Предельно допустимые перегрузки по току и температуре для силовых масляных трансформаторов

Параметры	Трансформаторы
	Средней мощности, Sтр100МВА	Большой мощности, Sтр 100 МВА
Кратность тока, отн. ед.	1,5	1,3
Температура масла в верхних слоях, °С	115	115

Для выявления и предотвращения недопустимых перегрузок может выполняться специальная максимально-токовая защита от перегрузки, действующая на сигнал, на разгрузку (путем автоматического отключения части электроприемников) или на отключение трансформатора.

7. Понижение уровня масла в баке трансформатора. Трансформаторное масло обеспечивает охлаждение, а также электрическую изоляцию обмоток трансформатора, поэтому понижение уровня масла более допустимого является опасным ненормальным режимом. Причинами понижения уровня масла может быть резкое снижение температуры окружающего воздуха или повреждение в баке трансформатора.

8. «Пожар стали» магнитопровода. Опасным внутренним повреждением трансформатора является «пожар стали» магнитопровода, который возникает при нарушении изоляции между листами стали сердечника, что ведет к увеличению потерь на гистерезис и вихревые токи. Эти потери вызывают местный нагрев стали, ведущий к дальнейшему разрушению изоляции.

2. Основные виды релейной защиты трансформаторов

Согласно работе [3] для защиты понижающих трансформаторов мощностью 1 МВА и более от повреждений и ненормальных режимов работы предусматриваются следующие основные виды релейной защиты.

1.2.1. Максимально-токовая защита. Для защиты трансформаторов небольшой и средней мощности от КЗ в его обмотках, на выводах и в соединениях до выключателей предусматривается токовая защита от многофазных КЗ, которая обычно содержит две ступени:

1) токовая отсечка без выдержки времени;

2) максимально-токовая защита (МТЗ) с выдержкой времени [4].

Защита устанавливается со стороны источника питания непосредственно у выключателя. Срабатывая, защита действует на отключение выключателя. Принципиальная схема защиты представлена на рис.1.

В зону действия отсечки (1-я ступень) на понижающих трансформаторах входит часть обмотки и выводы со стороны ВН, где включены реле отсечки ТО (точка K1 ). При КЗ за трансформатором

точка K2 ), а также на отходящих линиях НН отсечка не действует благодаря отстройке от максимального значения тока при КЗ в этой точке.

Рис. 1. Принципиальная схема максимально-токовой защиты трансформатора:

ТО – токовая отсечка (1-я ступень);

МТЗ – максимально-токовая;

ОВВ – орган выдержки времени

Быстродействие является главным достоинством отсечки, так как быстрое отключение уменьшает размеры повреждения трансформатора, обеспечивает продолжение нормальной работы другой нагрузки, подключенной к тому же источнику питания.

Недостатком токовой отсечки является ограниченная зона действия, в связи с чем, отсечка устанавливается как дополнение к МТЗ трансформатора.

Правильная (селективная) работа токовой отсечки обеспечивается выбором тока срабатывания по условию

, (1)

где – коэффициент надежности, значения которого зависят от типа применяемых токовых реле,

-максимальное значение тока КЗ за трансформатором, т.е. в конце зоны действия отсечки, приведенного к стороне ВН, где установлена отсечка.

При выборе тока срабатывания отсечки по приведенному выражению обеспечивается также отстройка от бросков тока намагничивания, возникающих при включениях трансформатора под напряжение.

Согласно работе [2] чувствительность отсечки считается удовлетворительной, если коэффициент чувствительности K_{ч ≥}2 при КЗ на вводах высшего напряжения трансформатора (точка K₁, рис.1).

Для отключения КЗ на выводах и в соединениях с выключателями на стороне НН (точка K₂ ) токовая отсечка без выдержки времени дополняется МТЗ, полностью защищающей трансформатор и являющейся вместе с тем его защитой от сверхтоков внешних КЗ и обеспечивающей тем самым дальнее резервирование. Для предотвращения излишних (не селективных) срабатываний при КЗ на шинах и отходящих элементах НН МТЗ трансформатора должна иметь орган выдержки времени ОВВ, замедляющий ее действие на время, необходимое для срабатывания защиты поврежденного отходящего элемента.

Выбор уставок по току МТЗ осуществляется исходя из следующих условий:

1) несрабатывание защиты на отключение при послеаварийных перегрузках;

2) согласование действия по току и по времени с защитами питающих («последующих») и отходящих («предыдущих») элементов;

3) обеспечение необходимой чувствительности при всех видах КЗ в основной зоне действия и в зоне резервирования.

Для отстройки защиты при послеаварийных перегрузках необходимо выбрать ее ток срабатывания большим, чем возможный ток самозапуска электродвигателей, питаемых от трансформатора, а также большим, чем возможный ток перегрузки при действии АВР, в результате которого к работающему трансформатору подключается дополнительная нагрузка.

Для отстройки от самозапуска электродвигателей нагрузки ток срабатывания защиты определяется по выражению

(2),

где – коэффициент самозапуска, представляющий собой отношение тока при самозапуске электродвигателей к предаварийному рабочему току, =1...3;

– коэффициент возврата реле, k_в = 0,8...0,95;

– максимальное значение рабочего тока (ток нагрузки) защищаемого трансформатора с учетом токов допустимой перегрузки (20–40% от номинального).

Время срабатывания защиты выбирается из следующих условий:

1) обеспечения термической стойкости трансформатора;

2) обеспечения селективности по отношению к защитам предыдущих и последующих элементов.

По условию селективности для защит с независимыми характеристиками время срабатывания определяется по выражению

(3),

где – время срабатывания предыдущей защиты (на отходящих элементах НН);

∆t – ступень селективности, t = 0,3...0,6c.

Значения коэффициентов чувствительности для МТЗ должны быть [2]:

1) не менее 1,5 при металлическом КЗ в конце основной зоны действия;

2) не менее 1,2 при КЗ в зонах дальнего резервирования.

В случае защиты многообмоточного трансформатора, питающего раздельно работающие секции шин, для защиты от токов, обусловленных внешними многофазными КЗ, со стороны НН должен быть установлен отдельный комплект МТЗ, действующий на отключение выключателя НН.

1.2.2. Защита от сверхтоков перегрузки. На трансформаторах, подверженных перегрузкам, защита, как правило, предусматривается на сигнал (реже на автоматическую разгрузку или отключение) с выдержкой времени. На двухобмоточных трансформаторах защита устанавливается со стороны питания, допустима также установка со стороны НН.

На трехобмоточных трансформаторах с обмотками равной мощности и односторонним питанием защита от перегрузки устанавливается только со стороны питания. Если обмотки имеют разную мощность, то дополнительно устанавливается защита на питаемой обмотке меньшей мощности [2].

Ток срабатывания защиты определяется по выражению

(4).

Выдержка времени принимается на ступень селективности больше, чем время срабатывания защиты трансформатора от внешних КЗ.

1.2.3. Дифференциальная токовая защита. Дифференциальный принцип позволяет выполнить быстродействующую защиту трансформатора, реагирующую на повреждения в обмотках, на выводах и в соединениях с выключателями. При этом она может иметь недостаточную чувствительность только при витковых замыканиях и «пожаре стали».

Продольная дифференциальная защита без выдержки времени выполняется, как правило, на трансформаторах мощностью 6,3 МВА и более. Допускается также предусматривать защиту на трансформаторах мощностью 1 МВА и более, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а МТЗ имеет выдержку времени более 0,5 с. При этом дифференциальная защита должна срабатывать на отключение [2].

Принципиальная схема продольной дифференциальной защиты представлена на рис. 2. [1]. Между трансформаторами тока ТА1 и ТА2 находится зона действия дифференциальной защиты. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются последовательно, а токовое реле дифференциальной защиты подключается к ним параллельно.

Рис.2. Принципиальнаясхема продольнойдифференциальной защиты трансформатора.

В нормальном режиме работы или при внешнем (сквозном) КЗ за пределами зоны защиты (точка K₂ на рис.2) вторичные токи трансформаторов тока циркулируют по соединительным проводам (плечам) защиты. В идеальном случае, т.е. при правильно подобранных коэффициентах трансформации трансформаторов тока ТА1 и ТА2 и их работе без погрешностей, значения вторичных токов равны, а направления их в реле КА противоположны, т.е. результирующий ток в реле КА равен нулю. Таким образом, дифференциальная защита не реагирует на повреждения вне ее зоны действия и поэтому может быть выполнена без выдержки времени.

Практически в режиме нагрузки, и особенно при внешнем КЗ, ток в реле КА равен току небаланса, поскольку трансформаторы тока ТА1 и ТА2 имеют разные значения полных погрешностей и вторичные токи не равны между собой.

Для обеспечения несрабатывания дифференциальной защиты в этих режимах реле КА должно быть отстроено от тока небаланса:

(5),

где – ток небаланса.

При КЗ в зоне действия дифференциальной защиты (точка K₁ на рис.2) в реле КА проходит вторичный ток КЗ трансформатора тока ТА1.

Особенности выполнения дифференциальной защиты трансформатора

При выполнении продольных дифференциальных защит трансформаторов необходимо учитывать возможность возникновения больших токов небаланса из-за следующих причин [1]:

1) имеется ток намагничивания, проходящий по обмотке трансформатора со стороны питания. При включении силового трансформатора под напряжение бросок тока намагничивания может достигать 5–8-кратного значения номинального тока, но он быстро затухает и через 0,5–1 с. становится уже намного меньше номинального. Эта особенность используется для выполнения грубых, но быстродействующих защит – дифференциальных токовых отсечек;

2) первичные номинальные токи трансформаторов тока сторон ВН и НН силового трансформатора не равны между собой, вследствие чего неравенство характерно и для вторичных токов. Для снижения тока небаланса, вызванного неравенством вторичных токов, производится выравнивание этих токов путем включения в плечи защиты специальных промежуточных автотрансформаторов тока или путем использования выравнивающих обмоток дифференциальных реле;

3) трансформаторы тока сторон ВН и НН, как правило, разнотипные, т.е. имеют разные характеристики, разные сопротивления нагрузки и, как следствие, при внешних КЗ они работают с разными значениями полной погрешности, что увеличивает неравенство значений вторичных токов. Согласно работе [2] необходимо, чтобы трансформаторы тока в схемах релейной защиты работали с полной погрешностью не более 10 %. Для дифференциальных защит 10 % полная погрешность должна обеспечиваться при максимальном значении тока внешнего КЗ;

4) при схеме и группе соединения обмоток силового транс-форматора, отличной от нулевой, имеется фазовый сдвиг между токами сторон ВН и НН, что вызывает недопустимо большой ток небаланса в реле дифференциальной защиты. Для устранения сдвига между вторичными токами вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока соединяются по обратной схеме. Например, в трансформаторах со схемой соединения обмоток Y /∆11 имеется фазовый сдвиг, равный 30°, между первичными токами соответствующих фаз на сторонах ВН и НН. В этом случае для устранения фазового сдвига между токами в плечах дифференциальной защиты вторичные обмотки трансформаторов тока на стороне ВН соединяются в «треугольник» (соответственно схеме соединения обмотки НН), а на стороне НН – в «звезду» (соответственно схеме соединения обмотки ВН) (рис.3).

Рис.3. Схема включениятрансформаторов тока дифференциальной защиты двухобмоточноготрансформатора со схемой соединенияобмотокY/∆11.

При правильном соединении трансформаторов тока создается фазовый сдвиг вторичных токов в плече ВН на такой же угол 30°, как и для первичных токов в фазах стороны НН и, следовательно, вторичных токов в плече НН. Этим обеспечивается совпадение по фазе вторичных токов, подводимых к дифференциальному реле. Поэтому ток всех фаз в дифференциальном реле при отсутствии других причин возникновения тока небаланса будет равен нулю.

Кроме того, ток небаланса появляется при изменении (регулировании) напряжения на одной из сторон трансформатора с целью поддержки нормального напряжения у потребителей при колебаниях напряжения на шинах ВН. При больших диапазонах регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) и, следовательно, больших изменениях тока на одной из сторон трансформатора приходится принимать специальные меры для обеспечения несрабатывания дифференциальной защиты при внешних КЗ.

Отстройка от тока небаланса

В дифференциальных защитах трансформаторов отстройка от тока небаланса с целью обеспечения несрабатывания защиты при внешних КЗ осуществляется следующими способами:

1) путем выбора тока срабатывания большим, чем максималь-ное расчетное значение тока небаланса I_НБ по выражению (5);

2) путем торможения (загрубления) дифференциальной защиты вторичным током внешнего КЗ, протекающего в плечах защиты [1].

Расчетный ток небаланса принято представлять в виде суммы трех составляющих:

где – составляющая, обусловленная разностью намагничивающих токов трансформаторов тока в плечах дифференциальной защиты;

– составляющая, обусловленная регулированием напряжения защищаемого трансформатора (учитывается при расчете дифференциальной защиты трансформаторов с РПН);

– составляющая, обусловленная неравенством вторичных токов в плечах дифференциальной защиты.

В ряде случаев отстройка защиты от токов небаланса для многих режимов работы трансформатора оказывается недостаточно чувствительной. Значительно улучшает чувствительность применение процентного торможения, реализуемого путем подключения к трансформатору дополнительной тормозной обмотки.

При применении такого торможения ток срабатывания защиты растет с ростом тока КЗ и защита во всех режимах остается чувствительной к КЗ.

Следует учитывать, что тормозная обмотка подключается на ток КЗ, а не на дифференциальный ток. Поэтому при выполнении защиты важен выбор стороны силового трансформатора, к которой целесообразно подключить тормозную обмотку, чтобы обеспечить

минимальное торможение при КЗ в зоне защиты и максимальное торможение при внешних КЗ.

Чувствительность дифференциальной защиты определяется при металлическом КЗ на выводах защищаемого трансформатора. В соответствии с работой [3] требуется обеспечить коэффициент чувствительности не менее 2,0. Допускается снижение требуемого коэффициента чувствительности до 1,5 в следующих случаях (если обеспечение коэффициента 2,0 и более связано со значительным усложнением защиты или технически невозможно):

1) при КЗ на выводах НН трансформаторов мощностью менее 80 МВА;

2) в режиме включения трансформатора под напряжение, а также для кратковременных режимов его работы (например, при отключении одного из трансформаторов на двухтрансформаторной подстанции);

3) при КЗ за реактором, установленным на стороне НН трансформатора и входящим в зону его дифференциальной защиты.

1.2.4. Газовая защита. Газовая защита предназначена для защиты силовых трансформаторов с масляным заполнением, снабженных расширителями, от всех видов внутренних повреждений, сопровождающихся выделением газа, ускоренным перетеканием масла из бака в расширитель, а также от утечки масла из бака трансформатора. Интенсивность газообразования зависит от характера и размеров повреждения. Это дает возможность выполнить газовую защиту, способную различать степень повреждения, и в зависимости от этого действовать на сигнал или отключение.

Основным элементом газовой защиты является газовое реле, устанавливаемое в маслопроводе между баком и расширителем [4]. Наиболее распространены следующие типы газовых реле, устанавливаемых на трансформаторах: поплавковые типа ПГ-22, ПГЗ-22 (выпуск прекращен в середине 60-х гг.), РГП-68 (разработано ОАО «Пермэнерго»), чашечковые типа РГЧЗ-66 и реле Бухгольца типа BF-80/Q.

Газовое реле типа РГЧЗ-66. Конструктивное исполнение реле РГЧЗ-66 представлено на рис.4. Основными элементами реле являются две плоскодонные алюминиевые чашки 1 и 2, которые поворачиваются вместе с подвижными контактами 4 на осях 3. Эти контакты замыкаются с неподвижными контактами 5 при опускании чашек. В нормальном режиме при наличии масла в кожухе реле чашки удерживаются пружинами 6 в положении, указанном на рис.4. Система отрегулирована так, что масса чашки с маслом является достаточной для преодоления силы пружины при отсутствии масла в кожухе реле. Поэтому понижение уровня масла сопровождается опусканием чашек и замыканием соответствующих контактов. При этом замыкание контактов верхней чашки действует на сигнал, а нижней – на отключение.

При интенсивном газообразовании возникает сильный поток масла и газов из бака в расширитель через газовое реле. На пути потока находится лопасть 7, действующая вместе с нижней чашкой на общий контакт. Лопасть поворачивается и замыкает контакт в цепи отключения трансформатора, если скорость движения масла и газов достигает определенного значения, установленного на реле.

Рис. 2.4. Газовое реле защитытрансформатора типа РГЧЗ-66

Предусмотрены три уставки срабатывания отключающего элемента по скорости потока масла: 0,6; 0,9; 1,2 м/c. При этом время срабатывания реле t = 0,05, К=0,5 c. Уставка по скорости потока масла определяется мощностью и характером охлаждения трансформатора.