Analiza zaščite transformatorjev pri relejni zaščiti

1. Pogoste napake in nepravilnosti transformatorjev

Napake transformatorjev lahko razdelimo na notranje napake in zunanje napake.

Notranje napake se nanašajo na napake, ki se pojavijo znotraj ohišja, vključno s kratkostičnimi napakami med fazami v navitjih, kratkostičnimi napakami med ovoji enofaznih navitij, kratkostičnimi napakami med navitji in železnimi jedri ter napakami zaradi odklopa navitij.

Zunanje napake se nanašajo na različne medfazne kratke stike med zunanjimi priključnimi žicami transformatorja in enofazne ozemljitvene napake, ki nastanejo, ko izolacijska puša priključnih žic prebije ohišje škatle.

Okvara transformatorja je zelo nevarna. Še posebej, če pride do notranje okvare, visokotemperaturni oblok, ki ga povzroči kratkostični tok, ne bo le prežgal izolacije in železnega jedra navitja transformatorja, temveč bo tudi povzročil razgradnjo transformatorskega olja in sproščanje velike količine plina, kar bo povzročilo deformacijo ali celo eksplozijo ohišja transformatorja. Zato ga je treba v primeru okvare transformatorja izklopiti.

Nenormalna stanja transformatorja vključujejo predvsem preobremenitev, nizek nivo olja, preobremenitev zaradi zunanjega kratkega stika, visoko temperaturo olja v transformatorju med delovanjem, visoko temperaturo navitja, visok tlak v transformatorju in okvaro hladilnega sistema. Ko je transformator v nenormalnem obratovalnem stanju, je treba sprožiti alarmni signal.

2. Konfiguracija zaščite transformatorja

Glavna zaščita pred kratkostičnimi napakami: predvsem vzdolžna diferencialna zaščita, zaščita pred težkimi plini itd.

Rezervna zaščita za kratkostične napake: predvsem sestavljena napetostno blokirajoča zaščita pred preobremenitvijo, zaščita pred preobremenitvijo ničelnega zaporedja (smer), zaščita pred nizko impedanco itd.

Zaščita pred nenormalnim delovanjem: vključuje predvsem zaščito pred preobremenitvijo, zaščito pred prekomernim vzbujanjem, zaščito pred lahkim plinom, zaščito pred vrzeljo nevtralne točke, zaščito pred temperaturo, nivojem olja in okvaro hladilnega sistema itd.

3. Zaščita pred neelektrično energijo

Zaščita transformatorjev z uporabo neelektričnih veličin, kot so olje, plin in temperatura transformatorja, se imenuje neelektrična zaščita. Vključuje predvsem plinsko zaščito, zaščito pred tlakom, zaščito pred temperaturo, zaščito pred nivojem olja in zaščito pred popolno zaustavitvijo hladilnika. Neelektrična zaščita deluje na izklop ali pošiljanje sporočila glede na potrebe lokacije.

(1) Zaščita pred plinom

Ko pride do napake v transformatorju, se zaradi delovanja kratkostičnega toka in obloka na mestu kratkega stika v transformatorju ustvari velika količina plina, kar pospeši pretok olja v transformatorju. Zaščita, dosežena s plinom in pretokom olja, se imenuje plinska zaščita.

Zaščita pred lahkim plinom: Ko se v transformatorju pojavi manjša napaka ali nepravilnost, se mesto napake delno pregreje, zaradi česar se del olja razširi, plin v olju tvori mehurčke in vstopi v plinski rele, zaščita pred lahkim plinom pa oddaja signal lahkega plina.

Zaščita pred težkim plinom: Ko pride do resne napake v rezervoarju transformatorskega olja, je tok napake velik in oblok povzroči razgradnjo velike količine transformatorskega olja, kar ustvari veliko količino pretoka plina in olja. Udarna pregrada sproži zaščito pred težkim plinom, ki odda signal za močan plin in izklopi vtičnico. Odstranite transformator.

Zaščita pred težkim plinom je glavna zaščita za notranje napake v oljnem rezervoarju in lahko odraža različne napake v transformatorju. Ko se v transformatorju pojavi majhno število kratkih stikov med ovoji, je tok okvare velik, vendar diferencialni tok, ki nastane v diferencialni zaščiti, morda ni velik in diferencialna zaščita lahko zavrne delovanje. Zato je pri notranji napaki transformatorja potrebno za odpravo napake uporabiti zaščito pred težkim plinom.

(2) Zaščita pred pritiskom

Tlačna zaščita je tudi glavna zaščita pred notranjimi napakami v transformatorskem rezervoarju. Vsebuje zaščito pred tlačnim razbremenitvijo in zaščito pred nenadnimi spremembami tlaka, ki se uporablja za odzivanje na tlak transformatorskega olja.

(3) Zaščita temperature in nivoja olja

Ko temperatura transformatorja doseže opozorilno vrednost, bo temperaturna zaščita oddala alarmni signal in zagnala hladilnik v stanju pripravljenosti.

Ko transformatorsko olje pušča ali se nivo olja zaradi drugih razlogov zniža, se sproži zaščita nivoja olja in odda alarmni signal.

(4) Zaščita pred popolnim ustavljanjem hladilnika

Ko se hladilnik transformatorja med delovanjem popolnoma ustavi, se temperatura transformatorja dvigne. Če se težava ne odpravi pravočasno, lahko pride do poškodbe izolacije navitja transformatorja. Zato bo zaščita ob popolni zaustavitvi hladilnika med delovanjem transformatorja sprožila alarmni signal in po dolgem zamiku izklopila transformator.

4. Diferencialna zaščita

Diferencialna zaščita transformatorja je glavna zaščita električne količine transformatorja, njeno zaščitno območje pa je del, ki ga na vsaki strani obdajajo tokovni transformatorji. Ko se znotraj tega območja pojavijo napake, kot so medfazni kratki stik in medovotni kratki stik navitja, se mora diferencialna zaščita sprožiti.

Glede načela diferencialne zaščite transformatorja smo že podrobno razpravljali, prijatelji, ki to potrebujejo, si lahko ogledajo ustrezno vsebino v zgodovinskih zapisih 6, 7 in 8. O tem se ne bom spuščal v podrobnosti, tukaj bom preprosto dodal nekaj konceptov o vzbujevalnem toku.

(1) Vzbujevalni tok transformatorja

Vzbujevalni tok, ki nastane pri padcu transformatorja v zrak, se imenuje vzbujevalni vhodni tok. Velikost vzbujevalnega toka je povezana s strukturo transformatorja, kotom zapiranja, kapaciteto, preostalim magnetizmom pred zapiranjem in drugimi dejavniki. Meritve kažejo, da je pri padcu transformatorja v zrak vzbujevalni vhodni tok zaradi nasičenosti železnega jedra zelo velik, običajno od 2 do 6-kratnik nazivnega toka, največji pa je lahko več kot 8-kratnik. Ker vzbujevalni vhodni tok teče v transformator samo na strani polnjenja, bo v diferencialnem vezju nastal velik diferencialni tok, kar bo povzročilo okvaro diferencialne zaščite.

Vzbujevalni vhodni tok ima naslednje značilnosti: a. Vrednost vzbujevalnega toka je zelo velika in vsebuje očitne neperiodične komponente; b. Valovna oblika je koničasta in prekinjajoča; c. Vsebuje očitne harmonske komponente višjega reda, zlasti drugo harmonsko komponento. Očitno je; d. vzbujevalni vhodni tok je oslabljen.

Glede na zgornje značilnosti vklopnega toka se za preprečitev nepravilnega delovanja diferencialne zaščite transformatorja zaradi vklopnega toka v projektu uporabljajo tri načela: visoka vsebnost drugega harmonika, asimetrična valovna oblika in velik kot prekinitve valovne oblike za dosego blokade diferencialne zaščite.

(2) Načelo zaviranja druge harmonike

Bistvo zaviranja z drugim harmonikom je uporaba druge harmonske komponente v diferencialnem toku za presojo, ali je diferencialni tok okvarni tok ali vzbujevalni vhodni tok. Ko je odstotek druge harmonske komponente in osnovne valovne komponente večji od določene vrednosti (običajno 20 %), se oceni, da je diferencialni tok posledica vzbujevalnega vhodnega toka, in diferencialna zaščita se blokira.

Zato velja, da večje kot je zavorno razmerje drugega harmonika, večji je dovoljen tok drugega harmonika v osnovnem valu in zavorni učinek bo slabši.

(3) Zaščita diferenciala pred hitrim zaviranjem

Ko pride do resne napake v transformatorju in je tokovni transformator zaradi velikega kratkostičnega toka nasičen, vsebuje tudi sekundarni tok tonskega transformatorja veliko število harmonskih komponent. Glede na zgornji opis to verjetno povzroči diferencialno zaščito zaradi zaviranja z drugim harmonikom. Blokada ali zakasnitev lahko povzročita resno škodo na transformatorju. Za rešitev te težave se običajno nastavi diferencialna zaščita s hitrim izklopom.

Hitri diferencialni element za zaščito je pravzaprav visokovredni diferencialni element za vzdolžno diferencialno zaščito. Za razliko od splošnih diferencialnih elementov odraža efektivno vrednost diferencialnega toka. Ne glede na valovno obliko diferencialnega toka in velikost harmonske komponente, dokler efektivna vrednost diferencialnega toka preseže nastavljeno vrednost hitrega diferencialnega elementa za zaščito (običajno višjo od nastavljene vrednosti diferencialne zaščite), bo takoj ukrepal in odklopil transformator brez vzbujanja. Blokiranje se izvaja po kriterijih, kot je vklopni tok.

V nadaljevanju je predstavljena varnostna zaščita transformatorja

Za transformatorje obstaja veliko vrst konfiguracij rezervne zaščite. V tej izdaji sta predstavljeni predvsem dve vrsti rezervne zaščite: kompleksna zaščita pred preobremenitvijo z blokiranjem napetosti in ozemljitvena zaščita za transformatorje.

1. Zaščita pred preobremenitvijo za kompleksno blokado zaradi tlaka

Kompleksna napetostno blokirajoča zaščita pred nadtokovnim tokom je rezervna zaščita za velike in srednje velike medfazne kratke stike transformatorjev. Primerna je za višje transformatorje, sistemske kontaktne transformatorje in nižje transformatorje, katerih zaščita pred nadtokovnim tokom ne more izpolniti zahtev glede občutljivosti. Sestavljena napetost, sestavljena iz napetosti negativnega zaporedja in nizke napetosti, lahko odraža različne napake znotraj zaščitnega območja, kar zmanjša nastavljeno vrednost zaščite pred nadtokovnim tokom in izboljša občutljivost.

Sestavljena napetostna zaščita pred nadtokovnim tokom je sestavljena iz sestavljenega napetostnega elementa, elementa za nadtokovno tok in časovnega elementa. Vhodni tok zaščite je sekundarni trifazni tok tokovnega transformatorja na lastni strani transformatorja, vhodna napetost pa je sekundarna trifazna napetost pretočnega transformatorja na lastni strani transformatorja ali na drugih straneh. Za mikroračunalniško zaščito se lahko napetost te strani prek programske opreme posreduje drugim stranem, tako da se zagotovi, da se nadtokovna zaščita katere koli strani še vedno lahko uporablja, ko je pretokovni transformator na kateri koli strani remontiran. Logika delovanja je prikazana na spodnji sliki.

2. Ozemljitvena zaščita transformatorja

Rezervna zaščita za ozemljitvene kratkostične napake velikih in srednje velikih transformatorjev običajno vključuje: zaščito pred nadtokom ničelnega zaporedja, zaščito pred prenapetostjo ničelnega zaporedja, zaščito pred vrzeljo itd. Sledi kratek uvod, ki temelji na treh različnih metodah ozemljitve nevtralne točke.

(1) Nevtralna točka je neposredno ozemljena

Pri transformatorjih z napetostjo 110 kV in več, katerih nevtralna točka je neposredno ozemljena, je treba na strani ozemljitvenega sistema za velik tok namestiti zaščito ničelnega zaporedja toka, ki se odziva na zemeljske stike. Pri transformatorjih, ki so neposredno ozemljeni na visoki in srednji strani, mora imeti zaščita ničelnega zaporedja toka smer, smer pa mora biti usmerjena proti vodilom na vsaki strani.

Načelo zaščite pred ničelnim zaporedjem toka je podobno načelu zaščite pred ničelnim zaporedjem voda, glejte številko 30. Ničelni zaporedni tok se lahko vzame iz sekundarnega toka nevtralne točke tokovnega transformatorja ali pa ga lokalno generira sekundarni trifazni tok tokovnega transformatorja. Ničelna zaporedna napetost, priključena na smerni element, se lahko lokalno vzame iz napetosti odprtega trikotnika tokovnega transformatorja ali pa jo lokalno generira sekundarna trifazna napetost. V mikroračunalniški zaščitni napravi se v glavnem uporablja metoda lastne proizvodnje.

Za velike trinavitne transformatorje se lahko uporabi tristopenjska zaščita ničelnega zaporedja toka. Med njimi imata odsek I in odsek II smeri, odsek III pa nima smeri. V vsakem odseku sta običajno dve stopnji zakasnitve, območje napake pa se zoži s kratko zakasnitvijo (preskok sklopnika vodila ali stikala na glavni strani vodila), transformator pa se izklopi z dolgo zakasnitvijo (preskok tristranskega stikala). Specifična konfiguracija zaščite se določi glede na dejansko stanje.

Kot je prikazano na sliki, se po sprožitvi I. ali II. dela ničelno zaporedne zaščite smernega toka najprej po kratki zakasnitvi t1 ali t3 preklopi sklopnik vodila ali stikalo na tej strani, da se zmanjša obseg napake. Če napaka še vedno obstaja, se po daljši zakasnitvi t2 ali t4 preklopi tristransko stikalo, da se transformator izklopi. III. del nima smeri in transformator se po zakasnitvi neposredno izklopi.

(2) Nevtralna točka ni ozemljena

Ničelni zaporedni tok teče skozi nevtralno točko transformatorja in tvori ničelno zaporedje. Če pa so nevtralne točke vseh transformatorjev ozemljene, se kratkostični tok na ozemljitveni točki preusmeri na vsak transformator posebej, kar zmanjša občutljivost zaščite pred nadtokovnim tokom ničelnega zaporedja. Zato za omejitev ničelnega zaporednega toka znotraj določenega območja obstajajo predpisi o številu transformatorjev, ki delujejo z ozemljeno nevtralno točko.

Za transformatorje, ki delujejo brez ozemljitve, je treba konfigurirati zaščito pred napetostjo ničelnega zaporedja, da se prepreči poškodba transformatorja zaradi prenapetosti, ki jo povzročijo loki v režah na mestih stika med zemeljskimi stiki.

Zaradi visoke izolacijske stopnje nevtralne točke popolnoma izoliranega transformatorja bo v primeru ozemljitve v sistemu zaščita ničelnega zaporedja toka najprej izklopila transformator z ozemljeno nevtralno točko, če pa napaka še vedno obstaja, bo zaščita ničelnega zaporedja napetosti izklopila nevtralno točko brez ozemljitve transformatorja.

(3) Nevtralna točka je ozemljena skozi razelektritveno režo

Ultra visokonapetostni transformatorji so vsi pol-izolirani transformatorji, izolacija tuljave nevtralne točke glede na zemljo pa je šibkejša kot pri drugih delih. Izolacija nevtralne točke je nagnjena k prebojem. Zato je treba konfigurirati zaščito reže.

Funkcija zaščite reže je zaščititi izolacijsko varnost nevtralne točke neozemljenega transformatorja z nevtralno točko.

Med nevtralno točko transformatorja in ozemljitvijo namestite prebojno režo, kot je prikazano na sliki. Ko je ozemljitveno izolacijsko stikalo zaprto, je transformator neposredno ozemljen in aktivira se zaščita pred preobremenitvijo ničelnega zaporedja. Ko je ozemljitveno izolacijsko stikalo odklopljeno, je transformator ozemljen skozi režo in aktivira zaščito reže.

Zaščita reže se doseže z uporabo reženega toka 3I0, ki teče skozi nevtralno točko transformatorja, in napetosti odpiralnega trikotnika vodila PT 3U0 kot merila.

Če se nevtralna točka zaradi napake dvigne, se reža prekine in nastane velik tok reže 3I0. V tem času se sproži zaščita reže in transformator se po zakasnitvi izklopi. Poleg tega se ob napaki ozemljitve v sistemu sproži zaščita ničelnega zaporedja ozemljitvenega transformatorja nevtralne točke, ki se najprej izklopi. Če je po izgubi ozemljitve v sistemu napaka še vedno prisotna, bo napetost odprtega trikotnika 3U0 vodila PT zelo velika in v tem času se bo sprožila tudi zaščita reže.