Lekcija_No_8_

Лекция № 8

ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы и автотрансформаторы конструктивно очень надёжны из-за отсутствия в них движущихся и вращающихся частей. Однако в процессе эксплуатации имеют место их повреждения и нарушения нормальных режимов работы. Поэтому, как и любое электротехническое оборудование, трансформаторы и автотрансформаторы должны оснащаться соответствующими устройствами релейной защиты от повреждений и ненормальных режимов работы.

8.1.Повреждения, ненормальные режимы работы. Назначение и основные

виды защит.

В обмотках трансформаторов и автотрансформаторов могут возникать следующие виды повреждений: междуфазные к.з.; замыкания одной или 2-х фаз на землю; замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания между обмотками разных напряжений; утечка масла из бака. На вводах трансформаторов и автотрансформаторов, на ошиновке также могут возникать к.з. между фазами и на землю.

Кроме повреждений могут происходить нарушения нормальных режимов работы трансформаторов и автотрансформаторов, к которым относятся: сверхтоки внешних к.з. на смежных элементах сети; перегрузка, выделение из масла горючих газов; понижение уровня масла; повышение температуры, повышение напряжения.

В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) для трансформаторов (автотрансформаторов) должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений:

1.Междуфазных к.з. в обмотках и на выводах.

2.Однофазных к.з. в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью.

3.Витковых замыканий в обмотках.

4.Сверхтоков внешних к.з.

5.Перегрузки.

6.Понижения уровня масла.

7.Пробоя изоляции вводов (для трансформаторов с вводами 500 кВ).

8.Однофазных замыканий на землю на стороне сети с напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью.

Защиты трансформаторов и автотрансформаторов должны выполнять следующие функции:

-отключать трансформатор (автотрансформатор) от источников питания при его повреждении;

-отключать трансформатор (автотрансформатор) от поврежденной части сети при прохождении через него сверхтоков внешних к.з.;

- подавать сигнал дежурному персоналу при ненормальных режимах работы трансформатора (автотрансформатора) – при перегрузках, выделении из масла газа, понижении уровня масла, повышениях температуры.

В соответствии с назначением для защиты трансформаторов и автотрансформаторов при их повреждениях и ненормальных режимах работы применяются следующие виды защит:

1.Дифференциальная защита для защиты от повреждений обмоток, вводов и ошиновок.

2.Токовая отсечка мгновенного действия для защиты от повреждений ошиновок, вводов и части обмотки со стороны источника питания.

3.Газовая защита для защиты от повреждений внутри бака трансформатора (автотрансформатора), сопровождающихся выделением из масла газа.

4.Максимальная токовая защита для защиты от сверхтоков проходящих через трансформатор (автотрансформатор) при повреждениях как самого трансформатора, так и смежных элементов сети, связанных с ним.

5.Защита от замыканий на корпус.

6.Защита от перегрузки.

7.Защита от повышения напряжения.

Кроме того, в отдельных случаях, на трансформаторах и автотрансформаторах могут устанавливаться и другие виды защит.

Защиты от повреждений выполняются с действием на отключение, а защиты от ненормальных режимов работы – на сигнал для оповещения дежурного персонала или на отключение на подстанциях без постоянного дежурного персонала.

Выводы:

1.При эксплуатации трансформаторов и автотрансформаторов в них могут возникать повреждения (междуфазные к.з., замыкания на землю одной и 2-х фаз, витковые замыкания, утечка масла из бака, замыкания между обмотками разных напряжений), а также нарушения нормальных режимов работы (сверхтоки внешних к.з., перегрузка, понижение уровня масла, повышение температуры масла, повышение напряжения).

2.Защиты трансформаторов (автотрансформаторов) от повреждений выполняются с действием на отключение.

Защиты от ненормальных режимов выполняются с действием на сигнал, а на подстанциях без постоянного дежурного персонала – на отключение.

8.2.Дифференциальная защита

Продольная дифференциальная защита является основной быстродействующей защитой мощных трансформаторов и автотрансформаторов от внутренних повреждений (от междуфазных к.з., замыканий на землю и от витковых замыканий).

Для выполнения диф.защиты трансформатора устанавливаются трансформаторы тока со стороны всех его обмоток. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в дифференциальную схему и параллельно к ним подключается реле защиты. Аналогично выполняется диф. защита автотрансформатора.

Принцип действия

Принцип действия диф. защиты трансформатора показан на рис. 8-1.

Рис.8 1. Принцип действия диф. защиты трансформатора

а) токораспределение при сквозном к.з.

Принцип действия дифференциальной защиты трансформаторов, так же как и диф. защиты линий и генераторов, основан на сравнении величины и направления (фазы) токов по концам защищаемого элемента (трансформатора).

При рассмотрении принципа действия диф. защиты условно принимается: коэффициент трансформации силового трансформатора равен единице, соединение обмоток одинаковое и одинаковые трансформаторы тока с обеих сторон.

Если схема токовых цепей диф. защиты выполнена правильно и трансформаторы тока имеют совпадающие характеристики, то при прохождении через защищаемый трансформатор сквозного тока внешнего к.з. или тока нагрузки ток в реле диф. защиты трансформатора будет отсутствовать:

Ip=I1-I2=0 т.к. I1=I2

Практически из-за несовпадения характеристик трансформаторов тока вторичные токи не равны I1≠I2 и в реле протекает ток небаланса:

Ip=I1-I2=Iнб

Для того чтобы защита не действовала от тока небаланса, её ток срабатывания выбирается по условию: Iс.з.>Iнб.

При к.з. в трансформаторе или любом другом месте между трансформаторами тока (в зоне действия диф.защиты) направление тока I2 изменится на противоположное и ток в реле станет равным:

Ip=I1+I2>Iс.з.

Под влиянием этого тока защита срабатывает и производит отключение поврежденного трансформатора от источников питания.

Особенности выполнения диф. защит трансформаторов

При выполнении диф.защит трансформаторов и автотрансформаторов необходимо учитывать следующее:

1. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине.

Соотношение токов определяется коэффициентом трансформации силового

трансформатора: N = III , поэтому ток III на стороне НН трансформатора в режимах

II

нагрузки и внешнего к.з. всегда больше тока II на стороне ВН: III>II.

2.В трансформаторах с соединением обмоток «звезда-треугольник» (Υ/ ) и «треугольник-звезда» ( /Υ) первичные токи обмоток трансформатора различаются не только по величине, но и по фазе.

Втрансформаторах с соединением обмоток «звезда-звезда» токи или совпадают по фазе, или сдвинуты на 1800.

Векторная диаграмма первичных и вторичных токов представлена на рис. 8-2.

Рис. 8 2. Векторная диаграмма первичных и вторичных токов

а) при соединении обмоток /Υ

При наиболее распространенной 11-ой группе соединения обмоток силового трансформатора линейный ток на стороне «треугольника» опережает линейный ток со стороны «звезды» на 300.

Таким образом, чтобы поступающие в реле диф. защиты трансформатора токи были равны, необходимо применять специальные меры по выравниванию вторичных токов трансформаторов тока как по величине так и по фазе.

Выравнивание величин вторичных токов в плечах диф.защиты выполняется подбором соответствующих коэффициентов трансформаторов тока диф. защиты или применением специальных трансформаторов (автотрансформаторов) компенсирующих различие во вторичных токах трансформаторов тока (рис. 8-3). Уравнительные обмотки диф. реле.

Рис. 8 3. Выравнивание вторичных токов в схеме диф. защиты трансформатора

а) с помощью промежуточного автотрансформатора АТ

Для компенсации сдвига фаз токов силовых трансформаторов, соединенных по схеме Υ/ или /Υ, необходимо трансформаторы тока на стороне «звезды» силового трансформатора соединять в «треугольник», а на стороне «треугольника» силового трансформатора – «в звезду» (рис. 8-4).

Рис. 8 4. Компенсация углового сдвига токов в схеме диф.защиты

(Как правило, вторичные обмотки со стороны «звезды» обмотки ВН силового трансформатора соединяются в такой же «треугольник» как и обмотка НН силового трансформатора, а вторичные обмотки ТТ со стороны «треугольника» обмотки НН силового трансформатора, соединяются в такую же «звезду», как и обмотка ВН силового трансформатора).

Токи небаланса в дифференциальных защитах трансформаторов

Таки небаланса в диф. защитах трансформаторов определяются большим числом факторов, чем в защитах генераторов и имеют повышенные значения.

Во-первых, трансформаторы тока диф. защиты трансформаторов устанавливаются на сторонах силового трансформатора, имеющих различные напряжения, поэтому они отличаются друг от друга по типам, нагрузкам и кратностям токов внешнего к.з. Всё это обуславливает наличие разных погрешностей у разных групп ТТ, что приводит к появлению повышенных токов небаланса в дифференциальной цепи защиты при внешних к.з.

Во-вторых, при регулировании коэффициента трансформации силового трансформатора соотношения между первичными, а следовательно, и между вторичными токами ТТ, установленных в разных плечах диф. защиты, изменяется, что также приводит к появлению тока небаланса в диф. защите .

Кроме того, диф. защиту трансформатора необходимо отстраивать от броска тока намагничивания который появляется при включении трансформатора под напряжение, а также при восстановлении напряжения на нём после отключения внешнего к.з.

В нормальном режиме (силовой трансформатор под напряжением) ток намагничивания имеет незначительную величину: Iнам=(0,02÷0,03)Iт.ном.

В режимах включения силового трансформатора под напряжение и после отключения внешнего к.з. бросок тока намагничивания (значительно превышает номинальный ток трансформатора): Iбр.нам=(6÷7)Iт.ном.

Резкое возрастание тока намагничивание объясняется насыщением магнитопровода силового трансформатора. Характер изменения тока намагничивания во времени показан на рис. 8-5,а.

Рис. 8 5. Характер изменения намагничивающего тока (а) и магнитные потоки в сердечнике трансформатора при включении его под напряжение (б).

При включении силового трансформатора под напряжение возникает переходной процесс, сопровождающийся появлением двух магнитных потоков (рис. 8-5, б), установившегося ФУ и свободного затухающего апериодического ФСВ. Результирующий магнитный поток ФТ=ФУ+ФСВ в момент включения ФТО=0 и поэтому ФСВО=-ФУО. Во втором полупериоде знаки обоих потоков совпадают и результирующий поток достигает максимальной величины ФТ.мак.

Наибольшее значение ФТ макс и следовательно Iбр.нам имеет место при включении трансформатора в момент когда мгновенное значение напряжения на трансформаторе равно нулю. В этом случае магнитный поток ФТ в сердечнике трансформатора в начальный момент содержит большую апериодическую составляющую ФСВО и превышает при переходном процессе установившееся значение ФУСТ в 2 раза. Зависимость Ф=f (Iнам) нелинейна и поэтому ток намагничивания увеличивается по отношению к установившемуся значению в сотни раз. Бросок тока намагничивания, как правило, имеет большую апериодическую слагающую и значительный процент высших гармоник. В результате кривая Iнам может оказаться смещённой в одну сторону от оси времени.

В общем случае суммарный расчётный ток небаланса имеет несколько слагающих:

Iнб=IнбТТ+Iнб.рег.+Iнб.выр.+Iнб.нам.

Ток Iнб.ТТ определяется наличием неодинаковых токов намагничивания у ТТ (наличием погрешностей ТТ) и вычисляется по формуле:

Ток Iнб.рег появляется при изменении (регулировании) коэффициента трансформации N силового трансформатора и вычисляется по формуле:

Iнб.рег= Uрег Iк.макс

На трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой (с РПН) возможны Uрег≤ ±0,15÷0,2. При регулировании на отключённом трансформаторе Uрег≤

±0,05.

Ток Iнб.выр= fвырIвн определяется неточностью выравнивания величины вторичных токов ТТ плеч защиты.

Ток Iнб.нам представляет собой ток намагничивания защищаемого силового трансформатора, который может достигать значений намного больших Iном трансформатора в виде броска тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение.

Полный ток небаланса будет равен:

Iнб=(Ка Кодн f+ Uрег+ fвыр)Iк.макс+Iнам

Для предотвращения работы диф. защиты от токов небаланса ток срабатывания защиты выбирают из условия:

Iс.з.>Iнб.

Очевидно, что для повышения чувствительности диф. защиты необходимо принимать меры по снижению величины тока небаланса.

Для уменьшения составляющей Iнб.ТТ тока небаланса коэффициенты трансформации ТТ подбирают так, чтобы обеспечивались равные токи в плечах диф. защиты.

Кроме того, ТТ выбирают по кривым предельной кратности так, чтобы их погрешность не превышала 10%.

Для отстройки диф. защиты от токов небаланса при внешних к.з. и от бросков тока намагничивания применяют специальные диф. реле с БНТ (реле типа РНТ) и диф. реле с торможением (реле типа ДЗТ).

Схемы дифференциальных защит трансформатора

На практике применяют схемы диф. защиты различной сложности и с использованием разных способов отстройки от внешних к.з. и от бросков намагничивающих токов.

В простейшем случае в защите используют обычные реле тока (типа РТ-40) без замедления. Такую защиту называют дифференциальной отсечкой. Принципиальная схема диф. отсечки 2-х обмоточного трансформатора приведена на рис. 8-6.