Защита трансформатора от перенапряжения и перегрузки

Среди электроустановок, применяемых для преобразования и передачи электроэнергии, трансформаторы являются наиболее дорогими устройствами. Тем не менее они способны работать без перебоя в течении всего срока эксплуатации, и даже более того, но при условии, что на прибор не будут воздействовать аварийные режимы. Для борьбы с любыми нарушениями нормальной работы на практике применяется защита трансформаторов.

Виды повреждений

В связи с тем, что трансформатор включается в работу совместно с другими устройствами, любые повреждения на питающей линии, в низковольтных цепях или внутри бака одинаково опасны.

Среди актуальных видов аварий следует отметить следующие:

Деление защит трансформаторов на основные и резервные

Любой вид повреждения в трансформаторе несет потенциальную опасность, как целостности оборудования, так и надежности работы всей энергосистемы. Поэтому крайне важно грамотно отстраивать работу защит на электростанциях, тяговых и трансформаторных подстанциях, местных КТП и ТП. Для этой цели защита трансформатора условно подразделяется на две категории – основную и резервную.

Основная защита – это такой вид автоматики, который направлен на анализ внутреннего состояния трансформатора (обмоток, железа, дополнительного оборудования). Данный тип охватывает как само устройство, так и прилегающие к нему шины, провода и т.д.

Резервная защита охватывает те нарушения в работе, которые происходят за пределами трансформатора, но могут непосредственно повлиять на его проводники и внутренние элементы. Это всевозможные перегрузки, замыкания и перенапряжения в линиях, на смежных устройствах и т.д.

Рис. 2. Основные и резервные защиты

Разновидности защит и их суть

Все защиты для трансформаторов должны обладать достаточным быстродействием, чтобы вовремя отключить опасный режим. Так как при возникновении сверхбольших электрических величин он запросто приведет к разрушению изоляции, отпуску металла, возгораниям и прочим неприятным последствиям.

Для предотвращения перегрузок выполняется установка того или иного вида защиты на трансформатор. Какая именно защита используется на понижающих подстанциях, в оборудовании распределительных устройств, определяется местными условиями и особенностями режима работы.

Продольная дифференциальная защита

Область применения дифференциальной токовой защиты охватывает как сам силовой трансформатор, так и окружающие его присоединения вплоть до измерителей токовой нагрузки. Нормальным режимом работы каждого трансформатора считается равномерное перераспределение нагрузки между всеми тремя фазами, когда электрический ток в каждой из них получается приблизительно одинаковым.

Продольные дифференциальные защиты осуществляют сравнение токовой нагрузки во всех фазах. Так как ток примерно одинаков, то их геометрическая сумма должна равняться нулю. В результате сравнения получается, что токовая составляющая отсутствует или слишком мала для реакции. Но, как только произойдет замыкание одной фазы или сразу между несколькими, токи в них перестанут компенсировать друг друга, и их сумма будет отличаться от нуля, сработает дифференциальная отсечка.

Рис. 3. Пример дифференциальной защиты

Релейная

Для предотвращения повреждения трансформаторов применяется достаточно большое количество релейных защит. Однако отдельного внимания заслуживает реле контроля уровня масла. Этот вид предусматривает контроль за состоянием изоляционной среды. Конструктивно реле представляет собой поплавок с контактами, который удерживается выше контактов цепи срабатывания.

Если аварийный режим приведет к утечке масла и последующему снижению менее нормы, после которой может произойти пробой, произойдет отключение. Может располагаться в основном баке или иметь резервную релейную защиту в расширителе, которая предварительно даст сигнал о начале процесса.

Тепловая

Основой для тепловой защиты в трансформаторах служит классическая термопара. Место ее расположения определяется типом устройства, его мощностью и габаритами, так как перегрев может привести к нарушению изоляционных свойств, привести к термическому расширению масла.

К наиболее эффективным местам размещения относятся:

Имеет две ступени – первая производит включение резервных вентиляторов или других средств охлаждения. Вторая, если первой не удалось сбросить перегрев ниже предельного значения, производит отключение трансформатора.

Токовая отсечка

Данный вид защиты применяется для отключения повреждения, которое могло возникнуть внутри трансформатора. Она размещается со стороны вводов защищаемого трансформатора, однако воздействие охватывает все обмотки, с которых может быть подано напряжение. Особенностью ее применения является схема питания, которая используется в соответствующей линии.

Так для трехфазных цепей с изолированной нейтралью токовая отсечка должна устанавливаться в двух фазах. А при использовании цепей с глухозаземленной нейтралью защита должна применяться в каждом фазном присоединении. При отключении трансформатора полностью отсутствует какая-либо выдержка времени.

Недостатком отсечки является срабатывание исключительно на токи большой величины. Поэтому некоторые межфазные КЗ, межвитковых или КЗ на землю в цепи с изолированной нейтралью могут остаться незамеченными. На практике это один из самых простых способов, отключающих трансформатор в аварийном режиме.

Газовая защита

Газовое реле, как вид защиты, нашло широкое применение в маслонаполненных трансформаторах, где роль диэлектрика, разделяющего токоведущие элементы и заземленную конструкцию корпуса, выполняет трансформаторное масло. В нормальном режиме работы понижающие трансформаторы не воздействуют на жидкий диэлектрик, и масло пребывает в постоянном физическом состоянии.

Но, в случае возникновения межвитковых замыканий, контакта проводников со сталью или других ситуаций внутри бака горение дуги или разогрев металла приводит к локальному закипанию масла. От этого места и начинается выделение газов, которые поднимаются в верхнюю точку емкости.

Рис. 5. Пример газовой защиты

Для всей емкости верхняя точка – это расширительный бак, поэтому устанавливают газовое реле в соединительной трубе между расширителем и баком трансформатора. Конструктивно газовая защита представляет собой поплавок, с двумя контактами. При погружении в масло поплавок находится в незамкнутом положении. Как только выделившиеся газы поднимутся по трубе, поплавок упадет и замкнет контакты, масляный трансформатор отключится.

Струйная защита

Используется в трансформаторах с первичными и вторичными обмотками на 110, 35, 10, 6, 3,3кВ, где присутствует возможность переключения величины напряжения под нагрузкой. Устройство РПН, как правило, размещается в отдельном баке внутри основного, который изолирует его от высоковольтных обмоток. Переключение позиций РПН под нагрузкой может обуславливать как штатные коммутационные явления, так и аварийные. Последние приводят к выбросу масла от бака к расширителю.

Для реакции на такие повреждения и устанавливается струйная защита, так как поток масла от РПН активирует измерительный датчик. Далее происходит отключение выключателя, который обесточит обмотки трансформатора.

Максимальная токовая защита

Максимальная токовая защита применяется для срабатывания в ответ на токи КЗ, расположенные в непосредственной близости к источнику. Сюда относятся повреждения как на обмотках, так и на ближайших шинах подстанции, в окружающем оборудовании и ит.д.

На практике выделяют большое количество вариантов исполнения МТЗ:

Помимо аварийных режимов для МТЗ может устанавливаться режим защиты от перегрузки. Для этого устанавливается ток срабатывания в определенных пределах. Уставка выбирается исходя из максимального значения нагрузки, чтобы не происходило срабатывания автоматического выключателя в нормальном режиме работы.

Токовая защита нулевой последовательности

Предназначена для защиты трансформатора от возможного замыкания как одной, так и двух фаз на землю. Это те ситуации, когда в трехфазной системе нарушится симметрия нагрузки и относительно нулевой точки сумма токов больше не будет равна нулю.

Равновесие системы нарушится, что и спровоцирует отключение питания спустя заданный временной промежуток. Часто комбинируется с АПВ, тогда через несколько секунд происходит повторное включение выключателя, на случай если замыкание самоустранилось.

Специальная резервная защита

Специальная резервная защита предназначена для автономного резервирования МТЗ по токовым цепям. Может использоваться как по высокой, так и по низкой стороне трансформатора. Их действие нацелено на первичные и вторичные максимальные токи, которые могут возникнуть в непосредственной близости от защищаемого объекта. Работа СРЗ, как правило, имеет выдержку по времени относительно основных МТЗ по стороне 110 – 220 кВ.

Токовая ступенчатая защита

Как и предыдущий вариант, представляет собой разновидность МТЗ, которая выстраивается в ключе последовательности срабатывания для разных обмоток. Широко используется в цепях, где потребители подключаются к источнику с большими пусковыми токами. Однако чувствительность максимальной защиты имеет дополнительную привязку к напряжению, что и обеспечивает блокировку автоматического отключения в случае запитки слишком мощной нагрузки, так как просадка напряжения не достигает установленного предела.

Ступени отстраиваются с таким временным промежутком, чтобы воздействие на выключатели нагрузки производились после основной токовой защиты.

Защита от минимального напряжения

В случае снижения питающего напряжения возможны два варианта развития событий – удаленное короткое замыкание, которое другими защитами распознается как большая нагрузка или подключение слишком большой суммарной нагрузки. И тот и другой вариант пагубно сказывается на работе трансформатора, поэтому и при аварийном режиме, и при перегрузке устанавливается выдержка времени, после которой происходит один из таких вариантов:

Источник

Как выполняется защита силовых трансформаторов

Для силовых трансформаторов с обмоткой высшего напряжения больше 1000 В предусматривается релейная защита от следующих видов повреждении и ненормальных режимов работы:

1) многофазных замыканий в обмотках и на их выводах,

2) внутренних повреждений (витковых замыканий в обмотках и «пожара стали» магнитопровода),

3) однофазных замыканий на землю,

4) сверхтоков в обмотках, обусловленных внешними короткими замыканиями,

5) сверхтоков в обмотках, обусловленных перегрузкой (если она возможна),

6) понижения уровня масла.

При выполнении защит трансформатора необходимо учитывать некоторые особенности его нормальной работы: броски тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение, влияние коэффициента трансформации и схем соединения обмоток трансформатора.

Для защиты от многофазных замыканий в обмотках и на выводах трансформаторов мощностью 6300 кВА и выше, работающих одиночно, мощностью 4000 кВА и выше, работающих параллельно, а также мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности, максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 с и отсутствует газовая защита, предусматривается продольная дифференциальная защита с циркулирующими токами, действующая на отключение выключателей силового трансформатора без выдержки времени.

Особенностью дифзащиты трансформаторов по сравнению с дифзащитой генераторов, линий и т. л. является неравенство первичных токов разных обмоток трансформатора и их несовпадение в общем случае по фазе.

Для компенсации сдвига токов по фазе вторичные обмотки трансформаторов тока, установленных со стороны звезды силового трансформатора, соединяют в треугольник, а вторичные обмотки трансформаторов тока, установленных со стороны треугольника силового трансформатора, — в звезду. Компенсация неравенства первичных токов достигается правильным подбором коэффициентов трансформации трансформаторов тока.

Когда нельзя подобрать коэффициент трансформации трансформаторов тока таким образом, чтобы разность вторичных токов в плечах дифзащиты была меньше 10 % (так как трансформаторы тока имеют стандартное значение коэффициента трансформации), при выполнении защиты для компенсации неравенства токов используют дифференциальные реле типа РНТ, реже — выравнивающие трансформаторы и автотрансформаторы.

Если не предусматривается продольная дифференциальная защита (как правило, на одиночно работающих трансформаторах мощностью ниже 6300 кВА и параллельно работающих трансформаторах мощностью ниже 4000 кВА), то в этих случаях со стороны источника питания устанавливается токовая отсечка без выдержки времени, охватывающая часть обмотки трансформатора.

На рабочих и резервных трансформаторах собственных нужд тепловых электростанций применяется продольная дифзащита, при мощности 4000 кВА допускается токовая отсечка.

Предварительно защита рассчитывается для случая применения реле без торможения. Если она оказывается недостаточно чувствительной, применяют реле с минимальным числом тормозных обмоток, обеспечивающих требуемую чувствительность. Ток срабатывания продольной дифзащиты должен быть отстроен от токов намагничивания и токов небаланса.

Защита силовых трансформаторов от внутренних повреждений

Газовая защита устанавливается на трансформаторах, автотрансформаторах и реакторах с масляным охлаждением, имеющих расширители, и осуществляется с помощью поплавковых, лопастных и чашечных газовых реле. Газовая защита является единственной защитой трансформаторов от «пожара стали» магнитопровода, возникающего при нарушении изоляции между листами стали.

Допускается действие газовой защиты па сигнал как при слабом, так и при сильном газообразовании на трансформаторах, имеющих дифзащиту или отсечку, не имеющих выключателей, а также на внутрицеховых мощностью 1600 кВА и меньше при наличии защиты от коротких замыканий со стороны источника питания.

Защита трансформаторов от однофазных замыканий на землю

Для защиты от однофазных замыканий на землю повышающих трансформаторов мощностью 1000 кВА и более, присоединенных к сетям с большими токами замыкания на землю, а также на понижающих трансформаторах с заземленной нейтралью предусматривается максимальная токовая защита нулевой последовательности от токов внешних замыканий на землю, действующая на отключение.

При этих токах может работать максимальная токовая защита, установленная на стороне ВН, с достаточной чувствительностью, и защиту в нейтрали трансформатора допустимо не устанавливать, оставив ее только для защиты трансформатора при схеме блока трансформатор — магистраль при протяженном шинопроводе магистрали. Ток срабатывания реле защиты от однофазных коротких замыканий трансформаторов при коротких замыканиях на стороне 0,4 кВ (защита присоединена к трансформатору тока в пулевом проводе у нейтрали трансформатора) должен составлять для соединения обмоток:

где k н —коэффициент надежности, равный 1,15—1,25; k п — коэффициент, учитывающий перегрузку и равный 1,3 для масляных и 1,4 для сухих трансформаторов при отсутствии расчетных данных, k воз — коэффициент возврата реле, k т.т — коэффициент трансформации трансформатора тока, I ном.т — номинальный ток силового трансформатора.

В сетях с малыми токами замыкания на землю защита от однофазных замыканий на землю с действием на отключение устанавливается на трансформаторах в том случае, если такая защита имеется в сети.

Защита трансформаторов от сверхтоков в обмотках, обусловленных внешними короткими замыканиями

Если защита повышающих трансформаторов не обеспечивает требуемой чувствительности, то для защиты трансформаторов допускается использовать токовые реле соответствующей защиты генераторов.

В ряде случаев для защиты мощных трансформаторов применяется токовая защита обратной последовательности, которая легко согласуется с аналогичной защитой генераторов.

На многообмоточных трансформаторах с питанием с нескольких сторон для обеспечения избирательности действия защита выполняется направленной.

Для защиты от перегрузки параллельно работающих нескольких трансформаторов мощностью по 400 кВА и более, а также при раздельной работе и наличии АВР предусматривается однофазная максимальная токовая защита, действующая на сигнал.

На необслуживаемых подстанциях защита может выполняться с действием на автоматическую разгрузку или отключение трансформатора.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Особенности применения и срабатывания разных защит трансформатора

Источником питания электрооборудования на предприятиях являются силовые трансформаторы, чаще всего их работа связана с высоким напряжением (более 1000 В) и большими токами. Поэтому их габариты, стоимость, а также затраты на ремонт являются ощутимыми даже для крупного производства. В связи с этим соответственно, чтобы и сами эти дорогостоящие устройства и электрооборудование, которое с помощью их питается, были надёжно защищены применяется целый рад защит. Выбор их и настройка дело довольно непростое, поэтому стоит подробно разобрать каждый из них. Конечно же, это касается только крупных трёхфазных трансформаторов на подстанциях. Для питания и защиты маломощных трансформаторов достаточно автоматического выключателя или же предохранителей. Слишком дорого и неоправданно устанавливать полный список защит, например, на все сварочные трансформаторы, применяемые в цехе.

Основные защиты трансформатора

Любая релейная защита трансформатора направлена на срабатывание при повреждении или же ненормальном режиме работы этого устройства. Нужно отметить, что некоторые из них направлены на мгновенное отключение в случае аварии, а другие только подают предупреждающий сигнал персоналу. В свою очередь, персонал уже действует по инструкциям, которые разработаны непосредственно и индивидуально для каждой схемы снабжения и распределительной подстанции. Для того чтобы было видно какой тип аварии произошёл применяются параллельно и сигнальные реле (блинкер), которые должны быть подписаны в соответствии с правилами.

Для защиты трансформатора применяется целый комплекс мероприятий и электромеханических схем, вот основные из них:

Защита трансформатора дифференциальная

Это одна из самых быстродействующих и важных защит, которая необходима для надёжной эксплуатации следующих трансформаторов:

Принцип действия дифференциальной защиты основан на сравнении тока, а точнее, его величины. Сравнивание происходит в конце и в начале защищаемого участка. Участком в данном случае служит одна из понижающих обмоток. То есть один трансформатор тока устанавливается с высокой, а другой с низкой стороны.

На схеме видно подключение трансформаторов ТТ1 и ТТ2 соединенных последовательно. Т — это реле тока, которое остаётся в бездействии при нормальной работе, когда токи одинаковы, то есть их разность будет равна нулевому значению. Во время возникновения короткого замыкания в защищаемом участке цепи появится разность токов и реле втянется, тем самым отключив трансформатор от сети. Такой вид защиты будет срабатывать как при межвитковых, так и при межфазных замыканиях. Мгновенная работа такого защитного оборудования не требует выдержки времени, так как её быстрое срабатывание является её основным положительным фактором. Выбор вставки срабатывания реле Т должен выполнятся электротехническими лабораториями или же проектировщиками данного оборудования. Для каждого конкретного случая уровень тока втягивания реле можно изменять, чтобы не было ложных срабатываний.

Принцип действия газовой защиты трансформаторов

Газовая защита силовых трансформаторов основана на работе газового реле, которое и изображено на рисунке.

В специальном окошке при выделении газов можно увидеть пузырьки.

Реле представляет собой металлический сосуд, в котором расположены два специальных поплавка. Они врезаны в наклонный трубопровод. В свою очередь, данный трубопровод является связывающим звеном между охлаждающий корпусом имеющим радиатор и расширительным баком.

Если трансформатор находится в рабочем исправном состоянии газовое реле его наполнено трансформаторным маслом, а поплавки реле находятся в определённом нерабочем состоянии, так как внутри их масло. Поплавки непосредственно соединены с контактной группой, которая имеет аварийный и предупредительный сигнал. В нормальном состоянии контакты находятся в разомкнутом положении. При нагреве масла в случае ненормального процесса в работе из него выделяется газ, который по закону физики легче, естественно, подымается вверх. На пути газов находится газовое реле и его поплавки, которое при накоплении определённого количества поднимающего его газа начинает движение, чем и размыкает первую ступеньку. При более бурном развитии событий и второй поплавок приводится в движение и замыкает уже вторую ступень которая приводит к отключению. Взятие пробы масла и его проверка, а также химический анализ позволяет определить суть повреждения.

Из практики же не каждое срабатывание газового реле приводит к взятию проб и анализу масла, иногда при заливке может попасть в систему воздух которой во время эксплуатации будет подниматься и сможет стать причиной срабатывания данной защиты. Для этого нужно всего лишь открыть специальный краник (вентиль), находящийся на корпусе реле и выпустить воздух. Эта процедура выполняется при первом срабатывании предупредительного поплавка.

Выбор самого реле основывается на конструкции трансформатора и его габаритах. Очень часто применяются несколько типов данного устройства РГЧЗ-66, ПГ-22, BF-50, BF-80, РЗТ-50, РЗТ-80. Все они имеют смотровое окошко и герметичный корпус.

Газовая защита трансформатора и принцип действия, работы в принципе несложны стоит только один раз разобраться в них.

Максимальная токовая защита трансформатора

Основную роль отключающего устройства при повышении критического уровня тока, для трансформаторов не масляных и обладающих малой мощностью, служит предохранитель. Такой элемент защиты даёт возможность персоналу, не понимающему причины отключения, повторно произвести включение, которое может принести вред оборудованию или пожар. Предохранителями оборудованы также измерительные трансформаторы напряжения, которые расположены на подстанциях в ячейках КРУ, в таких же, как и масляные выключатели. Они предназначены для измерения напряжения в сети 6000 кВ и выше, а также для цепей защиты от повышенного или пониженного напряжения.

Для трансформаторов выбор предохранителей осуществляется из такого соотношения

Iвс — ток плавкой вставки предохранителя;

Iн. тр. — номинальный ток первичной обмотки трансформатора, в цепь которого он и устанавливается.

Предохранитель — самый простой способ защитить трансформатор от превышения тока.

Ток срабатывания максимальной защиты при установке её с низшей стороны, выбирается в соответствии с величиной нагрузки, на которую рассчитан трансформатор. Конечно же, выбирая релейную защиту данного устройства, стоит учесть также пусковые кратковременные токи, которые возникают при запусках электрических вращающихся машин. Работа таких защит основана на трансформаторах тока, вот парочка самых распространённых схем подключения.

Здесь имеется два уровня (степени) отключения, один может быть отключением от перегрузов, а другой уже срабатывает как максимальная токовая отсечка, при значительном повышении тока в контролируемых цепях, в том числе и при К.З. Цифрой 6 обозначены измерительные приборы.

Ниже представлена более усовершенствованная и развёрнутая схема уже непосредственно с подключением реле в цепи катушек маслинных выключателей.

Защита печных трансформаторов

Работа печей связана с резким нарастанием и снижением тока, поэтому дифференциальную защиту здесь применять не рекомендуется, а только газовую и тепловую. Нагревательные элементы таких печей могут работать от пониженного напряжения от 220–660 Вольт. Чаще всего здесь применяются специальные электропечные трансформаторы. Конечно же, речь идёт от печах для плавки металла, а не для приготовления пищи. В них режимы плавки меняются как питающим напряжением, так и величиной тока дуги. Печные трансформаторы должны быть оборудованы защитой от перегрузок, а также при возникновении К. З. Защиту от перегрузок устанавливают на низкой стороне, а трансформаторы тока для мгновенного срабатывания на высокой стороне. При этом уставку реле настраивают таким образом, чтобы она не отключалась при нормальных эксплуатационных К. З, ведь они работают в таком режиме и при некоторых коротких замыкания отключение не должно происходить, а только лишь поднятие электродов.

В любом случае в итоге хочется отметить что от настройки и правильности срабатывания зависят последствия ненормальных режимов работы трансформатора, а значит и стоимость последующего ремонта.

Источник