17

7. Защиты трансформаторов Лекция 11.

Содержание лекции 11

7. ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ 1

7.1 Нагрузочная способность силовых масляных трансформаторов 1

7.2. Требования к защитам трансформатора 8

7.3. Виды повреждений и ненормальных режимов работы трансформаторов и защит от них 9

7.4. Газовая защита трансформатора 10

7.5. Токовая отсечка 11

7.6. Максимальная токовая защита 12

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК К ЛЕКЦИЯМ №11, 12 16

ГИПЕРССЫЛКИ К ЛЕКЦИИ №11 17

Трансформаторы являются основным преобразователем электрической энергии при передаче ее от электростанций к потребителям. Возникающие в электрической системе повреждения и ненормальные режимы всегда затрагивают работу трансформаторов. Выход же из строя трансформаторов резко снижает надежность электроснабжения и может привести к недоотпуску электроэнергии, а значит к экономическому ущербу. К тому же достаточно высока и стоимость самого трансформатора, а стоимость ремонта трансформатора составляет 60-65% оптовой цены, поэтому понятно то внимание, которое уделяется защитам трансформаторов.

В данном разделе рассматриваются различные виды повреждений и ненормальных режимов работы трансформаторов, принцип выполнения защит, примеры выполнения схем и расчетные соотношения некоторых защит.

7.1 Нагрузочная способность силовых масляных трансформаторов

Известно, что при передаче электроэнергия от генераторов до шин потребителей (0,4 кВ) претерпевает от 1 до 8 трансформаций. Срок службы трансформатора 25 лет, и определяется большей частью состоянием изоляции. Более 50% повреждений трансформаторов мощностью 25…65 МВА вызваны нарушением электрической прочности. С течением времени происходит старение масла и твердой витковой изоляции. При старении несколько снижается электрическая прочность и существенно уменьшается механическая прочность и эластичность твердой изоляции. Скорость старения (окисления входящих в состав масла углеводородов и ухудшения свойств твердой изоляции) зависит от концентрации кислорода, воды, температуры. При механической нагрузке на изоляцию от вибрации, толчков тока она также может выйти из строя.

Связь между температурой и сроком службы была получена в 1962 году Монтзингером:

где F₀ – относительный расчетный износ.

Монтзингер предложил 8 правило, это годится для новых трансформаторов, 1962 Ланглуа-Бертель предложил 6 правило.

При естественной конвекции скорость масла несколько мм/с, скорость воздуха – десятки см/с, ширина зоны конвекции масла 3 мм, воздуха 12 мм.

Особую роль играет тонкий слой охлаждающей среды у поверхности тела. Он неподвижен, а теплопроводность масла невысока, если нарушить этот слой, то интенсивность охлаждения увеличится существенно. Радиальное распределение температур с трансформатора приведено на рис. 11.1. Нагревостойкость электроизоляции трансформатора класса А - 105 (волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка натурального, искусственные и синтетические шелка, погружения в жидкий электроизоляционный материал).

Для оценки температурного износа изоляции трансформатора введено понятие наиболее нагретая точка ННТ. Местоположением этой точки считается внутренняя верхняя часть обмотки трансформатора (рис. 11.2). Базовая температура изоляции для наиболее нагретой точки при нормальных условий эксплуатации составляет:

где – температура окружающей среды;

– дополнительное превышение температуры масла над охлаждающей средой принимается 65 ^oС;

– превышение температуры наиболее нагретой точки над средней температурой обмотки, принимается 13 ^oС.

При перегрузках допускается до 140С (150С для стандартов США), при КЗ для медных обмоток до 250.

Технические требования по нагреву и нагрузочной способности приведены в таблице 11.1 (ГОСТ 11677-85).

Превышение температуры отдельных элементов масляного трансформатора не должно превышать температуру охлаждающего воздуха при питании на нагрев.

Таблица 11.1.

Технические требования по нагреву и нагрузочной способности трансформаторов

Обмотки (класс нагревостойкости 1) при естественной и принужденной циркуляции	65
Масло в верхних слоях	60
Поверхность элементов металлоконструкций	75
Отдельные точки местной системы	85

Уравнение Эйлера для нагрева однородного тела может быть записано для интервала времени :

где q – температура тела;

С – теплоемкость тела;

А – охлаждающая способность среды;

Р – выделяемая тепловая мощность, .

Решение уравнения относительно температуры тела в функции времени можно записать в виде:

, .

где – постоянная времени нагрева.

Для силового трансформатора мощностью 800 кВА можно принять следующие значения постоянных нагрева:

сердечник магнитопровода _Fe = 220 мин.;

охлаждающее масло _масло = 50 мин.;

обмотка _СU = 6 мин.

В связи с инерционностью процесса нагрева трансформатор допускает кратковременные перегрузки. Кратковременные перегрузки обозначают K₂=I_пер/I_N. Их величина зависит от предварительной нагрузки трансформатора K₁=I_пред/I_N, длительности перегрузки трансформатора и типа системы охлаждения. Выделяют следующие типы охлаждения трансформатора:

М – естественная циркуляция масла (мощность не более 6,3 МВА);

Д – естественная циркуляция масла, принудительная - воздуха;

ДЦ – принудительная масла, принудительная воздуха (применяется для S>100 МВА);

Ц – принудительная масло-водяная система, принудительная воздуха.

Таблица 11.2

Допустимые перегрузки трансформаторов до 110 кВ

(относительный износ, в сутках) при q_охл = 20 С

T, час	Аварийная K1 = 1,0 К2 = Iпер/IN	Аварийная K1 = 0,8, К2 = Iпер/IN	Систематическая К1=0,7 охлаждение, ДЦ, Ц	Систематическая К1 = 0,7 охлаждение М, Д
0,5	2,0 (6,96)	2,0 (1,12)	1,55	1,9
1,0	1,8 (10,0)	2,0 (10,72)	1,43	1,8
2,0	1,6 (14,13)	1,7 (11,17)	1,30	1,51
4,0	1,4 (12,07)	1,4 (5,06)	1,19	1,29
6,0	1,3 (8,98)	1,4 (4,66)	1,13	1,20
8,0	1,3 (14,90)	1,3 (9,57)	1,10	1,15
12,0	1,3 (29,21)	1,3 (22,97)	1,06	1,09
24,0	1,3 (98,05)	1,3 (98,05)	1,00	1,00

Температура наиболее нагретой точки не должна превышать:

Таблица 11.3

К2, мах	qннт, мах	Характеристика режима
1,5	140	Для систематических перегрузок, т.е. перегрузок при которых за период графика (обычно сутки) относительный износ равен нормальному
2,0	160	Для аварийных перегрузок, (ограниченное количество за время эксплуатации)
~10,4	220	Для токов короткого замыкания, (относительный износ существенно выше, чем по формуле Монтзингера)

Систематической перегрузкой принято называть такую перегрузку, при которой за рассматриваемый период в целом относительный износ изоляции будет равен 1 (за счет уменьшенного износа при отсутствии перегрузки). При аварийной перегрузке относительный износ изоляции будет превышать 1, и не может быть компенсирован уменьшением нагрузки.

Оценим влияние аварийной перегрузки:

пусть она составляет в течении 4 суток при _охл = 20 - это будет соответствовать 1 году «жизни трансформатора» по относительному износу;

износ изоляции при нагреве до 250 от одного КЗ (~3 с.) – несколько лет «жизни трансформатора»;

износ изоляции от цикла КЗ-отключение-АПВ на КЗ – 12 лет («полжизни»).