Защита трансформатора от перенапряжения и перегрузки

3.2.58

В случаях присоединения трансформаторов (кроме
внутрицеховых) к линиям без выключателей (например, по схеме блока линия —
трансформатор) для отключения повреждений в трансформаторе должно быть
предусмотрено одно из следующих мероприятий:

1. Установка короткозамыкателя для искусственного замыкания
на землю одной фазы (для сети с глухозаземленной нейтралью) или двух фаз между
собой (для сети с изолированной нейтралью) и, если это необходимо, отделителя,
автоматически отключающегося в бестоковую паузу АПВ линии. Коротко замыкатель
должен быть установлен вне зоны дифференциальной защиты трансформатора.

2. Установка на стороне высшего напряжения понижающего
трансформатора открытых плавких вставок, выполняющих функции короткозамыкателя
и отделителя, в сочетании с АПВ линии.

3. Передача отключающего сигнала на выключатель (или
выключатели) линии; при этом, если необходимо, устанавливается отделитель; для
резервирования передачи отключающего сигнала допускается установка короткозамыкателя.

При решении вопроса о необходимости применения передачи
отключающего сигнала взамен мероприятий п. 1 и 2 должно учитываться следующее:

ответственность линии и допустимость искусственного
создания на ней металлического КЗ;

мощность трансформатора и допустимое время ликвидации
повреждения в нем;

удаленность подстанции от питающего конца линии и
способность выключателя отключать неудаленные КЗ;

характер потребителя с точки зрения требуемой быстроты
восстановления напряжения;

вероятность отказов короткозамыкателя при низких
температурах и гололеде.

4. Установка предохранителей на стороне высшего напряжения
понижающего трансформатора.

Мероприятия п. 1-4 могут не предусматриваться для блоков
линия — трансформатор, если при двустороннем питании трансформатор защищается
общей защитой блока (высокочастотной или продольной дифференциальной
специального назначения), а также при мощности трансформатора 25 МВ·А и менее
при одностороннем питании, если защита питающей линии обеспечивает также защиту
трансформатора (быстродействующая защита линии частично защищает трансформатор
и резервная защита линии с временем не более 1 с защищает весь трансформатор);
при этом газовая защита выполняется с действием отключающего элемента только на
сигнал.

В случае применения мероприятий п. 1 или 3 на
трансформаторе должны быть установлены:

при наличии на стороне высшего напряжения трансформатора
(110 кВ и выше) встроенных трансформаторов тока — защиты по 3.2.53, 3.2.54,
3.2.59 и 3.2.60;

при отсутствии встроенных трансформаторов тока —
дифференциальная (в соответствии с 3.2.54) или максимальная токовая защита,
выполненная с использованием накладных или магнитных трансформаторов тока, и
газовая защита по 3.2.53.

Повреждения на выводах высшего напряжения трансформаторов
допускается ликвидировать защитой линии.

В отдельных случаях при отсутствии встроенных
трансформаторов тока допускается применение выносных трансформаторов тока, если
при использовании накладных или магнитных трансформаторов тока не
обеспечиваются требуемые характеристики защиты.

Для защиты трансформаторов с высшим напряжением 35 кВ в
случае применения мероприятия п. 1 должны предусматриваться выносные
трансформаторы тока; при этом целесообразность установки короткозамыкателя и
выносных трансформаторов тока или выключателя с встроенными трансформаторами
тока должна быть обоснована технико-экономическим расчетом.

Если применены открытые плавкие вставки (см. п. 2), то для
повышения чувствительности действие газовой защиты может осуществляться на
выполнение механическим путем искусственного КЗ на вставках.

Если в нагрузках трансформаторов подстанций содержатся
синхронные электродвигатели, то должны быть приняты меры по предотвращению
отключения отделителем (при КЗ в одном из трансформаторов) тока от синхронных
электродвигателей, идущего через другие трансформаторы.

9.5. Защита от сверхтоков

9.5.1.
Назначение защиты от сверхтоков

Защита от сверхтоков служит для
отключения трансформаторов при КЗ на сборных шинах или на отходящих от неё
присоединениях, если защиты или выключатели этих элементов отказали (см. рис.
9.5.1.). Одновременно защита от сверхтоков используется и для отключения при
повреждении в самом трансформаторе. Однако, имея выдержку времени (по условиям
селективности) она может использоваться лишь в качестве резервной.

Наиболее
простой защитой от внешних КЗ является МТЗ. В тех случаях, когда
чувствительность её недостаточна, применяют МТЗ с блокировкой по напряжению.

Понизительные
трансформаторы защищаются МТЗ. Кратность тока КЗ обычно значительна и
достаточна для действия МТЗ.

Повышающие
трансформаторы, устанавливаемые на электрических станциях находятся в худших
условиях. МТЗ может иметь недостаточную чувствительность. Кратность тока КЗ
невелика. Здесь применяются защиты реагирующие на ток обратной и нулевой
последовательности. Также используются МТЗ с пуском по напряжению.

Рис.
9.5.1.

9.5.2.
Максимальная токовая защита трансформаторов

9.5.2.1.
Защита 2-х обмоточных понизительных трансформаторов

Принципиальная
схема МТЗ двухобмоточных понизительных трансформаторов представлена на рис.
9.5.2. По соображениям надежности целесообразно воздействовать на оба
выключателя Q1 иQ2, с тем, чтобы при внешних КЗ один
выключатель резервировался вторым.

В
сети с глухозаземленной нейтралью защита выполняется по 3-х фазной схеме, а в
сети с изолированной нейтралью – по 2-х фазной с 1,2 или 3-мя реле, в
зависимости от нужной чувствительности. Причем схема с одним реле, включенным
на разность токов 2-х фаз на трансформаторах с соединением обмоток
звезда/треугольник – не применяется.

Рис. 9.5.2.

Выбор
уставок

Ток
срабатывания защиты должен быть больше тока перегрузки, не требующей быстрого
отключения трансформатора.

(9.16.)

где:I_{раб.макс} – рабочий максимальный ток
в режиме длительно возможной перегрузки.

Коэффициент
чувствительности:

(9.17.)

где:I_кз.мин – минимальный ток сквозного
КЗ при повреждении в конце зоны действия МТЗ, установленной на трансформаторе.

Выдержка
времени:

t_TP = t_W
+ Dt(9.18.)

где:t_W
– наибольшая выдержка времени защиты присоединения (линий, отходящих от шин
низкого напряжения трансформатора);

Dt – ступень селективности.

9.5.2.2.
Защита трансформаторов с расщепленной обмоткой нижнего напряжения, или
работающих на две секции шин

Принципиальная
схема защиты представлена на рис. 9.5.3.

Рис. 9.5.3.

9.5.2.3.
Защита трехобмоточных трансформаторов

9.5.2.3.1.
Защита трехобмоточных трансформаторов при отсутствии питания со стороны обмотки
среднего напряжения

Принципиальная
схема защиты представлена на рис. 9.5.4.

При
внешних КЗ защита должна обеспечивать отключение только той обмотки
трансформатора, которая непосредственно питает место повреждения. Комплект со
стороны низкого напряжения действует на отключение выключателя этой обмотки.
Другой комплект со стороны высокого напряжения действует с двумя выдержками
времени, с меньшей на отключение обмотки среднего напряжения и с большей на
отключение всех выключателей трансформатора.

Рис. 9.5.4.

9.5.2.3.2.
Защита трехобмоточных трансформаторов, имеющих 2-х и 3-х стороннее питание

МТЗ на трехобмоточных
трансформаторах, имеющих 2-х или 3-х стороннее питание для обеспечения
селективности должна быть направленной (см. рис. 9.5.5.).

При
КЗ в точке К2 выдержка времени защиты 2 должна быть
меньше защиты 1.
При КЗ в точке К1, наоборот, защита 1 должна
срабатывать раньше, т.е. простая МТЗ не может обеспечить селективности. Защиту 2 необходимо
выполнить направленной, с выдержкой времени t’₂<t₁, так, чтобы
она действовала при КЗ на шинах II. При КЗ на шинах I и III,
защита II
должна работать, несмотря на запрет реле направления мощности (как МТЗ, но с
выдержкой t’’₂>t₁и t₃.

Принципиальная
схема защиты комплекта 2
представлена на рис 9.5.6.

Рис.
9.5.5.

а)б)

Рис. 9.5.6.

9.5.3.
Токовая защита с пуском по напряжению

Принципиальная схема защиты представлена на рис. 9.5.7.

Рис. 9.5.7.

Реле KV2,включенное на
фильтр обратной последовательности, срабатывает при 2-х фазных КЗ, размыкая
контакт KV2.1.
Реле KV1 замыкает
свой контакт KV1.1
и промежуточное реле KL
срабатывает. При трехфазном КЗ реле KV1 замыкает свой контакт KV1.1.

Классификация релейной защиты

Система классификации реле достаточно разнообразна. Далее мы рассмотрим основные признаки, по которым делятся реле (электровыключатель):

• По типу подключения: электровыключатели, подключаемые в сеть без каких-либо вспомогательных устройств, называются первичными; реле, подключаемые с помощью вспомогательных устройств (например, трансформатор напряжения), называются вторичными.
• По типу работы: реле, в которых имеются подвижные компоненты, относят к электромеханическим/индукционным реле; электровыключатели без подвижных компонентов, называется статической (например, электронная, микропроцессорная и т.д.).
• По типу назначения: электровыключатели, осуществляющие замеры по различным физическим величинам – это измерительное реле (например, сила тока, температура, мощность и т.д.); механизмы, передающие действие на другие устройства, называются логическими/вспомогательными реле. Последняя группа реле также способна выдерживать время и т.д.
• По типу действия на управляемый компонент: электровыключатель, связанный автоматически с отключаемым прибором, относится к электровыключателям прямого влияния; реле, которые выполняют регулирование электроцепью электромагнитов, отключающие коммутационный прибор.

Если говорить о релейной защищенности, то здесь выделяют большое число типов РЗ, например:

1. Защита электроприборов и электроцепей, которая срабатывает на превышение заданного значения электрического тока, называется релейной токовой защитой. К ней относят: максимальную релейную токовую защиту (МТЗ) – обеспечивает защиту приборов от тока, который превышает номинальное значение. Токовую отсечку (ТО) – быстрое устранение КЗ, которые появляются перед рабочей зоной. Направленную максимальную токовую защищенность (НМТЗ) – в этом случае к защите приборов релейной от токов добавляется управление направления мощностей.
2. Если в трансформаторах повышается температура, которая сопровождается образованием газов и в результате этого происходит отключение питания приборов из сети. Такую защиту называют газовой.
3. РЗ, основанная на сравнении тока перед защищаемым участком и тока в конце этого участка, называется дифференциальной защитой.
4. Определение расстояния до точки возникновения КЗ с помощью сопротивления, такую релейную защиту называют дистанционной. Выделяют два подтипа дистанционной релейной защиты: 1) с использованием блокировки и высокой частоты; 2) с применением блокировки через оптический канал.
5. Релейная защита, основанная на отклике оптического датчика в следствии сильного освещения и датчика в результате возникновения высокого давления, такая защита называется дуговой.
6. Применяемая при определении КЗ в шинах защита, называется логической защитой шин (ЛЗШ). Она необходима для сокращения времени при отключении КЗ.
7. РЗ, основанная при сопоставлении токовых фаз на концах электролинии, называется дифференциально-фазной защитой (ДФЗ). При превышении заданной величины происходит срабатывание реле.

Кроме основных типов релейной защиты далее мы расскажем про типы автоматики в РЗ, которые по сравнению с релейной защитой не выключают, а включают электропитание после аварии.

1. Автоматика, которая применяется чтобы, включить линию целиком или отдельную фазу линии после её отключения за счёт применённой защиты, называется автоматическим повторным включением (АПВ). Выделяют два подтипа АПВ: механическое и электрическое. Применяют в линиях электропередач при напряжении более 1 кВ, а также при сборке шин подстанций, электродвигателей и трансформаторах.
2. Автоматическое включение резерва (АВР), целью которого является бесперебойное снабжение приборов электричеством и позволяет моментально включать резервное оборудование.
3. Если происходит снижение частоты в электросети и при этом происходит отключение сторонних электроприборов, то такой тип автоматики называется автоматической частотной разгрузкой.

Мы рассказали вам небольшую часть того, для каких целей и в каких областях применяется РЗ. Теперь осталось рассмотреть конструкцию РЗ.

Классификация

МТЗ трансформатора в зависимости от характера связи времени выдержки с величиной тока КЗ делят на 3 основные группы:

Независимые. Этот вид состоит из МТЗ с неизменной на всем рабочем интервале значений аргумента выдержкой времени (tвыд.). Которая в интервале значений тока от 0 до Iсраб. включительно уменьшается до 0. Графически корреляцию данных параметров можно представить в виде двух отрезков параллельных оси X. Один из них находящийся на расстоянии tвыд от нее, другой, лежащий ней. Если ось X графика принять за ток, а Y – за время выдержки. Устройства, входящие в эту категорию являются основным видом электрозащиты воздушных ЛЭП, запитанных с одной стороны. Они применяются также и для силовых трансформаторов, кабельных линий, и электродвигателей рабочим напряжением от 6 до 10 тыс. В.

• Зависимые. Эту группу составляют МТЗ с обратной нелинейной зависимостью выдержки времени от тока. График, отражающий связь этих параметров, является кривой формой напоминающую гиперболу. МТЗ защита трансформатора такого типа дает возможность считаться с перегрузочной способностью электрооборудования, и выполнять защиту от токовых перегрузок.
• Ограниченно зависимые. Максимальная токовая МТЗ защита трансформатора, относящаяся к этой группе, объединяет в себе характеристики 2 предыдущих. А именно: рост тока до определенного значения пропорционально сокращает время срабатывания. Дальнейшее же увеличение первого не приводит к снижению выдержки времени. Поэтому изображение зависимости этих параметров является гиперболой, переходящей в прямую линию.

Встречается также комбинированный вид защиты МТЗ. Он отличается большей помехозащищенностью и меньшим числом ложных срабатываний. Принцип действия этой мтз трансформатора состоит в том, что необходимость отключения питания определяется не только по росту потребляемого тока, но и по снижению питающего напряжения. Что достигается сочетанием токовой защиты с реле минимального напряжения. Такая конфигурация не допускает отключения питания в момент запуска мощного электродвигателя, когда возникает значительный быстрый рост потребляемой мощности на участке сети. Так как сработка токовой защиты блокируется из-за отсутствия падения напряжения.

Принцип действия газовой защиты

В типовой защите силового трансформатора имеется газовое реле. Оно состоит из двух отделений, каждое из которых выполняет определенную функцию. Первая из камер служит для контроля нагнетающего газа из масла, она установлена прямо над расширительным баком. Когда уровень газа, проходя через масло, доходит до максимума, камера начинает в небольших количествах его выпускать, это происходит в виде небольших выхлопов или постепенного открытия клапанов. В данной конструкции сигнализатором допустимого уровня газа служит простой поплавок.

Фото – Газовая защита

Индикатор может не только показывать уровень заполнения резервуара маслом, но и контролировать проходимость газов, диагностируя режим работы трансформатора в целом. Настроить правильную работу данного реле может обученный работник электроустановки.

Второе отделение газового реле подключается непосредственно к масляному контуру трансформатора и соединяет его вертикальные каналы, открывая путь для поднимающегося газа.

Мембрана в расширительном баке выступает в качестве индикатора изменения давления. Внезапное повышение давления масла сжимает мембрану, и диафрагма начинает двигаться. Также это движение может происходить из-за изменения атмосферного давления. Благодаря этому срабатывает специальный клапан, который отключает трансформатор, и включается короткозамыкатель. Мембрана газового реле – это очень нежная антикоррозийная деталь, при малейшем отклонении или повреждении она перестает корректно работать и нуждается в полной замене.

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

Типы защиты силовых трансформаторов

Все электротехническое оборудование в силовой распределительной установке так или иначе защищено на случай кратковременной перегрузки и резких отключений сети. При наличии системы защиты трансформатор способен переносить напряжение на порядок выше номинального.

Трансформаторы защищают:

• предохранителями и трехфазными выключателями;
• системой дифференциальной защиты;
• газовой защитой;
• противопожарной защитой.

В зависимости от нагруженности сети используется один или несколько видов защиты оборудования.

Трехфазные выключатели и предохранители

Такая защита используется в мощной распределительной сети. Выключатели и предохранители защищают оборудование от повреждений во время грозовых перепадов напряжения. Они хорошо защищают и стабилизируют напряжение в электрических сетях на производстве.

Газовая защита трансформаторов

Для большинства масляных трансформаторов обычно наличие газового реле. Оно имеет два отделения с разными функциями.

Одна из камер находится непосредственно над масляным баком. Когда камера максимально заполняется газом, клапан начинает приоткрываться и выпускать излишки газа. Чтобы следить за уровнем газа в камере, в отделении устанавливают поплавок.С его помощью можно контролировать наполненность бака маслом, проходимость газов и по ним судить о работе трансформатора в целом. Настройку работы газового реле должен проводить квалифицированный работник.

Вторая камера реле присоединяется прямо к масляному контуру трансформатора. Она соединяет вертикальные каналы и позволяет газу подниматься вверх. 

В расширительном баке с маслом находится мембрана. Она показывает изменения давления. Если давление масла резко растет – то мембрана сжимается, а диафрагма начинает двигаться. А порой она приходит в движение из-за повышения атмосферного давления. Как только диафрагма приходит в движение, срабатывает клапан. Он отключает оборудование и включает короткозамыкатель. Сама мембрана – это достаточно хрупкая деталь.Поэтому даже при небольшом повреждении, ее нужно заменить.

Автоматическая релейная защита трансформатора

Реле защиты трансформатора – это небольшая емкость, наполненная маслом. Реле и масляный бак соединяет трубка. Применяется такая защита в трансформаторах дуговой плавки, морской технике, главных понижающих подстанциях. Реле защищает оборудование от коротких замыканий. Оно состоит из камеры и поплавка. Поплавок расположен на шарнире и движется вверх-вниз в зависимости от уровня масла в резервуаре.На поплавке устанавливается ртутный выключатель. Когда уровень масла падает, поплавок опускается и ртуть замыкает выключатель.

Внизу реле находится перегородка и ртутный индикатор. Пластина закреплена шарнирами напротив соединения реле с трансформатором. Когда масло бод большим давлением попадает в реле, то пластина поднимается вверх. Также в конструкцию реле входят газовые камеры, провода, клеммы, кабели.

Принцип работы релейной защиты трансформатора не сложен. Это механический привод. При большинстве неисправностей в баке падает уровень масла. Тогда ртутный индикатор автоматически отключает трансформатор от сети. Проблема не исчезает. Но зато трансформатор не будет работать в условиях перегрузки. А это значит, что вы успеваете исправить проблему еще до возникновения крупных поломок оборудования.

Дифференциальная защита трансформатора

Такой тип еще называют тепловой защитой трансформатора. Ее чаще всего используют в сухих и масляных трансформаторах мощностью до 5 мВА вместе с выключателями для защиты от короткого замыкания и перенапряжения.

Преимущества дифференциальной защиты:

• позволяет выявить ухудшение качества масла;
• быстро реагирует на все повреждения в сетях, независимо от их видов;
• помогают обнаружить практически все ошибки в работе оборудования.

Дифференциальная защита работает по самому простому принципу и монтируется прямо в трансформаторный шкаф. Дифференциальные реле сравнивают первичный и вторичный токи нагрузки между собой. Если между ними есть дисбаланс, то включается защита.

По факту, технологические средства защиты трансформатора работают на основе контроля номинальных показателей. Например, уровня масла, величины тока, напряжения сети

Особенно важно обеспечить защиту масляного трансформатора. Потому что утечка масла грозит не просто поломкой оборудования, но и возгоранием

Дифзащита трансформаторов применяется для предотвращения аварийных и ненормальных режимов работы при возникновении короткого замыкания между фазами, межвитковых КЗ и замыкания одной или более фаз на землю.

Дифзащита применяется как основный вид автоматического отключения для мощных трансформаторов и для трансформаторов меньшей мощности, в случае если другие виды защиты не обеспечивают требуемого быстродействия.

Принцип работы дифференциальной защиты заключается в сравнении токов входящих и выходящих из трансформатора,и отключении трансформатора при неравенстве токов.

Конструктивно дифзащита включает в себя (Рис. 1) два трансформатора тока ТТ₁ и ТТ₂ включенных по высокому и низкому напряжению и реле автоматики А. Коэффициент преобразования измерительных трансформаторов подобран так, что при возникновении короткого замыкания вне защищаемого участка (Рис.1 слева), результирующий ток проходящий через реле был равный нулю.

Рис. 1

При возникновении короткого замыкания возникает асимметрия втекающих и вытекающих токов (Рис. 1 справа). Через реле протекает ток, включающий схему защитного отключения. Высокая избирательность дифференциальной системы не требует реле времени, т.к. защита включается в идеальном случае только при внутренних КЗ.

В реальных условиях требуется настройка дифзащиты трансформатора для исключения ложного срабатывания.

При подаче напряжения на входные обмотки трансформатора возникает ток подмагничивания, вызывающий неравенство входных и выходных токов. Ток подмагничивания имеет вид затухающих колебаний.

Без нагрузки это влияние достаточно мало и составляет не более одного процента. При включении трансформатора с нагрузкой или восстановлении работы энергосистемы после замыкания,  разность токов может привести к срабатыванию защиты.

Для компенсации этого явления ток включения дифзащиты выбирают большим, чем ток подмагничивания. Загрубление тока срабатывания может привести к несрабатыванию защиты даже при наличии КЗ внутри трансформатора.

Исключить влияния тока подмагничивания можно при помощи искусственной блокировки защиты при подключении высокого напряжения.

При возникновении повреждения трансформатора или замыкания его выводов при блокированном автоматическом отключении задержка может привести к аварии.

В случае, когда указанные способы отстройки дифзащиты неприменимы из-за недостатков, используют трансформаторы тока с быстронасыщаемым магнитопроводом, которые не реагирует на быстротечные колебания подмагничивающего тока.

Для правильной работы измерительных схемы необходимо чтобы фаза втекающих и вытекающих токов совпадала.

Для компенсации фазового сдвига обмотки токовых трансформаторов включаются по такой же схеме, как и защищаемый трансформатор. В случае использования схемы соединения  обмоток «треугольник»/«звезда», трансформаторы тока включаются по обратной схеме – на входе «звезда», на выходе – «треугольник».

На линии, соединяющие трансформаторы тока с исполнительными цепями автоматики, возможны влияния помех, приводящих к ложным срабатываниям защиты. Для предотвращения этого измерительные цепи должны быть надежно экранированы. Зачастую дифзащиту устанавливают на отдельно расположенных трансформаторах для исключения влияния помех от смежных устройств энергетики.

Коэффициенты трансформации измерительных цепей должны обеспечивать равенство токов на входе и на выходе. На практике это условие недостижимо, потому трансформаторы токов выпускаются со стандартными напряжениями. Для этого в измерительные цепи вводят согласующие трансформаторы и автотрансформаторы.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.