Как защитить трансформаторы. Правильная защита трансформаторов позволит им прослужить весь срок службы.

Трансформатор — это стационарное оборудование, работающее непрерывно, что обеспечивает более надежную работу и меньшую вероятность отказов. Однако, поскольку подавляющее большинство трансформаторов устанавливается на открытом воздухе и подвергается воздействию нагрузки во время работы, а также влиянию короткого замыкания в энергосистеме, в процессе эксплуатации неизбежны различные неисправности и нештатные ситуации.

1. Типичные неисправности и аномалии трансформаторов

Неисправности трансформаторов можно разделить на внутренние и внешние.

Внутренние неисправности — это неисправности, возникающие внутри корпуса, такие как межфазные короткие замыкания обмоток, межвитковые короткие замыкания однофазных обмоток, короткие замыкания между обмотками и железным сердечником, а также обрывы обмоток и т. д.

Под внешними повреждениями подразумеваются различные короткие замыкания фаз между внешними выводами трансформаторов, а также однофазные замыкания на землю, возникающие при пробое изоляции изолятора вывода через корпус.

Выход трансформатора из строя наносит огромный вред. Особенно при внутренних неисправностях высокотемпературная дуга, возникающая при коротком замыкании, не только сжигает изоляцию и железный сердечник обмотки трансформатора, но и вызывает разложение трансформаторного масла с выделением большого количества газа, что приводит к деформации корпуса трансформатора и даже взрыву. Поэтому, когда трансформатор выходит из строя, его необходимо демонтировать.

К основным неисправностям трансформатора относятся перегрузка, снижение уровня масла, внешнее короткое замыкание, вызванное перегрузкой по току, слишком высокая рабочая температура трансформаторного масла, слишком высокая температура обмоток, слишком высокое давление в трансформаторе и отказ системы охлаждения. При возникновении неисправности трансформатора должен подаваться сигнал тревоги.

Два, конфигурация защиты трансформатора

Основные виды защиты от короткого замыкания: продольная дифференциальная защита, защита от тяжелых газов и др.

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 защита от перегрузки, защита от перенапряжения, защита от легкого газа, защита от утечки газа, защита от перегрева масла и защита от неисправности системы охлаждения.

Три, неэлектрическая защита

Защита трансформатора, включающая защиту от масла, газа, температуры и других неэлектрических факторов, называется неэлектрической защитой. В основном это защита от газа, защита от давления, защита от перегрева, защита от перепадов уровня масла и защита от остановки охладителя. Неэлектрическая защита срабатывает по мере необходимости, срабатывая или посылая сигналы.

1. Газовая защита

При внутренних неисправностях трансформатора, из-за действия тока короткого замыкания и дугового разряда в точке короткого замыкания, внутри трансформатора образуется большое количество газа, а также увеличивается скорость потока трансформаторного масла. Использование газа и потока масла для обеспечения защиты называется газовой защитой.

(1) Защита от легкого газа: при возникновении незначительной неисправности или отклонения внутри трансформатора локальный перегрев точки неисправности вызывает частичное расширение масла, а газ в масле образует пузырьки и попадает в газовое реле. Срабатывание защиты от легкого газа посылает сигнал о легком газе.

(2) Защита от сильного газа: при возникновении серьезной неисправности в баке трансформатора ток короткого замыкания велик, дуга вызывает разложение трансформаторного масла в больших количествах, что приводит к значительному потоку газа и масла. Ударная заслонка обеспечивает срабатывание защиты от сильного газа, посылает сигнал о сильном газе и срабатывание аварийного отключения, и трансформатор отключается.

(3) Защита от сильного газа является основной защитой от внутренних повреждений топливного бака, которая может отражать различные внутренние неисправности трансформатора. Когда в трансформаторе происходит короткое замыкание между несколькими витками, хотя ток короткого замыкания очень велик, дифференциальная защита, создаваемая дифференциальным током, может быть невелика, и дифференциальная защита может отказаться срабатывать. Поэтому для устранения внутренних неисправностей трансформатора необходимо полагаться на защиту от сильного газа.

Картина

2. Защита от давления

Защита от избыточного давления также является основной защитой от внутренних неисправностей бака трансформатора. Вместе с защитой от сброса давления и защитой от изменения давления используется защита от перепадов давления трансформаторного масла.

3. Защита от перегрева и повышения уровня масла.

Когда температура трансформатора поднимается до предупреждающего значения, система защиты от перегрева посылает сигнал тревоги и запускает резервный охладитель.

При утечке масла из трансформатора или снижении уровня масла по другим причинам, система контролирует уровень масла и подает сигнал тревоги.

4. Система защиты от перегрева.

Когда все работающие охладители трансформатора останавливаются, температура трансформатора повышается. Если вовремя не принять меры, изоляция обмоток трансформатора может быть повреждена. Поэтому, когда все охладители останавливаются, система защиты посылает сигнал тревоги и отключает трансформатор через длительное время.

Четыре, дифференциальная защита

Дифференциальная защита трансформатора является основной защитой электрического объема трансформатора, и область ее действия охватывается частью, прилегающей к каждому из трансформаторов тока. В этой области, при возникновении короткого замыкания между обмотками, межвиткового короткого замыкания и других неисправностей, срабатывает дифференциальная защита.

1. пусковой ток трансформатора

Ток возбуждения, возникающий при падении трансформатора, называется пусковым током возбуждения. Величина пускового тока возбуждения зависит от конструкции трансформатора, угла замыкания, мощности, остаточной намагниченности до замыкания и других факторов. Измерения показывают, что пусковой ток обычно в 2–6 раз превышает номинальный ток, а максимальное значение превышает номинальный ток более чем в 8 раз. Поскольку пусковой ток поступает в трансформатор только со стороны зарядки, он создает большой дифференциальный ток в дифференциальном контуре, что приводит к сбою дифференциальной защиты.

Пусковой ток имеет следующие характеристики: а. Величина пускового тока очень велика и содержит явную непериодическую составляющую; B. Форма волны заостренная и прерывистая; C. Содержит явную гармоническую составляющую высокого порядка, особенно вторую гармонику; D. Возбуждающий пусковой ток ослаблен.

В соответствии с вышеуказанными характеристиками пускового тока, для предотвращения сбоев в работе дифференциальной защиты трансформатора, вызванных пусковым током, в проекте используются три принципа: высокое содержание второй гармоники, асимметрия формы сигнала и угол разрыва формы сигнала для обеспечения блокировки дифференциальной защиты.

2. Принцип торможения второй гармоники

Суть торможения с использованием второй гармоники заключается в определении того, является ли дифференциальный ток током короткого замыкания или пусковым током, на основе второй гармонической составляющей дифференциального тока. Когда процентное соотношение второй гармонической составляющей к основной составляющей превышает определенное значение (обычно 20%), дифференциальный ток определяется как пусковой ток, и дифференциальная защита срабатывает.

Следовательно, чем больше коэффициент торможения второй гармоники, тем больше ток второй гармоники, содержащийся в допустимой основной волне, и тем хуже тормозной эффект.

3. Дифференциальная защита от быстрого торможения

Когда внутри трансформатора возникает серьёзная неисправность, и ток короткого замыкания становится достаточно большим, чтобы привести к насыщению трансформатора тока, вторичный ток трансформатора тока также содержит большое количество гармонических составляющих. В соответствии с вышеописанным, существует вероятность блокировки или задержки дифференциальной защиты из-за торможения второй гармоникой. Это серьёзно повредит трансформатор. Для решения этой проблемы обычно устанавливается дифференциальная быстроразрывная защита.

Дифференциальный быстроразъемный элемент фактически представляет собой высокопостоянный дифференциальный элемент продольной дифференциальной защиты. В отличие от обычных дифференциальных элементов, он отражает эффективное значение дифференциального потока. Независимо от формы волны дифференциального потока и величины гармонической составляющей, как только эффективное значение дифференциального потока превысит заданное значение дифференциального разъединителя (обычно выше заданного значения дифференциальной защиты), он немедленно отключит трансформатор, предотвращая блокировку из-за пускового тока возбуждения и других факторов.

Пять, резервная защита трансформатора

В данном разделе кратко рассматривается основная защита трансформатора, а затем — резервная защита. Существует множество вариантов резервной защиты трансформаторов. Здесь мы кратко рассмотрим два типа резервной защиты трансформатора: защиту от перегрузки по току с двойной блокировкой напряжения и защиту от замыкания на землю.

1. Двойная защита от перегрузки по току с блокировкой по давлению.

Композитная защита от перегрузки по току с фиксацией напряжения является резервной защитой от короткого замыкания между большими и средними трансформаторами. Подходит для повышающих трансформаторов, системных соединительных трансформаторов и понижающих трансформаторов, защита от перегрузки по току которых не соответствует требованиям чувствительности. Композитное напряжение, состоящее из напряжения отрицательной последовательности и низкого напряжения, позволяет отражать различные неисправности в диапазоне защиты, снижать заданное значение защиты от перегрузки по току и повышать чувствительность.

Комплексная защита от перегрузки по току по напряжению состоит из элемента комплексного напряжения, элемента защиты от перегрузки по току и временного элемента. Ток защиты представляет собой ток вторичного трехфазного трансформатора тока на местной стороне трансформатора, а напряжение — напряжение вторичного трехфазного трансформатора напряжения на местной или других сторонах трансформатора. В случае микрокомпьютерной защиты напряжение с этой стороны может передаваться на другие стороны через программное обеспечение, что обеспечивает возможность использования комплексной защиты от перегрузки по току по напряжению на любой стороне трансформатора при проведении технического обслуживания. Логика действия показана ниже.

2. Защита трансформатора от замыкания на землю

Резервная защита от короткого замыкания 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 режимов заземления в зависимости от нейтральной точки.

(1) Нейтральная точка непосредственно заземлена

Для трансформаторов с напряжением 110 кВ и выше, нейтральная точка которых непосредственно заземлена, защита от тока нулевой последовательности должна быть установлена ​​со стороны системы заземления с высоким током для отражения замыкания на землю. Для трансформаторов, которые непосредственно заземлены как со стороны высокого, так и со стороны среднего напряжения, защита от тока нулевой последовательности должна быть установлена ​​в направлении каждой из шин.

Принцип защиты от тока нулевой последовательности аналогичен принципу защиты от тока нулевой последовательности в линии (см. выпуск 30). Ток нулевой последовательности может быть получен из тока вторичного трансформатора тока в нейтральной точке или из тока вторичного трехфазного трансформатора тока на стороне подключения. Напряжение нулевой последовательности, подключенное к направляющему элементу, может быть получено из напряжения размыкания трансформатора напряжения на стороне подключения или из напряжения вторичной трехфазной цепи на стороне подключения. В микрокомпьютерных устройствах защиты в основном используется собственное производство.

Для больших трехвитковых трансформаторов защита от тока нулевой последовательности может быть трехступенчатой. В секциях I и II имеется направление, а в секции III направление отсутствует. Каждая секция, как правило, имеет двухступенчатую задержку: более короткая задержка предназначена для уменьшения зоны поражения (перемычка шины или местный выключатель), а более длительная — для отключения трансформатора (перемычка трехстороннего выключателя). Конкретная конфигурация защиты зависит от конкретной ситуации.

Как показано на рисунке, после срабатывания защиты от тока нулевой последовательности в секции I или II, сначала следует перекрыть шину Т1 или Т3 или местный выключатель с небольшой задержкой, чтобы уменьшить область воздействия неисправности. Если повреждение сохраняется, трансформатор следует отключить с помощью трехпозиционного выключателя Т2 или Т4 с большой задержкой. В секции III, если нет направления тока, трансформатор отключается непосредственно с задержкой.

(2) нейтральная точка не заземлена

Ток нулевой последовательности проходит через нейтральную точку трансформатора, образуя контур нулевой последовательности. Однако, если все нейтральные точки трансформатора заземлены, ток короткого замыкания в точке заземления будет распределяться между каждым трансформатором, что приведет к снижению чувствительности защиты от перегрузки по току нулевой последовательности. Поэтому для ограничения тока нулевой последовательности в определенном диапазоне регулируется количество трансформаторов, заземленных на нейтральную точку.

Для незаземленных трансформаторов следует предусмотреть защиту от перенапряжения нулевой последовательности, чтобы предотвратить повреждение трансформатора от перенапряжения, вызванное дуговым разрядом в месте повреждения при возникновении замыкания на землю.

Благодаря высокому уровню изоляции нейтральной точки, в полностью изолированном трансформаторе при возникновении замыкания на землю, в первую очередь срабатывает защита от тока нулевой последовательности, отключая трансформатор, заземляющий нейтральную точку; если замыкание на землю сохраняется, срабатывает защита от напряжения нулевой последовательности, отключая трансформатор, не заземляющий нейтральную точку.

(3) Нейтральная точка заземлена через разрядный зазор

Все высоковольтные трансформаторы являются полуизолированными, и изоляция нейтральной обмотки от земли слабее, чем у других частей. Изоляция нейтрали подвержена пробою. Поэтому необходимо предусмотреть защиту от зазоров.

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

Как показано на рисунке, между нейтральной точкой трансформатора и землей установлен зазор пробоя. Когда замыкается заземляющий выключатель, трансформатор напрямую заземляется, и срабатывает защита от перегрузки по току нулевой последовательности. Когда заземляющий выключатель размыкается, трансформатор заземляется через зазор и переходит в режим защиты от зазора.

Защита от разряда реализуется с использованием в качестве критерия тока разряда 3I0, протекающего через нейтральную точку трансформатора, и напряжения размыкания треугольника 3U0 шины PT.

Если нейтраль в месте повреждения находится под напряжением, происходит пробой зазора, что приводит к большому току в зазоре 3I0. В это время срабатывает защита зазора, после чего с задержкой отключается трансформатор. Кроме того, при замыкании на землю в системе срабатывает защита нулевой последовательности трансформатора заземления нейтральной точки, сначала отключая трансформатор заземления нейтральной точки. После потери заземления, если неисправность сохраняется, напряжение разомкнутой цепи шины PT 3U0 будет большим, и в это время также сработает защита зазора.

Источник: Power pulpit