Библиотека

Трансформатор является особо важным элементом сети. Поэтому необходимо обеспечить эффективную защиту трансформатора от всех возможных повреждений, как внутренних, так и внешних. Выбор варианта защиты, зачастую, обусловлен технико-экономическими соображениями, связанными с мощностью трансформатора.

ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Основные возможные повреждения трансформатора следующие:
• перегрузка;
• короткое замыкание;
• замыкание на корпус.

Перегрузка
Перегрузка может возникнуть вследствие увеличения количества одновременно подключенных нагрузок или увеличения мощности, потребляемой одной или несколькими нагрузками. Перегрузка выражается в длительном сверхтоке, вызывающем повышение температуры до уровня нарушения стойкости электроизоляционных материалов и срока службы трансформатора.

Короткое замыкание
Короткое замыкание может произойти внутри или вне трансформатора.
Внутреннее короткое замыкание – это замыкание между проводами различных фаз или между витками одной и той же обмотки. При возникновении дуги замыкания повреждается обмотка трансформатора и может произойти пожар. В масляном трансформаторе под воздействием дуги выделяется газ разложения; при слабом коротком замыкании выделение газа незначительное и накопление газа становится опасным. Сильное короткое замыкание вызывает серьезные повреждения, когда может быть разрушена обмотка, а также бак трансформатора, и воспламенившееся масло выходит наружу.
Внешнее короткое замыкание – это межфазное замыкание в линиях со стороны потребителя. Ток короткого замыкания со стороны потребителя вызывает в трансформаторе электродинамические усилия, которые могут привести к механическому повреждению обмоток трансформатора и спровоцировать в дальнейшем внутреннее короткое замыкание.

Замыкание на корпус
Замыкание на корпус является внутренним повреждением. Оно может произойти между обмоткой и баком трансформатора либо между обмоткой и магнитопроводом.
В масляном трансформаторе подобный вид повреждения вызывает выделение газа. Как и при внутреннем коротком замыкании может произойти разрушение трансформатора и пожар. Амплитуда тока повреждения зависит от режима работы нейтрали сетей, расположенных со стороны источника питания и со стороны потребителя, а также от места повреждения в обмотке:
- в случае соединения по схеме "звезда" (рис. 1а) значение тока заземления на корпус изменяется от 0 до максимального значения в зависимости от места локализации повреждения – на выводе нейтрали или фазной обмотки;
- в случае соединения по схеме "треугольник" (рис. 1б) значение тока заземления на корпус изменяется от 50% до 100% максимального значения в зависимости от места локализации повреждения – в середине или на конце обмотки.

О работе трансформаторов (замечание)
Включение трансформатора (рис. 2)
При включении трансформатора возникает пик переходного тока включения, который может в 20 раз превышать значение номинального тока, с постоянными времени от 0,1 до 0,7 секунд; это происходит вследствие насыщения магнитопровода и вызывает большой намагничивающий ток; пиковое значение тока максимальное при включении, осуществляемом при прохождении через нуль напряжения и при максимальной остаточной индукции в той же фазе; волна тока представляет собой гармонику 2-го порядка.
Это явление следует рассматривать как нормальную оперативную коммутационную операцию в сети, и, таким образом, защиты не должны реагировать на пик включения как на повреждение.

Контроль насыщения
При эксплуатации трансформатора с чрезмерно высоким напряжением или чрезмерно низкой частотой возникает избыточный намагничивающий ток и искажение 5-й гармоники.

ФУНКЦИИ ЗАЩИТ

Перегрузка
Долговременный ток перегрузки определяется максимальной токовой защитой в фазах с независимой или обратно зависимой выдержкой времени (ANSI 51), которая является селективной по отношению к вторичным функциям защиты.
Ведется контроль температуры диэлектрика (ANSI 26) для трансформаторов с жидким диэлектриком или температуры обмоток (ANSI 49Т) для сухих трансформаторов.Используется функция тепловой защиты (ANSI 49RMS) для контроля с наилучшей чувствительностью температуры: нагрев определяется путем моделирования зависимости количества выделенного тепла от величины тока и тепловой инерции трансформатора.
Для трансформаторов среднего и низкого напряжения (МТ/ВТ) перегрузка обнаруживается на стороне низкого напряжения с помощью расцепителя с большой выдержкой времени главного выключателя низкого напряжения (ВТ).

Короткое замыкание
В этом случае используются несколько защит.
• Для защиты масляных трансформаторов применяются устройства, чувствительные к выделению газа и перемещению масла (ANSI 63) в результате короткого замыкания между витками одной и той же фазной обмотки или вследствие межфазного короткого замыкания: - газовое реле – для трансформаторов высокого напряжения (НТ/НТ) типа "поглощение-выделение";
- детекторы газа и давления для трансформаторов высокого и низкого напряжения (НТ/ВТ) – для трансформаторов погружного типа.
• Дифференциальная защита трансформатора (ANSI 87Т) (рис. 3), обеспечивающая быструю защиту от межфазных коротких замыканий. Эта защита является чувствительной и применяется для эксплуатирующихся трансформаторов большой мощности. Во избежание несвоевременного отключения защитой производится измерение 2-й гармоники дифференциального тока, которая определяет включение выключателя (ограничение Н2), а также измерение 5-й гармоники, обеспечивающей контроль насыщения (ограничение Н5).

Следует отметить, что использование этой функции защиты с цифровой технологией ограничения нейронной сетью дает определенные преимущества: обеспечиваются простота регулировки и устойчивость в работе.
• Максимальная токовая защита в фазах, мгновенная (ANSI 50) (рис. 4), используемая для выключателя, установленного на первичной обмотке трансформатора, обеспечивает защиту от сильных коротких замыканий в первичной обмотке. Уставка тока регулируется на значение больше тока короткого замыкания во вторичной обмотке: таким образом, обеспечивается селективность по току.

• С помощью высоковольтного предохранителя обеспечивается защита трансформаторов малой мощности.

Замыкание на корпус
• Замыкание на бак трансформатора (рис. 5).

В данном случае используется максимальная токовая защита с малой выдержкой времени (ANSI 51G), которая устанавливается на заземлении корпуса трансформатора (если его регулировка совместима с режимом работы нейтрали) и обеспечивает простую и эффективную защиту от внутренних замыканий между обмотками и корпусом; для этой защиты необходимо изолировать трансформатор относительно земли.
Данная защита является селективной: она чувствительна только к замыканиям на корпус трансформатора со стороны первичной и вторичной обмоток.

• Другое решение состоит в обеспечении защиты от замыканий на землю:
- с помощью защиты от замыканий на землю (ANSI 51N), установленной в сети со стороны источника питания для устранения замыкания на корпус первичной обмотки трансформатора;
- с помощью защиты от замыканий на землю (ANSI 51N), установленной на вводе щита под напряжением, если заземление нейтрали сети со стороны потребителя осуществляется в системе сборных шин (рис. 6).

Эти защиты являются селективными: они чувствительны только к замыканиям фазы на землю в трансформаторе или на линиях со стороны источника питания и со стороны потребителя;
- с помощью дифференциальной защиты от замыканий на землю (ANSI 64REF), если заземление нейтрали сети со стороны потребителя осуществляется на уровне трансформатора (рис. 7).

Используется функция дифференциальной защиты, основанная на определении разности значений токов нулевой последовательности, измеренных на заземлении нейтрали, с одной стороны, и на трехфазном выводе трансформатора, с другой стороны;
- с помощью защиты от замыканий на землю нейтрали (ANSI 51G), если заземление нейтрали сети со стороны потребителя осуществляется на уровне трансформатора (рис. 8);

- с помощью защиты максимального напряжения нулевой последовательности (ANSI 59N), если нейтраль сети со стороны потребителя изолирована относительно земли (рис. 9).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТАВКАМ

Повреждение (код ANSI)	Защита	Регулировки
Перегрузка
26	Контроль температуры изоляции (маслянный трансформатор).	Сигнал 95°C; отключение 100°C.
49T	Контроль температуры обмоток (сухой трансформатор).	Сигнал 150°C; отключение 160°C.
49 RMS	Тепловая защита.	Уставка аварийной сигнализации = 100% нагрева. Уставка отключения = 120% нагрева. Постоянная времени порядка 10 – 30 мин.
	Выключатель низкого напряжения.
Короткое замыкание
	Предохранитель.	Выбор ном. тока в соответствии с методикой, используемой оператором.
50	Максимальная мгновенная токовая защита в фазах.	Уставка > I внешн. макс.
51	Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени.	Уставка < 5In. Выдержка времени ≥Т со стороны потребителя + 0,3 с.
51	Максимальная токовая защита с зависимой выдержкой времени.	Уставка с обратно зависимой выдержкой времени селективной с защитой со стороны потребителя, примерно 3In.
87T	Дифференциальная защита с процентной характеристикой.	Угол наклона = 15% + диапазон регулировки. Минимальная уставка 30%.
63	Газовое реле или датчики газа и давления.	Логика управления.
Замыкание на землю
51G	Максимальная токовая защита от замыканий на корпус бака трансформатора.	Уставка > 20А, выдержка времени 0,1 с.
51N/51G	Максимальная токовая защита от замыканий на землю.	Уставка ≤20% Iмакс. от замыканий на землю и > 10% ном. тока ТТ (для 3ТТ и при подавлении Н2). Выдержка времени 0,1 с при замыкании в трансформаторе. Выдержка времени, селективная, с защитами отходящих присоединений.
64REF	Дифференциальная защита от замыканий на землю.	Уставка 10% In, без выдержки времени.
51G	Максимальная токовая защита от замыканий на землю нейтрали.	Уставка максимально допустимого тока через токоограничивающий резистор.
59N	Защита максимального напряжения нулевой последовательности.	Уставка ≈10% максимального напряжения нулевой последовательности Vrsd.
Насыщение
24	Контроль насыщения.	Уставка > 1,05Un/fn. Выдержка времени: 1 ч.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ