Analiza ochrony transformatora w zabezpieczeniu przekaźnikowym

1. Typowe usterki i nieprawidłowości transformatorów

Usterki transformatorów można podzielić na usterki wewnętrzne i usterki zewnętrzne.

Usterki wewnętrzne odnoszą się do usterek, które występują wewnątrz obudowy, w tym zwarcia międzyfazowe uzwojeń, zwarcia międzyzwojowe uzwojeń jednofazowych, zwarcia między uzwojeniami a rdzeniami żelaznymi oraz usterki rozłączania uzwojeń.

Usterki zewnętrzne odnoszą się do różnego rodzaju zwarć międzyfazowych pomiędzy zewnętrznymi przewodami zasilającymi transformatora oraz do jednofazowych zwarć doziemnych, które występują, gdy przepust izolacyjny przewodów zasilających przebija obudowę skrzynki.

Awaria transformatora jest bardzo niebezpieczna. Szczególnie w przypadku zwarcia wewnętrznego, łuk elektryczny o wysokiej temperaturze generowany przez prąd zwarciowy nie tylko spali izolację i żelazny rdzeń uzwojenia transformatora, ale także spowoduje rozkład oleju transformatorowego i wytworzenie dużej ilości gazu, co doprowadzi do odkształcenia, a nawet eksplozji obudowy transformatora. Dlatego w przypadku awarii transformatora należy go odłączyć.

Do nieprawidłowych warunków pracy transformatora należą głównie przeciążenie, niski poziom oleju, przetężenie spowodowane zwarciem zewnętrznym, wysoka temperatura oleju w transformatorze podczas pracy, wysoka temperatura uzwojenia, wysokie ciśnienie w transformatorze oraz awaria układu chłodzenia. W przypadku nieprawidłowego stanu pracy transformatora powinien zostać uruchomiony sygnał alarmowy.

2. Konfiguracja zabezpieczenia transformatora

Podstawowe zabezpieczenia przed zwarciami: głównie zabezpieczenie różnicowoprądowe wzdłużne, zabezpieczenie przed dużymi gazami, itp.

Zabezpieczenie rezerwowe przed zwarciami: głównie zabezpieczenie nadprądowe blokujące napięcie kompozytowe, zabezpieczenie nadprądowe składowej zerowej (kierunkowe), zabezpieczenie niskoimpedancyjne itp.

Zabezpieczenie przed nieprawidłową pracą: obejmuje głównie zabezpieczenie przed przeciążeniem, zabezpieczenie przed nadmiernym wzbudzeniem, zabezpieczenie przed słabym gazem, zabezpieczenie przed przerwą w punkcie neutralnym, zabezpieczenie przed temperaturą i poziomem oleju oraz zabezpieczenie przed awarią układu chłodzenia itp.

3. Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym

Zabezpieczenie transformatora wykorzystujące czynniki nieelektryczne, takie jak olej, gaz i temperatura transformatora, nazywa się zabezpieczeniem nieelektrycznym. Obejmuje ono głównie zabezpieczenia gazowe, ciśnieniowe, temperaturowe, poziomu oleju oraz całkowite zatrzymanie chłodnicy. Zabezpieczenie nieelektryczne działa poprzez wyzwolenie lub wysłanie sygnału, w zależności od potrzeb obiektu.

(1) Ochrona gazowa

W przypadku wystąpienia zwarcia wewnątrz transformatora, w wyniku działania prądu zwarciowego i łuku elektrycznego w miejscu zwarcia, wewnątrz transformatora powstaje duża ilość gazu, co powoduje przyspieszenie przepływu oleju w transformatorze. Zabezpieczenie realizowane za pomocą przepływu gazu i oleju nazywa się zabezpieczeniem gazowym.

Zabezpieczenie przed lekkim gazem: Gdy wewnątrz transformatora wystąpi niewielka usterka lub nieprawidłowość, punkt usterki ulega częściowemu przegrzaniu, co powoduje rozszerzenie się części oleju, gaz w oleju tworzy bąbelki i przedostaje się do przekaźnika gazowego, a zabezpieczenie przed lekkim gazem wysyła lekki sygnał gazowy.

Zabezpieczenie przed silnym gazem: W przypadku poważnej awarii w zbiorniku oleju transformatorowego, prąd zwarciowy jest duży, a łuk elektryczny powoduje rozkład dużej ilości oleju transformatorowego, generując duży przepływ gazu i oleju. Przesłona przeciwuderzeniowa uruchamia zabezpieczenie przekaźnika przed silnym gazem, wysyłając sygnał o silnym gazie i wyzwalając wyjście. Wyjmij transformator.

Zabezpieczenie przed dużymi gazami stanowi główne zabezpieczenie przed wewnętrznymi zwarciami zbiornika oleju i może odzwierciedlać różne usterki wewnątrz transformatora. W przypadku wystąpienia niewielkiej liczby zwarć międzyzwojowych w transformatorze, pomimo dużego prądu zwarciowego, prąd różnicowy generowany przez zabezpieczenie różnicowe może nie być duży, co może skutkować brakiem działania zabezpieczenia różnicowego. Dlatego w przypadku zwarcia wewnętrznego transformatora konieczne jest zastosowanie zabezpieczenia przed dużymi gazami w celu usunięcia usterki.

(2) Ochrona ciśnieniowa

Zabezpieczenie ciśnieniowe stanowi również główne zabezpieczenie przed awariami wewnętrznymi w kadzi transformatora. Zawiera zabezpieczenie przed ubytkiem ciśnienia i nagłymi zmianami ciśnienia, stosowane w celu reagowania na ciśnienie oleju transformatorowego.

(3) Zabezpieczenie przed temperaturą i poziomem oleju

Gdy temperatura transformatora wzrośnie do wartości ostrzegawczej, zabezpieczenie temperaturowe wyśle ​​sygnał alarmowy i uruchomi chłodziarkę rezerwową.

W przypadku wycieku oleju transformatorowego lub spadku poziomu oleju z innych przyczyn, zadziała zabezpieczenie poziomu oleju i wyśle ​​sygnał alarmowy.

(4) Całkowita ochrona chłodnicy

Całkowite zatrzymanie pracy chłodnicy transformatora powoduje wzrost temperatury transformatora. Brak odpowiedniej interwencji może spowodować uszkodzenie izolacji uzwojenia transformatora. Dlatego też, gdy chłodnica zostanie całkowicie zatrzymana podczas pracy transformatora, zabezpieczenie wyśle ​​sygnał alarmowy i wyłączy transformator z dużym opóźnieniem.

4. Zabezpieczenie różnicowe

Zabezpieczenie różnicowo-prądowe transformatora jest głównym zabezpieczeniem wielkości elektrycznej transformatora, a jego zakres ochrony obejmuje część otoczoną z obu stron przekładnikami prądowymi. W przypadku wystąpienia w tym zakresie zwarć, takich jak zwarcie międzyfazowe i zwarcie międzyzwojowe uzwojenia, zabezpieczenie różnicowo-prądowe musi zadziałać.

Jeśli chodzi o zasadę działania zabezpieczenia różnicowego transformatora, omówiliśmy ją szczegółowo wcześniej. Przyjaciele, którzy tego potrzebują, mogą przejrzeć odpowiednie treści w zapisach historycznych 6, 7 i 8. Nie będę wdawał się w szczegóły, a jedynie dodam tutaj kilka pojęć dotyczących prądu rozruchowego wzbudzenia.

(1) Prąd wzbudzenia transformatora

Prąd wzbudzenia generowany podczas rozładowywania transformatora nazywany jest prądem rozruchowym wzbudzenia. Wartość prądu rozruchowego zależy od konstrukcji transformatora, kąta zwarcia, pojemności, magnetyzmu szczątkowego przed zamknięciem i innych czynników. Pomiary pokazują, że podczas rozładowywania transformatora prąd rozruchowy wzbudzenia, spowodowany nasyceniem rdzenia żelaznego, jest bardzo duży, zazwyczaj 2 do 6 razy większy od prądu znamionowego, a maksymalnie może przekraczać 8 razy. Ponieważ prąd rozruchowy wzbudzenia wpływa do transformatora tylko po stronie ładowania, w obwodzie różnicowym powstaje duży prąd różnicowy, co prowadzi do awarii zabezpieczenia różnicowego.

Prąd rozruchowy wzbudzenia ma następujące cechy: a. Wartość prądu rozruchowego jest bardzo duża i zawiera wyraźne składowe nieokresowe; b. Przebieg jest punktowy i przerywany; c. Zawiera wyraźne składowe harmoniczne wyższego rzędu, zwłaszcza drugą harmoniczną. Oczywiście; d. Prąd rozruchowy wzbudzenia jest tłumiony.

Zgodnie z powyższymi charakterystykami prądu udarowego, w celu zapobieżenia nieprawidłowemu działaniu zabezpieczenia różnicowego transformatora spowodowanemu prądem udarowym, w projekcie zastosowano trzy zasady: wysoką zawartość drugiej harmonicznej, asymetryczny kształt fali i duży kąt nieciągłości kształtu fali w celu realizacji blokowania zabezpieczenia różnicowego.

(2) Zasada hamowania drugiej harmonicznej

Istotą hamowania drugą harmoniczną jest wykorzystanie drugiej harmonicznej w prądzie różnicowym do oceny, czy prąd różnicowy jest prądem zwarciowym, czy wzbudzenia prądem rozruchowym. Gdy stosunek procentowy drugiej harmonicznej do składowej podstawowej fali jest większy niż określona wartość (zwykle 20%), uznaje się, że prąd różnicowy jest spowodowany wzbudzeniem prądu rozruchowego i zabezpieczenie różnicowe zostaje zablokowane.

Dlatego im większy jest współczynnik hamowania drugiej harmonicznej, tym większy jest dopuszczalny prąd drugiej harmonicznej w fali podstawowej, a efekt hamowania będzie gorszy.

(3) Zabezpieczenie różnicowe szybkiego hamowania

Gdy wewnątrz transformatora wystąpi poważne zwarcie i przekładnik prądowy (CT) zostanie nasycony z powodu dużego prądu zwarciowego, prąd wtórny przekładnika również zawiera dużą liczbę składowych harmonicznych. Zgodnie z powyższym opisem, może to spowodować zadziałanie zabezpieczenia różnicowego z powodu hamowania drugą harmoniczną. Zablokowanie lub opóźnienie zadziałania zabezpieczenia może spowodować poważne uszkodzenie transformatora. Aby rozwiązać ten problem, zazwyczaj stosuje się zabezpieczenie różnicowe z szybkim wyłączeniem.

Element różnicowo-prądowy szybkiego rozłączenia to w rzeczywistości element różnicowo-prądowy o wysokiej wartości, przeznaczony do wzdłużnego zabezpieczenia różnicowego. W odróżnieniu od zwykłych elementów różnicowo-prądowych, odzwierciedla on skuteczną wartość prądu różnicowego. Niezależnie od kształtu fali prądu różnicowego i amplitudy składowej harmonicznej, dopóki skuteczna wartość prądu różnicowego przekracza wartość nastawy szybkiego rozłączenia różnicowego (zwykle wyższą niż wartość nastawy zabezpieczenia różnicowo-prądowego), nastąpi natychmiastowe odłączenie transformatora bez wzbudzenia. Blokada spełnia kryteria takie jak prąd rozruchowy.

Poniżej przedstawiono zabezpieczenie rezerwowe transformatora

Istnieje wiele rodzajów konfiguracji zabezpieczeń rezerwowych transformatorów. W tym numerze omówiono głównie dwa rodzaje zabezpieczeń rezerwowych: złożone zabezpieczenie nadprądowe z blokadą napięcia oraz zabezpieczenie doziemne transformatorów.

1. Zabezpieczenie nadprądowe dla złożonej blokady ciśnieniowej

Zabezpieczenie nadprądowe z blokadą napięciową to zabezpieczenie rezerwowe w przypadku zwarć międzyfazowych dużych i średnich transformatorów. Nadaje się do transformatorów podwyższających napięcie, transformatorów stykowych i transformatorów obniżających napięcie, których zabezpieczenie nadprądowe nie spełnia wymagań dotyczących czułości. Napięcie złożone, składające się z napięcia składowej przeciwnej i napięcia niskiego, może odzwierciedlać różne zwarcia w zakresie ochrony, co obniża wartość nastawy zabezpieczenia nadprądowego i poprawia jego czułość.

Zabezpieczenie nadprądowe napięciowe kompozytowe składa się z członu napięciowego, członu nadprądowego i członu czasowego. Prąd wejściowy zabezpieczenia jest wtórnym prądem trójfazowym przekładnika prądowego (CT) po stronie transformatora, a napięcie wejściowe jest wtórnym napięciem trójfazowym przekładnika prądowego (PT) po stronie transformatora lub po jego stronie. W przypadku zabezpieczenia mikrokomputerowego, napięcie tej strony może być przekazywane do pozostałych stron za pomocą oprogramowania, co zapewnia, że ​​zabezpieczenie nadprądowe dowolnej strony będzie nadal działać po naprawie przekładnika prądowego po dowolnej stronie. Logikę działania przedstawiono na poniższym rysunku.

2. Zabezpieczenie uziemienia transformatora

Zabezpieczenie rezerwowe przed zwarciami doziemnymi dużych i średnich transformatorów obejmuje zazwyczaj: zabezpieczenie nadprądowe składowej zerowej, zabezpieczenie nadnapięciowe składowej zerowej, zabezpieczenie przed przerwą międzybiegunową itp. Poniżej znajduje się krótki wstęp oparty na trzech różnych metodach uziemienia punktu neutralnego.

(1) Punkt neutralny jest bezpośrednio uziemiony

W transformatorach o napięciu 110 kV i wyższym, których punkt neutralny jest bezpośrednio uziemiony, zabezpieczenie przed składową zerową prądu, reagujące na zwarcia doziemne, powinno być zainstalowane po stronie uziemienia wielkoprądowego. W transformatorach uziemionych bezpośrednio zarówno po stronie wysokiego, jak i średniego napięcia, zabezpieczenie przed składową zerową prądu powinno mieć określony kierunek, a kierunek ten powinien być skierowany do szyn zbiorczych po obu stronach.

Zasada działania zabezpieczenia składowej zerowej prądu jest podobna do zasady działania zabezpieczenia składowej zerowej linii, patrz Wydanie 30. Prąd składowej zerowej może być pobierany z prądu wtórnego przekładnika prądowego w punkcie neutralnym lub może być samoczynnie generowany przez prąd wtórny trójfazowy przekładnika prądowego po stronie lokalnej. Napięcie składowej zerowej podłączone do elementu kierunkowego może być pobierane z napięcia otwartego trójkąta przekładnika prądowego po stronie lokalnej lub może być samoczynnie generowane przez napięcie wtórne trójfazowe po stronie lokalnej. W mikrokomputerowym urządzeniu zabezpieczającym stosowana jest głównie metoda samoczynnego wytwarzania.

W przypadku dużych transformatorów trójuzwojeniowych można zastosować trójstopniowe zabezpieczenie składowej zerowej prądu. Sekcja I i sekcja II posiadają instrukcje, a sekcja III nie posiada instrukcji. W każdej sekcji występują zazwyczaj dwa poziomy opóźnienia, a obszar zwarcia jest zawężany przez krótkie opóźnienie (skok na łączniku szynowym lub rozłączniku po stronie głównej szyny), a transformator jest wyłączany z długim opóźnieniem (skok na rozłączniku trójstronnym). Konkretna konfiguracja zabezpieczenia jest dobierana w zależności od sytuacji.

Jak pokazano na rysunku, po zadziałaniu sekcji I lub II kierunkowego zabezpieczenia prądowego składowej zerowej, należy najpierw zmostkować sprzęgło szynowe lub rozłącznik po tej stronie po krótkim czasie zwłoki t1 lub t3, aby zmniejszyć zasięg zwarcia. Jeśli zwarcie nadal występuje, po dłuższym czasie zwłoki t2 lub t4 należy zmostkować rozłącznik trójstronny, aby odłączyć transformator. Sekcja III nie ma kierunku, a transformator jest odłączany bezpośrednio po czasie zwłoki.

(2) Punkt neutralny nie jest uziemiony

Prąd składowej zerowej przepływa przez punkt neutralny transformatora, tworząc obwód składowej zerowej. Jednakże, jeśli punkty neutralne wszystkich transformatorów są uziemione, prąd zwarciowy w punkcie uziemienia zostanie odprowadzony do każdego transformatora, co zmniejszy czułość zabezpieczenia nadprądowego składowej zerowej. Dlatego, aby ograniczyć prąd składowej zerowej w określonym zakresie, istnieją przepisy dotyczące liczby transformatorów pracujących z uziemionym punktem neutralnym.

W przypadku transformatorów pracujących bez uziemienia należy skonfigurować zabezpieczenie przed składową zerową napięcia, aby zapobiec uszkodzeniom transformatora spowodowanym przepięciem, wywołanym przez łuki elektryczne w punktach zwarcia doziemnego.

Ze względu na wysoki poziom izolacji punktu neutralnego całkowicie izolowanego transformatora, gdy w systemie wystąpi zwarcie doziemne, zabezpieczenie przed składową zerową prądu najpierw wyłączy transformator z uziemionym punktem neutralnym, a jeśli zwarcie nadal będzie występować, zadziała zabezpieczenie przed składową zerową napięcia, które odetnie punkt neutralny bez uziemiania transformatora.

(3) Punkt neutralny jest uziemiony poprzez szczelinę rozładowczą

Transformatory ultrawysokiego napięcia to transformatory półizolowane, a izolacja cewki punktu neutralnego od ziemi jest słabsza niż w przypadku innych elementów. Izolacja punktu neutralnego jest podatna na przebicia. Dlatego konieczne jest skonfigurowanie zabezpieczenia szczelinowego.

Funkcją zabezpieczenia przerwy jest ochrona bezpieczeństwa izolacji punktu neutralnego nieuziemionego transformatora.

Zamontuj przerwę przebiciową między punktem neutralnym transformatora a uziemieniem, jak pokazano na rysunku. Po zamknięciu rozłącznika uziemienia transformator jest bezpośrednio uziemiony, a zabezpieczenie nadprądowe składowej zerowej jest uruchomione. Po odłączeniu rozłącznika uziemienia transformator jest uziemiony poprzez przerwę i włączane jest zabezpieczenie szczelinowe.

Ochronę szczelinową realizuje się wykorzystując jako kryteria prąd szczelinowy 3I0 płynący przez punkt neutralny transformatora i napięcie trójkąta otwarcia szyny PT 3U0.

Jeśli punkt neutralny zostanie podniesiony z powodu zwarcia, przerwa w obwodzie ulega przebiciu i generowany jest duży prąd przerwy 3I0. W tym momencie zadziała zabezpieczenie przerwy w obwodzie, a transformator zostanie odłączony z opóźnieniem. Ponadto, w przypadku wystąpienia zwarcia doziemnego w systemie, zadziała zabezpieczenie składowej zerowej transformatora uziemiającego punkt neutralny, a transformator uziemiający punkt neutralny zostanie odłączony jako pierwszy. Po utracie uziemienia w systemie, jeśli zwarcie nadal występuje, napięcie otwartego trójkąta 3U0 szyny PT będzie bardzo wysokie i w tym momencie zadziała również zabezpieczenie przerwy w obwodzie.