Анализ защиты трансформатора в релейной защите

1. Типичные неисправности и отклонения в работе трансформаторов

Неисправности трансформаторов можно разделить на внутренние и внешние.

Внутренние неисправности — это неисправности, возникающие внутри корпуса, включая межфазные короткие замыкания обмоток, межвитковые короткие замыкания однофазных обмоток, короткие замыкания между обмотками и железными сердечниками, а также обрывы обмоток.

Под внешними повреждениями подразумеваются различные межфазные короткие замыкания между внешними выводами трансформатора, а также однофазные замыкания на землю, возникающие при пробитии изолятором выводов корпуса трансформатора.

Выход трансформатора из строя очень опасен. Особенно при возникновении внутренней неисправности высокотемпературная дуга, образующаяся при коротком замыкании, не только прожигает изоляцию и железный сердечник обмотки трансформатора, но и вызывает разложение трансформаторного масла с образованием большого количества газа, что приводит к деформации или даже взрыву корпуса трансформатора. Поэтому при выходе трансформатора из строя необходимо отключить его.

К основным неисправностям трансформатора относятся перегрузка, низкий уровень масла, перегрузка по току, вызванная внешним коротким замыканием, высокая температура масла в работающем трансформаторе, высокая температура обмоток, высокое давление в трансформаторе и отказ системы охлаждения. При неисправном состоянии трансформатора должен подаваться сигнал тревоги.

2. Конфигурация защиты трансформатора

Основные виды защиты от короткого замыкания: в основном продольная дифференциальная защита, защита от тяжелых газов и т.д.

Резервная защита от короткого замыкания: в основном, комбинированная защита от перегрузки по току с блокировкой напряжения, защита от перегрузки по току нулевой последовательности (направления), защита от низкого импеданса и т. д.

Защита от нештатных ситуаций: в основном включает защиту от перегрузки, защиту от перенапряжения, защиту от легкого газа, защиту от зазора в нейтральной точке, защиту от перегрева масла и отказов системы охлаждения и т. д.

3. Защита, не связанная с электричеством

Защита трансформатора с использованием неэлектрических величин, таких как масло, газ и температура трансформатора, называется неэлектрической защитой. В основном она включает защиту от газа, защиту от давления, защиту от перегрева, защиту от перегрева, защиту от перегрева и защиту от полного отключения охладителя. Неэлектрическая защита срабатывает путем отключения или отправки сигнала в зависимости от потребностей объекта.

(1) Газовая защита

При возникновении неисправности внутри трансформатора, из-за действия тока короткого замыкания и дуги в точке короткого замыкания, внутри трансформатора образуется большое количество газа, и скорость потока масла в трансформаторе увеличивается. Защита, осуществляемая с помощью потока газа и масла, называется газовой защитой.

Защита от легкого газа: При возникновении незначительной неисправности или отклонения от нормы внутри трансформатора происходит частичный перегрев места повреждения, что приводит к расширению части масла, образованию пузырьков газа в масле и его попаданию в газовое реле, после чего срабатывает защита от легкого газа, посылая сигнал о легком газе.

Защита от сильного газового загрязнения: При возникновении серьезной неисправности в баке трансформаторного масла ток короткого замыкания велик, дуга вызывает разложение большого количества трансформаторного масла, что приводит к образованию большого количества газа и масляного потока. Ударная заслонка активирует реле защиты от сильного газового загрязнения, посылает сигнал о сильном газовом загрязнении и отключает розетку. Необходимо демонтировать трансформатор.

Защита от сильных газов является основной защитой от внутренних повреждений в масляном баке и может выявлять различные неисправности внутри трансформатора. При небольшом количестве межвитковых коротких замыканий в трансформаторе, даже при большом токе короткого замыкания, дифференциальный ток, генерируемый в дифференциальной защите, может быть невелик, и дифференциальная защита может отказаться срабатывать. Поэтому для устранения внутренних неисправностей трансформатора необходимо полагаться на защиту от сильных газов.

(2) Защита от давления

Защита от перепадов давления также является основной защитой от внутренних неисправностей в баке трансформатора. Она включает в себя предохранительный клапан и защиту от резкого изменения давления, используемые для реагирования на давление трансформаторного масла.

(3) Защита от перегрева и утечки масла

Когда температура трансформатора поднимется до предупреждающего значения, система защиты от перегрева подаст сигнал тревоги и запустит резервный охладитель.

При утечке трансформаторного масла или снижении уровня масла по другим причинам срабатывает система защиты от утечки масла и подает сигнал тревоги.

(4) Защита от полного отключения охлаждения

Когда работающий охладитель трансформатора полностью останавливается, температура трансформатора повышается. Если это не предотвратить вовремя, это может привести к повреждению изоляции обмоток трансформатора. Поэтому, когда охладитель полностью останавливается во время работы трансформатора, защита подает сигнал тревоги и отключает трансформатор через длительную задержку.

4. Дифференциальная защита

Дифференциальная защита трансформатора является основной защитой электрической мощности трансформатора, и её зона действия охватывается частью, прилегающей к трансформаторам тока с каждой стороны. При возникновении в этой зоне таких неисправностей, как межфазное короткое замыкание и межвитковое короткое замыкание обмоток, дифференциальная защита должна сработать.

Что касается принципа дифференциальной защиты трансформатора, мы подробно обсуждали его ранее; друзья, которым это необходимо, могут ознакомиться с соответствующим содержанием в архивных записях 6, 7 и 8. Я не буду вдаваться в подробности, а здесь просто добавлю некоторые понятия о пусковом токе возбуждения.

(1) Пусковой ток возбуждения трансформатора

Ток возбуждения, возникающий при падении трансформатора с воздуха, называется пусковым током возбуждения. Величина пускового тока зависит от конструкции трансформатора, угла замыкания, мощности, остаточной намагниченности до замыкания и других факторов. Измерения показывают, что при падении трансформатора с воздуха пусковой ток возбуждения, обусловленный насыщением железного сердечника, очень велик, обычно в 2-6 раз превышает номинальный ток, а максимальное значение может превышать его более чем в 8 раз. Поскольку пусковой ток возбуждения поступает в трансформатор только со стороны зарядки, в дифференциальной цепи генерируется большой дифференциальный ток, что приводит к неисправности дифференциальной защиты.

Пусковой ток возбуждения имеет следующие характеристики: а. Величина пускового тока очень велика и содержит явные непериодические составляющие; б. Форма волны заостренная и прерывистая; в. Содержит явные гармонические составляющие высокого порядка, особенно вторую гармонику; г. Пусковой ток возбуждения ослаблен.

В соответствии с вышеуказанными характеристиками пускового тока, для предотвращения неправильной работы дифференциальной защиты трансформатора, вызванной пусковым током, в проекте используются три принципа: высокое содержание второй гармоники, асимметричная форма сигнала и большой угол разрыва формы сигнала для обеспечения блокировки дифференциальной защиты.

(2) Принцип торможения второй гармоники

Суть торможения с помощью второй гармоники заключается в использовании второй гармонической составляющей дифференциального тока для определения, является ли дифференциальный ток током короткого замыкания или пусковым током возбуждения. Когда процентное соотношение второй гармонической составляющей и основной волновой составляющей превышает определенное значение (обычно 20%), считается, что дифференциальный ток вызван пусковым током возбуждения, и дифференциальная защита блокируется.

Следовательно, чем больше коэффициент торможения второй гармоники, тем больше тока второй гармоники, содержащегося в основной волне, допускается, и тем хуже будет эффект торможения.

(3) Дифференциальная защита от быстрого торможения

Когда внутри трансформатора возникает серьёзная неисправность и трансформатор тока насыщается из-за большого тока короткого замыкания, вторичный ток трансформатора тока также содержит большое количество гармонических составляющих. Согласно описанию выше, это может привести к срабатыванию дифференциальной защиты из-за торможения второй гармоникой. Это блокирует или замедляет срабатывание защиты. Это серьёзно повредит трансформатор. Для решения этой проблемы обычно устанавливается дифференциальная быстроразрывная защита.

Дифференциальный быстроразъемный элемент фактически представляет собой высокоэффективный дифференциальный элемент для продольной дифференциальной защиты. В отличие от обычных дифференциальных элементов, он отражает эффективное значение дифференциального тока. Независимо от формы дифференциального тока и величины гармонической составляющей, как только эффективное значение дифференциального тока превысит заданное значение дифференциального быстроразъемного элемента (обычно выше заданного значения дифференциальной защиты), он немедленно отключит трансформатор без критериев блокировки возбуждения, таких как пусковой ток.

Ниже представлена ​​информация о резервной защите трансформатора.

Существует множество типов резервной защиты трансформаторов. В данном обзоре рассматриваются два основных типа резервной защиты: комплексная блокирующая защита от перегрузки по току и защита от замыкания на землю для трансформаторов.

1. Защита от перегрузки по току при сложной блокировке по давлению.

Комплексная защита от перегрузки по току с блокировкой напряжения является резервной защитой от межфазных коротких замыканий в трансформаторах больших и средних размеров. Она подходит для повышающих трансформаторов, системных контактных трансформаторов и понижающих трансформаторов, защита от перегрузки по току которых не соответствует требованиям чувствительности. Составное напряжение, включающее напряжение отрицательной последовательности и низкое напряжение, может отражать различные неисправности в пределах диапазона защиты, что снижает значение срабатывания защиты от перегрузки по току и повышает чувствительность.

Композитная защита от перегрузки по току по напряжению состоит из элемента защиты по напряжению, элемента защиты от перегрузки по току и временного элемента защиты. Входным током защиты является вторичный трехфазный ток трансформатора тока на собственной стороне трансформатора, а входным напряжением — вторичное трехфазное напряжение трансформатора напряжения на собственной или другой стороне трансформатора. В случае микрокомпьютерной защиты напряжение на этой стороне может передаваться на другие стороны программным обеспечением, что гарантирует возможность использования защиты от перегрузки по току на любой стороне даже при ремонте трансформатора напряжения на любой стороне. Логика действия показана на рисунке ниже.

2. Защита трансформатора от замыкания на землю.

Резервная защита от коротких замыканий на землю в трансформаторах больших и средних размеров обычно включает в себя: защиту от перегрузки по току нулевой последовательности, защиту от перенапряжения нулевой последовательности, защиту от замыкания на землю и т. д. Ниже приводится краткое описание трех различных методов заземления нейтральной точки.

(1) Нейтральная точка непосредственно заземлена

Для трансформаторов с напряжением 110 кВ и выше, нейтральная точка которых непосредственно заземлена, на стороне системы заземления с большими токами следует установить защиту от токов нулевой последовательности, реагирующую на замыкания на землю. Для трансформаторов, заземленных непосредственно как на стороне высокого, так и на стороне среднего напряжения, защита от токов нулевой последовательности должна иметь направление, и это направление должно быть направлено к шинам с каждой стороны.

Принцип защиты от тока нулевой последовательности аналогичен принципу защиты от тока нулевой последовательности линии (см. выпуск 30). Ток нулевой последовательности может отбираться от вторичного тока нейтральной точки трансформатора тока или генерироваться им самим от вторичного трехфазного тока трансформатора тока на локальной стороне. Напряжение нулевой последовательности, подключенное к направляющему элементу, может отбираться от напряжения разомкнутой цепи трансформатора напряжения на локальной стороне или генерироваться им самим от вторичного трехфазного напряжения на локальной стороне. В микрокомпьютерных устройствах защиты в основном используется метод самогенерации.

Для больших трехвитковых трансформаторов может использоваться трехступенчатая защита от тока нулевой последовательности. При этом секции I и II имеют направления, а секция III не имеет направлений. Как правило, в каждой секции предусмотрено два уровня задержки: при короткой задержке (замыкание шины или выключателя на основной стороне шины) диапазон короткого замыкания сужается, а при длинной задержке (замыкание трехстороннего выключателя) трансформатор отключается. Конкретная конфигурация защиты определяется в зависимости от реальной ситуации.

Как показано на рисунке, после срабатывания I или II секции направленной токовой защиты нулевой последовательности сначала замыкают шинный соединитель или выключатель на этой стороне с небольшой задержкой t1 или t3, чтобы уменьшить масштаб неисправности. Если неисправность сохраняется, после более длительной задержки t2 или t4 замыкают трехсторонний выключатель, чтобы отключить трансформатор. Секция III не имеет направленности, и трансформатор отключается сразу после задержки.

(2) Нейтральная точка не заземлена

Ток нулевой последовательности проходит через нейтраль трансформатора, образуя цепь нулевой последовательности. Однако, если нейтральные точки всех трансформаторов заземлены, ток короткого замыкания в точке заземления будет шунтироваться в каждый трансформатор, что снизит чувствительность защиты от перегрузки по току нулевой последовательности. Поэтому, чтобы ограничить ток нулевой последовательности в определенном диапазоне, существуют правила, регулирующие количество трансформаторов, работающих с заземленной нейтральной точкой.

Для трансформаторов, работающих без заземления, следует предусмотреть защиту от перенапряжения нулевой последовательности, чтобы предотвратить повреждение трансформатора от перенапряжения, вызванное дуговыми разрядами в местах повреждений при замыканиях на землю.

Из-за высокого уровня изоляции нейтральной точки полностью изолированного трансформатора при возникновении замыкания на землю в системе защита от тока нулевой последовательности сначала отключит трансформатор при заземлении нейтральной точки, а если замыкание на землю все еще будет продолжаться, сработает защита от напряжения нулевой последовательности, которая отключит нейтральную точку без заземления трансформатора.

(3) Нейтральная точка заземлена через разрядный зазор

Трансформаторы сверхвысокого напряжения являются полуизолированными, и изоляция обмотки нейтральной точки от земли слабее, чем у других частей. Изоляция нейтральной точки подвержена пробою. Поэтому необходимо предусмотреть защиту от зазора.

Функция защиты от зазора заключается в обеспечении безопасности изоляции нейтральной точки незаземленного трансформатора.

Установите зазор пробоя между нейтральной точкой трансформатора и землей, как показано на рисунке. Когда замыкается заземляющий выключатель, трансформатор напрямую заземляется, и включается защита от перегрузки по току нулевой последовательности. Когда заземляющий выключатель размыкается, трансформатор заземляется через зазор и переходит в режим защиты от замыкания на землю.

Защита от разряда осуществляется с использованием в качестве критериев тока разряда 3I0, протекающего через нейтральную точку трансформатора, и напряжения размыкания шины трансформатора тока 3U0.

Если из-за неисправности поднимается нейтральная точка, происходит пробой зазора и генерируется большой ток в зазоре 3I0. В этот момент срабатывает защита зазора, и трансформатор отключается с задержкой. Кроме того, при возникновении замыкания на землю в системе срабатывает защита нулевой последовательности трансформатора заземления нейтральной точки, и трансформатор заземления нейтральной точки отключается первым. После потери заземления, если неисправность сохраняется, напряжение разомкнутой треугольной цепи 3U0 на шине трансформатора напряжения будет очень большим, и в этот момент также сработает защита зазора.