Защита на силови трансформатори

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2013

Защита на силови трансформаториЗащита на силови трансформаториЗащита на силови трансформатори

Част 1. Функции, приложения и технологии на реализиране на защитите, общи принципи на защита от вътрешни и външни повреди.

  Трансформаторите представляват голяма група съоръжения с разнообразни конструкции, функции и мощност. В статията се разглеждат най-разпространените в българската електроенергийна система силови трансформатори. С известна степен на непълнота и опростяване те могат да бъдат класифицирани в следните групи:
Трансформатори, използвани в електропреносните мрежи 110 kV, 220 kV и 400 kV:
- Трансформатори ВН/СН. Според функцията си се определят като понижаващи - в подстанции и в уредби за собствени нужди на електроцентрали и повишаващи - към генераторните уредби на електроцентралите. Разпространени са двунамотъчни трансформатори и трансформатори с разцепени намотки (последните - основно като трансформатори за собствени нужди в големи електроцентрали и блочни трансформатори в схеми два генератора - трансформатор). Мощностите им обикновено са в диапазона десетки - стотици MVA.
- Автотрансформатори ВН/ВН. Те осъществяват връзката между мрежите от трите нива на напрежение - 110, 220 и 400 kV. Мощностите им са в диапазона 200-800 MVA. Предпочитани са пред трансформаторите без галванична връзка между намотките предимно по икономически съображения. Освен основните намотки за двете нива на напрежение имат третични намотки на ниско или средно напрежение без галванична връзка с основните намотки. Третичните намотки се свързват в триъгълник с цел да филтрират токовете с нулева последователност при земни съединения. Освен това към третичните намотки при необходимост се свързват устройствата за регулиране на реактивната мощност в преносните мрежи (синхронни компенсатори, реактори и кондензаторни батерии), както и консуматори за собствени нужди.
- Трансформатори ВН/ВН или ВН/ВН/СН (тринамотъчни). Нямат голямо разпространение в българската енергийна система.

Практически всички трансформатори от горните три групи имат класическата конструкция на маслен трансформатор с разширител, като могат да бъдат трифазни и еднофазни. Обикновено са оборудвани със стъпални регулатори на коефициента на регулиране под товар. Снабдени са с охладителни системи за принудително охлаждане, предимно ONAF.

Трансформатори СН/НН:
- Трансформатори в обществените електроснабдителни мрежи.
- Трансформатори в електроснабдителните мрежи на индустриални и търговски обекти
Обичайната мощност на трансформаторите в тези две групи е от порядъка на няколко десетки kVA до няколко MVA. Така, освен различните им функции в сравнение с тези на трансформаторите от по-високите нива на напрежение, съществува и отчетлива разлика в мощността и размерите между трансформаторите от тези групи. Затова по-нататък, за по-кратко и когато е уместно, ще използваме и определенията “малки” и “големи” трансформатори. Трябва да се има предвид, че не винаги големината на трансформатора e решаваща при избора на защитите му. Така например, един трансформатор за собствени нужди може да заема такова място в електроенергийната система, че негова повреда да доведе до общосистемна авария. В този случай той очевидно трябва да бъде много по-добре защитен, отколкото трансформатор със същата мощност в една електроразпределителна мрежа.

При малките трансформатори са се наложили три типа конструкции:
- Маслени трансформатори с разширител. Не се различават принципно от големите трансформатори.
- Херметични маслени трансформатори. Вместо разширител имат газов буферен обем под налягане. Маслото е изцяло изолирано от атмосферата.
- Сухи трансформатори. Налагат се напоследък в обекти предимно с търговско предназначение, където се разполага с малко пространство, тъй като не предполагат изграждане на съоръжения за предпазване от разлив на масло, по-лесни са за обслужване и представляват значително по-малка пожарна опасност.

Малките трансформатори обикновено имат естествено охлаждане и отклоненията им за регулиране на коефициента на трансформация се превключват при изключен трансформатор.

Функции на защитите и особености при различни приложения на трансформаторите
Защитите на силовите трансформатори в електроенергийната система имат следните основни функции:
- Да минимизират пораженията върху трансформаторите, възникнали вследствие на вътрешни повреди.
- Да минимизират риска от поражения върху останалите елементи на системата в резултат на вътрешна повреда в трансформатора.
- Да минимизират риска от възникване на пожар в резултат на вътрешна повреда в трансформатора.
- Да минимизират рискове за живота и здравето на хора в резултат на вътрешна повреда в трансформатора.
- Да предпазят трансформатора от повреда в резултат от външно въздействие (късо съединение, претоварване, пренапрежение).
- Да минимизират риска от подаване на захранване на консуматорите с параметри, опасни за тях (пренапрежение, непълнофазни режими).
- Да изключат повредените елементи на системата с възможно най-малък ефект върху работата на здравите елементи.
- Да минимизират прекъсванията в електроснабдяването на консуматорите.

Така формулирани, изискванията към защитите на трансформаторите си противоречат в известна степен. Така например първите 6 изисквания биха били най-добре изпълнени при максимална чувствителност и бързодействие на защитата, докато последните две са преди всичко изисквания за селективност, водещи в крайна сметка било до "загрубяване", било до нарочно времезакъснение на защитите. Намирането на оптималното съотношение между всички изисквания към защитите силно зависи от вида, големината, предназначението на трансформаторите и от конфигурацията на схемата, в която са свързани.

Важен фактор са и икономическите съображения. Така например, едно закъсняло изключване на повреден трансформатор (или автотрансформатор), свързан към основните електропреносни системи - 220 и 400 кV, би могло да доведе до тежки аварии за цялата система или части от нея. Освен това, загубите, свързани с ремонт или подмяна на трансформатора и съседни съоръжения, повредени в резултат на неговото несвоевременно изключване, са в пряка връзка с големината на съоръжението.
Като цяло потенциалните загуби са неизмеримо по-големи от разходите за защитно оборудване. Ето защо големите трансформатори се оборудват с по-скъпи и с повече функции защити. Задължително се предвижда резервиране. Тъй като взаимното резервиране със защитите на съседни елементи от електропреносната система предполага прилагане на принципа на селективност, т. е. "загрубяване" и/или нарочно забавяне, в най-отговорните приложения се предвижда и дублиране на основните защити, действащи без закъснение и с максимална чувствителност. В комплекса мерки за защита на големи трансформатори се включва и осигуряването на надеждни източници на захранване на защитите (акумулаторни батерии, които в най-отговорните приложения са отделни за основните и резервни защити и, съответно, прекъсвачите са снабдени с отделни изключвателни бобини за всеки от комплектите защити). Нещо повече, необходимо е изборът на релейни защити и проектирането на конфигурацията на измерителните им вериги да върви заедно с избора на конфигурация на първичната схема, като се анализират всички възможни ремонтни и аварийни режими и се предвидят нужните прекъсвачи и токови трансформатори. Целта е:
- да се обезпечи във всеки един режим правилната реакция на всички защити;
- да се обезпечи нормалното функциониране на системата след изключване на повреденото съоръжение.

Нашата нормативна уредба (Наредба 3 за устройството на на електрическите уредби и електропроводните линии) съдържа доста обхватни инструкции за избора на защити на големи трансформатори. Разбира се, спазването само на тези правила не е достатъчно, защото всяка конкретна уредба носи своите особености, които трябва да бъдат анализирани и взети под внимание.

При малките трансформатори икономическият фактор има по-голяма тежест при избора на комутационната апаратура, защитите и съответните източници на захранване и други елементи. В тези случаи разходите за първоначална инвестиция и поддръжка, са съизмерими с икономическите загуби в резултат от авария на трансформатора, отнесени към статистическия риск от възникване на такава. Ето защо в тези случаи се предвиждат по-прости защити и комутационна апаратура. При избора им има място също така за оценка на относителната тежест на загуба на захранване на консуматорите срещу риска от унищожаване на трансформатора или възникване на пожар. При приоритет на първото условие може да се жертва донякъде чувствителността на защитите, за да се избегнат изключвания от грешни сработвания, докато в обратния случай може да се направи компромис със селективността.

Видове външни въздействия и вътрешни повреди на трансформаторите
Повредите на трансформаторите в резултат на производствен дефект са рядко явление. Обикновено повредите са резултат от постоянни и инцидентни външни въздействия по време на експлоатация.

Механични въздействия:
- термично разширение и движение на намотките в резултат от денонощните цикли на товара, респективно на нагряването на намотките;
- вибрации;
- ударни механични натоварвания на намотките в резултат от протичане на големи токове на късо съединение.

Термични въздействия:
- прегряване в резултат от претоварване или неизправност на охладителните системи;
- прегряване в резултат на загуби в магнитопровода; добива големи размери при явления като превъзбуждане на трансформатора.

Комутационни или атмосферни пренапрежения.
Експлоатация с ниско ниво на маслото, водеща до влошена изолация и влошено охлаждане.
Овлажняване и замърсяване на маслото.
Повърхностно замърсяване.

Механичните въздействия могат да причинят механично увреждане на изолацията, водещо до късо съединение, а така също до деформации и увреждане на изолацията в магнитопроводите, които пък да увеличат локалните прегрявания. При сухите трансформатори може да се стигне до разрушаване на изолацията.
Термичните въздействия водят до постепенно стареене на изолацията, което в крайна сметка също завършва с пробив и късо съединение.

Ефектите на замърсяването на маслото и повърхностното замърсяване също се изразяват в понижаване на качеството на изолацията и в крайна сметка предизвикват пробив.

Вътрешните къси съединения биват няколко вида:
Междувиткови къси съединения в намотката от една фаза. Това е една от най-честите вътрешни повреди. Характерно за нея е, че първоначално, когато са засегнати малък брой съседни витки, увеличението на тока на засегнатата намотка е много малко и се регистрира трудно от релейната защита. Между засегнатите витки възниква електрическа дъга и това води до локално разрушаване на изолацията и разпростиране на повредата към все повече намотки. В резултат от локалните електрически дъги в мястото на повредата се отделят газове, замърсява се маслото, а може да се стигне и до опасно повишаване на налягането в казана на трансформатора.

Междуфазни къси съединения. Това са редки повреди, но предизвикват голям ток на късо съединение с възможни много големи поражения на съоръжението, риск от пожар и опасност за живота на хора, особено ако се стигне до пробив от намотка средно към намотка ниско напрежение. Най-вероятно е до такова късо съединение да се стигне в резултат от развитие на друга вътрешна повреда. Междуфазно късо съединение в близост до неутралата при свързване в звезда обаче не предизвиква голям ток на късо съединение и има проявления като на междувитково съединение.

Пробив от намотка към корпус. Най-честата причина е външно пренапрежение. Предпоставка е и предишно влошаване качеството на изолацията. В зависимост от режима на заземяване на звездния център токът на такава повреда може да бъде голям или малък, със съответно различно влияние върху трансформатора и върху захранваните консуматори.

Статистически, като се имат предвид големите размери и достатъчната изолация на големите трансформатори, при тях изброените вътрешни къси съединения са много рядко явление (което не е причина за занижаване критериите към защитата заради огромните загуби в случай на повреда). Най-чести при тези трансформатори са повредите в регулаторите под товар, тъй като в тях са налице сложни механизми и автоматика и се извършва често превключване на индуктивности при голям ток. Тъй като регулиращите отклонения от намотките обаче се правят откъм страната на неутралата на намотки ВН, при повреда рядко се стига до големи токове, които да заплашват самия трансформатор с тежка повреда. Регулаторите под товар на по-големите трансформатори, а така също и на превключващите им контактори, се изпълняват в отделни маслени казани, което позволява извършване на ремонт без да се разглобява самият трансформатор.

Защити от вътрешни повреди – общи принципи
Основното изискване към защитите от вътрешни къси съединения е максимално бързо откриване на повредата и изключване на трансформатора с цел да бъдат минимизирани нанесените щети на него и околните съоръжения. Тоест основно изискване към тези защити е да имат максимална чувствителност и бързодействие.

За защитите от вътрешни повреди също така е много важно да бъдат и селективни. Едно грешно изключване от такава защита не води просто до престой на трансформатора за времето до повторното му включване. Добрата експлоатационна практика изисква трансформаторът да не бъде включван повторно след сработване на защита от вътрешна повреда, поне докато не бъде извършен анализ на маслото, а може да се наложи и по-обстойна инспекция.

Тук накратко ще отбележим, че анализът на маслото е мощен метод за диагностика на трансформатора. От наличието на едни или други химически съединения в него може да се съди за развитието на един или друг вид вътрешна повреда в много ранен етап на развитие. Затова анализ на маслото се извършва и в рамките на периодичната профилактика. Все пак този метод е в донякъде качествен, без универсални количествени критерии. Затова защитите, които извършват непрекъснат анализ на маслото по време на работа на трансформатора, са в експериментален стадий и нямат широко приложение.

Селективността на защитите от вътрешни повреди означава на практика те да не сработват при външни повреди и при преходни процеси в нормални експлоатационни режими, като при това не се допуска нарочно забавяне.

Основните два типа защити от вътрешна повреда са:
- диференциална защита;
- газова защита.
Там, където токовете на еднофазно земно съединение са толкова малки, че диференциалната защита не осигурява задоволителна чувствителност, може допълнително да се предвиди и земна диференциална защита.
При малките трансформатори евтини алтернативи на диференциалната защита, но с много по-ниска чувствителност и селективност, са:
- максималнотокова отсечка;
- защита с предпазители със стопяеми вложки на страна високо напрежение.

Защити от външни повреди – общи принципи
Защитите от външни повреди и претоварвания са също много важни за трансформаторите,  тъй като, както беше споменато, в зависимост от тежестта и времетраенето им те водят било до директно възникване на вътрешна повреда, било до ускорено стареене на съоръжението.

Защитите от външни повреди, за разлика от тези от външни, не трябва да имат мигновено действие. Те трябва да дадат възможност на защитите, най-близки до мястото на повредата, да изключат без да се стига до изключване на трансформатора. Същевременно настройките на защитите от външни повреди трябва да са такива, че въздействието на токовете на повредата да не превиши прага, от който те стават опасни за трансформатора. Стандартите IEEE дават т. нар. криви за координация за трансформатори, разделени в 4 категории според мощността на трансформаторите - фиг. 1. Кривите отчитат не само непосредственото въздействие, но и кумулативния ефект на външните повреди. Семейството криви 1 от графиката представя т. нар. чести повреди - такива, на които трансформаторът може да бъде подложен повече от 5 пъти за експлоатационния си срок, без да възникне вътрешна повреда. Кривите на сработване на защитите от външни повреди на трансформатора трябва да се разполагат отляво на тази крива, като при това остават вдясно от кривите на долустоящи защити. Крива 2 представя "редки повреди" – не повече от 5 за срока на живот на трансформатора. Тя може да се използва като репер за защитите на висшестоящи съоръжения, които се явяват като резервни защити от външни повреди за трансформатора – характеристиките на тези защити трябва да остават вляво от крива 2.

В качеството на защити от външни повреди и претоварване се използват предимно:
- токови защити с времезависими характеристики;
- посочни и дистанционни защити;
- земни защити в зависимост от режима на заземление на неутралата;
- защита от свръхвъзбуждане;
- защита от повишено напрежение;
- термични защити;
- технологични защити.

Защитата от атмосферни и комутационни пренапрежения се осъществява с катодни отводители или разрядници с искрова междина, които не са обект на това разглеждане. Повече информация по въпроса може да бъде намерена в статията “Мълниезащита на електроенергийни съоръжения”, публикувана в брой 4/2012 на сп. Енерджи ревю.

Технологии, приложими в релейната защита
Съществуват три поколения релейни защити, като понастоящем и трите са широко застъпени в енергийната система на страната.

Електромеханични релета. Контактите им се задвижват от електромагнитни сили, създавани в една или повече намотки от подходящо подбрани токове и напрежения.
Електронни релета. При тях се извършва аналогово сравняване на напрежения, пропорционални на подаваните към защитата токове и напрежения. Съдържат и логически превключващи схеми, базирани на транзисторна логика (TTL схеми).
Цифрови защити. Изграждат се на базата на микропроцесори. Подаваните токове и напрежения се преобразуват от АЦП и се изчисляват амплитудата, честотата и фазата на сигналите. Най-често това са многофункционални блокове, включващи групи от по няколко защити, подходящи за различни видове съоръжения: например защита на трансформатор, защита на генератор и т. н.

Както следва да се очаква, цифровите защити търпят най-голямо усъвършенстване и в почти всички случаи постигат по-добри характеристики от по-старите поколения защити.

Като правило електромеханичните релета не се нуждаят от отделно оперативно захранване, за разлика от другите две поколения защити. Въпреки това, всяка по-сериозна електрическа уредба, включително тези, които се защитават с електромеханични релета, използва прекъсвачи, чиито изключвателни бобини трябва да бъдат захранени от отделен, надежден източник на оперативно напрежение.
Като отделна група могат да се посочат и защитите, вградени в прекъсвачи ниско напрежение. Те биват също изградени на база на една от трите изброени по-горе технологии, като колкото по-малки са номиналните токове на прекъсвачите, толкова по-икономически изгодна и съответно най-разпространена остава електромеханичната технология. Вградените в прекъсвачите защити като правило използват, поне за основните си функции, захранване само от първичния ток на прекъсвача, което ги прави много удобни за използване в крайните стъпала на електроразпределителните мрежи и в инсталациите на потребителите.

Диференциална защита (ДЗ), номер по IEEE: 87
Тази защита е базирана на принципа на сравняване на токовете на всички изводи на защитаваното съоръжение, в случая - трансформатор. Действието на диференциалната защита е илюстрирано на фиг. 2. Измерва се токът от двете страни на защитаваното съоръжение и посредством токови трансформатори с подходящ и еднакъв коефициент на трансформация се подава към ДЗ.

Работният орган на диференциалната защита е токово реле (или неговият електронен или дигитален аналог), което реагира на векторната разлика на двата тока – оттам и названието "диференциална". Тази схема се реализира с отделни токови трансформатори (ТТ) и отделни работни органи за всяка от трите фази. В работни режими, както и при късо съединение от какъвто и да е вид извън зоната между двата ТТ, токовете от една и съща фаза от двете страни на защитаваното съоръжение са еднакви по големина и фаза, респективно – токът, протичащ през работния орган, е 0. При късо съединение от какъвто и да е вид вътре в защитаваното съоръжение, поне в една от фазите ще има разлика както в големината, така и в дефазирането на токовете и ДЗ ще сработи.

Прилагането на този прост принцип в практиката обаче изисква съобразяването с няколко особености:
Фазово отместване на токовете в зависимост от схемата на свързване на силовия трансформатор.
Небаланс на вторичните токове:
- от неточно изравняване на коефициента на трансформация;
- от грешка на ТТ;
- от положението на регулатора под товар;
- от различно насищане на ТТ при външно късо съединение.
Небаланс на първичните токове:
- от токове при външно земно съединение в случай на силов трансформатор с намотки звезда и триъгълник;
- небаланс от тока на намагнитване.

Компенсация на фазовото отместване и небаланса при външно земно съединение в ДЗ
Най-често силовите трансформатори се свързват така, че едната им намотка да е свързана в звезда, а другата - в триъгълник. При това се получава отместване по фаза от 30 градуса на токовете на фазните изводи на страна ниско напрежение спрямо тези от страна високо напрежение. Компенсирането на тази фазова разлика в схемите на диференциални защити се постига, като ТТ от страна на триъгълника се свързват в звезда, а тези от страна на звездата – в триъгълник. При това е много важно свързването на ТТ в триъгълник да повтаря точно свързването в триъгълник на намотката на силовия трансформатор (последователността на свързване - начало на една фаза с край на друга). На фиг. 3 е показано свързването на намотките за най-разпространената схема на свързване на силов трансформатор – YD11. Може да се види, че при този начин на свързване на ДЗ не се подават фазни, а междуфазни токове и от двете страни.

Тази схема има още една важна функция – елиминиране на небаланса на токовете при външно земно съединение. Ако такова възникне на страната на звездата на силовия трансформатор, токовете на нулева последователност ще текат само от тази страна, тъй като намотката триъгълник от другата страна филтрира тези токове. Така, ако няма допълнително филтриране, ще съществува небаланс на токовете, подавани към ДЗ и тя ще сработи, а за ДЗ е недопустимо да сработва при външна повреда. Свързването в триъгълник на ТТ откъм страната на звездата изпълнява точно тази функция – филтрирането на тока с нулева последователност става в триъгълника от ТТ.

Съвременните ДЗ обаче предлагат и друга възможност: ТТ и от двете страни на силовия трансформатор да се свържат в звезда, а компенсирането на фазовата разлика и филтрирането на тока с нулева последователност стават вътре в релето, при това избирателно, в зависимост от групата на свързване на силовия трансформатор. Тази концепция има няколко предимства:
- Когато се използват все по-популярните комбинирани цифрови защити, останалите защитни функции, освен ДЗ, трябва да бъдат свързвани към фазни, а не към междуфазни токове. Същото важи и за измерителните и регистриращи функции на цифровите защити.
- При свързване в звезда токовете, които протичат в намотките на ТТ, са 1,73 пъти по-малки, което е особено важно за избягване на насищането, както ще стане дума по-нататък
- Свързването в звезда, като по-просто, предполага по-малък риск от грешки при монтаж, ремонт и изпитване.

Схемата за свързване на диференциална защита на тринамотъчни трансформатори е аналогична на тази, показана на фиг. 3. За всяка от намотките се реализира съответното свързване на ТТ – триъгълник за намотката, свързана в звезда и звезда за намотките, свързани в триъгълника. Токът от всяка от трите страни се подава към работния орган, така че посоката му при работен режим на трансформатора да бъде от ТТ към ДЗ. Схемата работи без разлика от това дали потокоразпределението на мощностите е насочено от едната намотка към другите две, или има захранващи източници от две страни на трансформатора.

В следващия брой на списанието ще бъдат разгледани принципите и технологиите за елиминиране на ефектите от небаланс на токовете от различно естество в диференциалните защити. Ще бъдат представени и останалите изброени в тази статия видове защити от вътрешни и външни повреди на силови трансформатори.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top