30. Поясните назначение и принцип действия защиты трансформатора

Виды повреждений. Основными видами повреждений в трансформаторах и автотрансформаторах являются: замыкания между фазами внутри кожуха трансформатора (трехфазного) и на наружных выводах обмоток; замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания на землю обмоток или их наружных выводов; повреждения магнитопровода трансформатора, приводящие к появлению мест­ного нагрева и "пожару стали". Опыт показывает, что КЗ на выводах и витковые замыкания в обмотках происходят наибо­лее часто. Междуфазные повреждения внутри трансформато­ров возникают значительно реже. В трехфазных трансформато­рах они хотя и не исключены, но маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции. В трансформатор­ных группах, составленных из трех однофазных трансформато­ров, замыкания между обмотками фаз практически невоз­можны.

При витковых замыканиях (рис. 16.1) токи, идущие к месту повреждения от источников питания, могут быть небольшими. Чем меньше число замкнувшихся витков w_a, тем меньше будет токI_к, приходящий из сети.

Для ограничения размера разрушения РЗ от повреждений в трансформаторе должна действовать быстро (t= 0,050,1 с).

Защита от повреждений. В качестве таких РЗ применяются токовая отсечка, дифференциальная и газовая защиты.

На трансформаторах мощностью 200 MB• А и более предусмат­ривается автоматическое пожаротушение водой.

Все изложенное далее в равной мере относится к трансфор­маторам и автотрансформаторам. Особенности РЗ автотранс­форматоров будут оговариваться особо.

Виды ненормальных режимов. Наиболее частым ненормаль­ным режимом работы трансформаторов является появление в них сверхтоков, т. е. токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора. Сверхтоки в трансформаторе возни­кают при внешних КЗ, качаниях и перегрузках. Последние воз­никают вследствие самозапуска электродвигателей, увеличе­ния нагрузки в результате отключения параллельно работаю­щего трансформатора, автоматического подключения нагруз­ки при действии АВР и т. п.

Внешние КЗ. При внешнем КЗ, вызванном повреждением на шинах трансформатора или неотключившимся повреждением на отходящем от шин присоединении, по трансформатору про­ходят токи КЗ I_к>I_ном, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. В связи с этим трансформаторы должны иметь РЗ от внешних КЗ, отключающую трансформатор.

Защита от внешних КЗ осуществляется при помощи МТЗ, МТЗ с блокировкой минимального напряжения, дистан­ционной РЗ, токовых РЗ нулевой и обратной последователь­ностей. В зону действия РЗ от внешних КЗ должны входить шины подстанций (Iучасток) и присоединения, отходящие от этих шин (IIучасток). Эти РЗ являются также резервными от повреждений в трансформаторе.

Перегрузка. Время действия РЗ от перегрузки определяется только нагревом изоляции обмоток. Масляные трансформаторы допускают длительную перегрузку на 5%. В аварийных режи­мах допускается кратковременная перегрузка в следующих пределах:

Кратность перегрузки ............ 1,3 1,6 1,75 2 3

Допустимое время перегрузки, мин ..120 45 20 10 1,5

Из этих данных видно, что перегрузку порядка (1,5-2) I_номможно допускать в течение значительного времени, измеряе­мого десятками минут. Наиболее часто возникают кратковре­менные, самоликвидирующиеся перегрузки, неопасные для трансформатора ввиду их непродолжительности, например перегрузки, вызванные самозапуском электродвигателей или толчкообразной нагрузкой (электропоезда, подъемники и т. п.). Отключения трансформатора при таких перегрузках не требуется. Более длительные перегрузки, вызванные, напри­мер, автоматическим подключением нагрузки от АВР, отклю­чением параллельно работающего трансформатора и др., могут быть ликвидированы обслуживающим персоналом, который располагает для этого достаточным временем. На подстанциях без дежурного персонала ликвидация длительной перегрузки должна производиться автоматически от РЗ отключением ме­нее ответственных потребителей или перегрузившегося трансформатора.

Таким образом, РЗ трансформатора от перегрузки должна действовать на откючение только в том случае, когда пере­грузка не может быть устранена персоналом или автомати­чески.

Повышение напряжения. Опасное для трансформаторов по­вышение напряжения возникает в сетях 500-1150 кВ при одно­стороннем отключении длинных ЛЭП с большой емкостной проводимостью. Повышение напряжения вызывает увеличе­ние магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, вследствие чего нарастают ток намагничивания и вихревые токи. Эти токи нагревают обмотки и сердечник трансформато­ра, что может привести к повреждению изоляции обмоток и "пожару железа" сердечника. Чем больше уровень напряже­ния, тем меньше время, в течение которого оно допускается.

Неполнофазный режим. На автотрансформаторах (AT) преду­сматриваются РЗ от неполнофазного режима, возникающего при отключении (или включении) не всеми фазами сторон высшего (ВН) или среднего (СН) напряжений. Эта РЗ должна действовать на отключениеAT. Необходимость установки та­кой РЗ обусловлена возможностью отключения в указанном режиме второго, параллельно работающегоATтой же под­станции.

Понижение уровня масла в баке трансформатора ниже уров­ня обмоток, что возможно при течи в баке или резком понижении температуры наружного воздуха, может привести к повреж­дению обмотки.

Особенности автотрансформаторов. Автотрансформаторы имеют некоторые особенности, которые нужно учитывать при расчете уставок и выполнении РЗ. На рис. 16.2 представлены схемы понижающего трансформатора и AT. Последний можно рассматривать как трансформатор, у которого вторичная об­мотка совмещена с первичнойАХ (рис. 16.2,б). Распределение токов вATи трансформаторе различно. В трансформаторе перичный токI₁проходит по первичной обмоткеw_t, а вторич­ныйI₂ - по вторичнойw₂. ВATI₁проходит только по части пер­вичной обмоткиATw ₁-w ₂, называемой последова­тельной (обмотка аА). Во вторичной обмоткеw₂, называемой общей, проходит токI_oбщ=I₂ — I₁меньший, чем во вторич­ной обмотке трансформатора на значение токаI₁. Вторичным токомATявляетсяI₂ = I₁ + I_oбщ. Ниже отмечены особенно­стиAT, имеющие значение для РЗ.

1. В отличие от трансформаторов ATхарактеризуются двумя значениями мощности: проходнойS_npox, называемой номи­нальной, и расчетной S_расч, называемой также типовой. Про­ходной называется предельная рабочая мощность, передавае­мая с первичной на вторичную сторону трансформатора илиAT:

S_пpox=U₁I₁=U₂I₂. (16.1)

Расчетной называется мощность, по которой рассчитывают­ся параметры обмоток и магнитопровода трансформатора и AT. Она определяется токами, проходящими по обмоткам, и напряжениями на их зажимах, т. е. S_расч= U_обмI_обм.

Расчетная мощность общей части обмотки S_oбщ=U₂(I₂ – I₁), а последовательной части S_посл= (U₁–U₂)I₁. Сопоставляя оба выражения, можно установить, что S_oбщ= S_посл. Это означает, что общая и последовательная обмоткиATдолжны рассчиты­ваться по одной и той же расчетной мощности:

(16.2)

где К_а- коэффициент трансформацииAT, равныйU₁ /U₂ ==W₁/W₂; k_выг- коэффициент выгодности, показывающий, во сколько раз S_расч, определяющая размерыAT, меньшеS_пpox, номинальной мощностиAT:

Трансформатор такой же номинальной мощности рассчиты­вается по S_прох, т. е. по мощности в 1 / k_выграз больше, чемAT. В результате этого размеры магнитопровода и обмотокATменьше, чем у трансформатора равной мощности, а ток намаг­ничиванияATпри расчете параметров РЗ определяется поS_расч.

2. В ATвторичная цепь электрически связана с первич­ной, поэтому* при замыкании на землю одной фазыв сети ВН автотрансформатора потенциал (по отношению к земле) непо­врежденных фаз в сети СН повышается на значение фазного напряжения сети ВН (рис. 16.3). Для предупреждения такого по­вышения напряженийнейтральAT должна обязательно за­земляться (рис. 16.3).

3. Трехфазные силовые ATдополняются третьей обмоткой, соединенной в треугольник (обмотка3 на рис. 16.3), которая служит для замыкания третьих и кратных трем гармоник маг­нитных потоков и улучшения симметрии напряжений в сети.

Дополнительная обмотка 3 имеет магнитную связь с об­моткамиAT1 и2. Она выполняется на напряжение 6-35 кВ и используется для подключения потребителей, генераторов и СК. Автотрансформатор с дополнительной обмоткой анало­гичен трехобмоточному трансформатору. При наличии третьей обмотки в некоторых режимах (см. рис. 16.16, в) I_oбщравен не разности, а суммеI₁ + I₂. Номинальная мощность третьей обмотки принимается равной расчетной мощностиAT.