistuoja, šynos PT atvirojo trikampio įtampa 3U0 bus labai didelė, ir šiuo metu suveikia ir tarpo apsauga.