Защита на силови трансформатори - Част 3

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2013

Защита на силови трансформатори - Част 3Защита на силови трансформатори - Част 3Защита на силови трансформатори - Част 3Защита на силови трансформатори - Част 3

Защита от вътрешни земни съединения, газови защити и защити от външни повреди и претоварване.

 В брой 3/2013 на списание Инженеринг ревю бяха разгледани специфични особености на диференциалните защити (ДЗ), сред които специално внимание бе отделено на елиминирането на ефектите от небаланс на токовете. В този брой продължаваме с представянето на защитите от вътрешни земни съединения, газовите защити и защитите от външни повреди и претоварване.

Защита от вътрешни земни съединения
Вътрешните земни съединения са пробиви на изолация към корпус или към магнитопровода на трансформатора. За намотка на трансформатора, свързана в звезда със заземена неутрала, токовете на земно съединение са достатъчно големи, за да могат да бъдат регистрирани от диференциалната защита на трансформатора.

В случай на звезден център, заземен през токограничително съпротивление, могат да се очакват и токове на пробив към корпус по-ниски от прага на чувствителност на диференциалната защита. В такива случаи може да се използва земна диференциална защита – 87G или посочна земна защита 67G.

Схемата на свързване е показана на фиг. 1. ТТ откъм страната на изводите на трансформатора са свързани в схема - филтър на нулева последователност. Междинният токов трансформатор служи за съгласуване на коефициентите на трансформация между фазните ТТ и ТТ в неутралата.

В съвременните цифрови релета са предвидени възможности за свързване без междинен трансформатор. На фигурата са показани посоките на токовете на нулева последователност при външно земно съединение. При защита тип 87G двата тока се изваждат един от друг. При това при външна повреда те са еднопосочни и равни по големина и следователно релето не сработва.

При вътрешно земно съединение посоката на тока в намотките се обръща и се получава ток на небаланс, при който релето сработва. Защитите от типа 67G сравняват освен разликата на двата тока и техните посоки.

Що се отнася до защита от земни съединения на страната на триъгълника, една от възможностите е използване на токово реле (51N), свързано към ТТ в схема - филтър на токове с нулева последователност. Тази схема също е показана на фиг. 1. Тя работи, ако външната мрежа съдържа източници на достатъчно големи токове с нулева последователност, които да захранват земно съединение в участъка надясно от токовите трансформатори (т. е. в намотките на трансформатора и ошиновката до ТТ). Схемата не регистрира токове на земно съединение навън от токовите трансформатори.

При схемите, използващи схема филтър на нулева последователност с ТТ, съществува относително голям небаланс, породен от различните характеристики на токовите трансформатори както в нормален режим, така и най-вече в режим на насищане при протичане на големи токове. Следователно защитите, използващи такова свързване, имат ограничение в прага на чувствителност, поради което не са много често използвани.

Значително по-точно е измерването на токове с нулева последователност, когато се използват прозоречни токови трансформатори, които обхващат и трите фазни проводника. За съжаление, това е приложимо само при малки силови трансформатори. Посочните земни защити от вида 67G добавят допълнителна осигуровка срещу неправилно сработване при външна повреда обаче при несинусоидални токове, каквито по принцип са началните токове на повреда, посоченият орган работи с прекъсвания. Поради това се налага усложняване на защитите, като се добавят времезакъснения, спирачни характеристики и т. н.

Друг метод за защита от корпусни повреди е силовият трансформатор да бъде изолиран от своя фундамент и всякакви други конструкции, а корпусът му да бъде заземен в една точка чрез специален проводник. На този проводник се монтира ТТ и токово реле с голяма чувствителност.

По отношение регистрирането на ток на утечка към земя този метод е изключително чувствителен и надежден, но, за съжаление, практическото осъществяване на условието трансформаторът да бъде изолиран от земята в течение на експлоатацията му е много трудно.

Поради изброените недостатъци на различните електрически защити срещу корпусни повреди, нерядко в такива случаи се разчита основно на газовите защити.

Газови защити
Наред с диференциалната, газовата се явява втората основна защита от вътрешни повреди за големите трансформатори. При тях конструкцията на трансформатора включва казан, в който са разположени намотките и разширителен съд, разположен над корпуса и свързан с него с тръба, чийто наклон има посока нагоре във всеки един участък.

При най-разпространения вариант на газово реле (Бухолцово реле) то се монтира на тази тръба. Газовете, които се образуват при разлагане на маслото, се стремят към най-високата точка на системата и преминават през тръбата към разширителя, респективно – през релето.

Газовите релета могат да открият повреди, и то в началния им етап, когато няма практическо изменение на тока на трансформатора. Тези повреди включват междувиткови къси съединения, повреда на изолацията на ламелите на магнитопровода, утечка през изолация към корпус и др.

Така, въпреки че газовите защити, използвайки хидравлични явления, свързани с натрупването и движението на газа, не могат да имат бързодействието на електрическите защити, те ги допълват, като покриват повреди, за които електрическите защити пък нямат достатъчна чувствителност.

Нормално газовите релета имат две степени. Едната реагира на натрупването на малки количества газ и действа на сигнал, а другата – на поток от трансформатора към разширителя и действа на изключване. Смисълът на това е, че малки количества газ могат да се отделят и в случай на прегряване в резултат от претоварване и други процеси, които не са свързани с вътрешна повреда на трансформатора.

При сработване на първата степен на газовото реле трябва да се вземе проба от маслото на трансформатора и да се анализира, за да се направят заключения за евентуално наличие на вътрешна повреда в начален стадий.
Газовите релета от този тип са неприложими към херметични маслени трансформатори без разширител. За такива трансформатори могат да се използват релета за налягане. Те сработват при внезапно повишаване на налягането в трансформатора. Предлагат се комбинирани блокове от типа GRPT (Gaseous Release, Pressure, Temperature).

Те включват релета за налягане, за ниво и за температура на маслото с по една или две степени.
Независимо от типа им, за използване на газови релета се изисква наличие на прекъсвачи от двете страни на трансформатора със съответни изключвателни вериги, захранени от независим източник.

Това прави използването им за малки трансформатори недотам разпространено, особено в обществените електроснабдителни мрежи.

Защити от външни повреди и претоварване
Факторите, които определят избора на вида защити от външни повреди и техните настройки, са:

•Координация с максимално допустимите кратковременни токове, протичащи през трансформатора. От фигура 2, която вече беше показана и коментирана в първата част на статията (вж. Инженеринг ревю бр. 2/2013), става ясно, че чувствителността на защитата при всеки вид външна повреда трябва да гарантира сработване за токове, намиращи се в недопустимата зона на тази характеристика.

• Несработване при нормални установени и преходни режими.

• Селективност, т. е. съгласуване на настройките по праг на сработване и по времезакъснение с тези на долустоящите защити. Долустоящите защити, намиращи се непосредствено пред мястото на повредата, трябва да могат да изключат, преди да се стигне до сработване на защитата на трансформатора.

Всяка от защитните функции, които се разглеждат по-нататък, може да бъде реализирана с отделни релета. Така се реализира класическата концепция с електромеханични релета. Цифровите защити, разработени специално за трансформатори, съдържат в себе си и пълен комплект защити от външни повреди.
Защита от външни къси съединения.

Най-простият вид защита от външни повреди е максималнотоковата защита (МТЗ) със закъснение (функция 51). В най-простия случай – двунамотъчен, едностранно захранен трансформатор е достатъчно поставянето на МТЗ на намотката откъм страната на захранването, действаща на прекъсвача откъм тази страна. С цел повишаване на надеждността обаче се препоръчва, включително от Наредба 3, защитата да действа на прекъсвачите и от двете страни на трансформатора.

Що се отнася до схемата на свързване, универсалната схема, която осигурява максимална чувствителност при всички видове повреди и всички схеми на свързване на силовия трансформатор, е тази с по един токов трансформатор на всяка фаза, трите свързани в звезда, и максимално-токово реле към всеки от тях.

На фигура 3 са показани случаи на три вида къси съединения откъм страната на товара за най-разпространената схема на свързване – триъгълник звезда със заземен звезден център. За единица е приета стойността на тока на трифазно късо съединение. При изчисленията са приети еднакви стойности на импедансите с права, обратна и нулева последователност, което в голяма степен е справедливо за къси съединения близо до трансформатора.

Фигурата показва как токовете на различните повреди се трансформират към страната на захранването (стойностите са приведени към страната на товара), т. е. как тези токове се регистрират от токовата защита. Вижда се, че при двуфазно и трифазно късо съединение поне в една от фазите протича максималният ток с относителна стойност 1,0.

Подобен е и случаят с двуфазно съединение към земя, непоказан на фигурата. При еднофазно земно съединение обаче се регистрира само 58% от големината на тока, протичащ в повредената фаза. Това прави в някои случаи МТЗ недостатъчно чувствителна за земни съединения.

Съществува и по-икономично решение – т. нар. непълна звезда, с токови трансформатори и релета само на две от фазите. От фигура 3 се вижда, че освен към земно съединение, тази схема ще има наполовина по-ниска чувствителност и към някои двуфазни съединения – в случая, показан на фигурата – когато има късо съединение между фази a и b на страната на товара, а е икономисана защитата на фаза A.

Затова използването на такава схема трябва да бъде много добре преценено.
МТЗ е подходяща и за тринамотъчни, едностранно захранени трансформатори. В този случай доброто решение е поставяне на МТЗ на всяка от намотките.

При това настройките на всяка от намотките откъм страната на товара се определят само от съответния максимален работен ток на намотката, което позволява постигане на по-голяма чувствителност. Същият принцип се прилага и към двунамотъчни понижаващи трансформатори, захранващи отделно работещи секции.

МТЗ откъм захранващата страна се “отстройва” по време от МТЗ откъм страната на товара.
Прагът на сработване на МТЗ трябва да бъде по-висок от максимално възможните установени и преходни работни токове. Когато е приложимо, тук следва да се имат предвид и токовете на самопускане на двигатели след АПВ на линията, захранваща трансформатора. При паралелно работещи трансформатори МТЗ не трябва да сработва при изключване на съседния трансформатор. Предвид нарочното закъснение на МТЗ, токът на намагнитване няма значение за настройката й.

При тези ограничения на прага на сработване и като се има предвид импедансът на трансформатора, ограничаващ тока на късо съединение, МТЗ не винаги осигурява необходимата чувствителност, особено при двуфазни и земни повреди.

В особено неблагоприятно положение са повишаващите трансформатори в електроцентрали, защото при тях захранващият източник на късо съединение откъм страна високо напрежение е само генераторът (генераторите), докато при един понижаващ трансформатор, захранващ източник е цялата система.

За повишаване на чувствителността на МТЗ се прилагат следните решения:
l Монтиране на още една МТЗ на изводите на трансформатора откъм страната на товара.
l МТЗ с минимално-напреженова блокировка. Токът на сработване на такава защита може да бъде избран и по-нисък от максималния работен ток, а настройката на минимално-напреженовата блокировка е под минималното работно напрежение на системата, но над очакваното напрежение по време на минимално късо съединение.
l МТЗ със зависима от напрежението характеристика (спирачна характеристика по напрежение).

Принципът е същият като при МТЗ с минимално-напреженова блокировка.
l МТЗ за токове с обратна последователност. Тази защита реагира само на несиметрични – двуфазни и земни съединения. Поради факта, че тя е нечувствителна към симетричния ток на товара, може да бъде настроена с много нисък праг на сработване. Тази защита обаче трябва да бъде комбинирана и със защита от външни трифазни къси съединения.

При двустранно захранени трансформатори, с цел постигане на селективност, се предвиждат посочни токови защити или дистанционни защити на всяка от страните. При системните трансформатори (автотрансформатори), свързани към пръстени 220 или 400 kV дистанционни, са задължителни дистанционни защити, при които се постига по-голяма чувствителност и селективност.

Защита от външни земни съединения на трансформатори и автотрансформатори със заземен звезден център. При трансформатори с намотка звезда със заземен звезден център големият ток на земно съединение би могъл да бъде опасен за трансформатора. В такъв случай, ако МТЗ няма достатъчна чувствителност за земно съединение, се предвижда допълнителна защита.

Изпълнява се с токови релета, свързани към токови трансформатори, монтирани на шината, свързваща звездния център със заземителната уредба. Не се препоръчва използването на филтър на токове с нулева последователност, реализиран с токови трансформатори на изводите на трансформатора поради присъщата на тази схема грешка, породена от нееднородните характеристики на токовите трансформатори, заради която се налага загрубяване на защитата.

Защитата на автотрансформатори от външни земни съединения има следните особености:
Първо, за разлика от трансформаторите без галванична връзка, токовите релета за намотките високо напрежение (ВН) и средно напрежение (СН) трябва да се монтират към токови трансформатори, свързани в схема - филтър на нулева последователност, а не в заземлението на звездния център.

Причината се дължи на факта, че намотките средно и високо напрежение имат обща част, включително неутралата. Поради това, както е показано на фигура 4, при земно съединение на една от страните (в случая СН) ток с нулева последователност се индуцира и в другата страна, при това с противоположна посока. В резултат в неутралата протича ток, по-малък от тока с нулева последователност на страната на повредата, а именно 3I0 = (3I0СН - 3I0ВН), вместо 3I0СН, който регистрира релето във филтъра за нулева последователност. Следователно, схемата с филтър на нулева последователност осигурява по-голяма чувствителност.

Селективността между защитите на страни високо и средно напрежение се постига чрез “отстройване” по време или чрез добавяне на посочен орган към всяка от тях.
Второ, много е важно намотката ниско напрежение на автотрансформатора също да бъде защитена от външно земно съединение на страна високо или средно напрежение. Индуцираните в такива случаи токове на нулева последователност се затварят в триъгълника на намотката.

Предвид по-ниската мощност на намотка НН дори токове, които са безопасни за намотки високо и средно напрежение, могат да предизвикат повреда в намотка НН или в съединителните кабели, с които се реализира свързването в триъгълник. За защита от токове на външно земно съединение е достатъчно токово реле, свързано към токов трансформатор в една от фазите, както е показано на фигура 4.

При намотки НН, които не се използват за свързване на товари или устройства за регулиране на реактивната мощност, тази защита може да изпълнява ролята и на защита от вътрешни повреди на намотка НН. В противен случай обаче изводите към въпросните устройства остават извън обхвата на защитата и затова са необходими допълнителни мерки за защита на намотка НН от вътрешни повреди като например включването й в обхвата на диференциална защита.

Защита от претоварване. Тя се монтира на трансформатори, при които товарът варира в широки граници и е възможно да се стигне до претоварване. Класическата защита от претоварване представлява токово реле, свързано към токов трансформатор в една от фазите на трансформатора.

Защитата от претоварване обикновено се проектира да действа "на сигнал" в подстанции с постоянно дежурство или с дистанционно управление. В необслужвани подстанции по целесъобразност може да действа на частично разтоварване или на изключване на целия товар.

Функцията на защитата от претоварване е да предпази трансформатора от прегряване, респективно от ускорено стареене на изолацията при токове на товара, надвишаващи номиналните токове с порядък от няколко десетки процента.

Предвид физиката на процесите (вж. фигура 2) най-подходящи за защита от претоварване са токови релета с времезависима характеристика. Те позволяват по-малки претоварвания да бъдат изключвани с по-голямо времезакъснение и обратното.
В последните години се предлагат цифрови защити с т. нар. функция thermal imaging.

Тази функция представлява също вид времезависима характеристика, която обаче се изменя динамично в зависимост от текущия ток и големината и продължителността на тока в предхождащите режими. Различните производители разработват различни алгоритми за изчисление. Ето една примерна формула на характеристика "thermal imaging":

T = Kt x ln(((I/IS)2 - ((Ip/IS)2)/((I/IS)2 - 1)),

където:
t е времето за изключване;
Kt е термичната времеконстанта на трансформатора;
I е текущият ток;
IS е максимално допустимият продължителен ток;
IP е токът преди регистриране на претоварването.

В зависимост от използвания алгоритъм може да се избира максималният от трите фазни тока или да се изчислява средноквадратична стойност от тях. Вторият вариант е подходящ за маслени трансформатори, при които претоварването на само една от фазите (често срещан) случай, се компенсира донякъде от лесното топлоотдаване от претоварената намотка към маслото.

В крайна сметка при използването на защита с характеристика "thermal imaging" могат да се допуснат за определено време еднофазни претоварвания до два пъти номиналния ток, докато при максимално-токово реле с фиксиран праг на задействане, този праг се настройва на около 110% от номиналния ток.

В следващ брой на списанието ще бъдат разгледани технологичните защити на трансформатори,  както и специфичните особености на защитите на малки трансформатори.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top