Защита трансформаторов от перегрузки — принцип действия

Все оборудование, используемое в силовых установках или для бытовых нужд (автотрансформаторов), стандартно защищено от кратковременных перегрузок и отключений от сети. Защита блока генератора трансформатора (ГОСТ 2487-81) от перенапряжений нужна, чтобы убедиться, что устройство выдержит напряжение гораздо больше заданного лимита, для этого осуществляется выбор предохранителя. Это значит, что при сбое подачи электрической энергии, несколько устройств одновременно начнут нормализовать напряжение, из-за чего проблема решится гораздо быстрее.

Виды защит силовых трансформаторов (основные виды защиты и резервные):

• Предохранители или трехфазные выключатели. Могут контролировать достаточно мощную сеть, а также помогают от грозовых скачков напряжений, очень эффективны в условиях производства или стабилизации напряжения и защиты многоэтажных домов;
• Управляемые реле, которые косвенно действуют на выключатель катушки;
• Пожарная защита (использование жаростойких материалов);
• Дифференциальная защита трансформатора;
• Газовая защита трансформатора (азотная);
• Страховка при помощи специальных компьютерных программ.

Видео: проверка защиты трансформатора

9-2. Дифференциальная защита

а) Область применения и принцип действия

Дифференциальная защита применяется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Ввиду ее сравнительной сложности дифференциальная защита устанавливается не на всех трансформаторах (автотрансформаторах), а лишь в следующих случаях [Л. 41]:

1) на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВ *А и выше;

2) на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4 000 кВ *А и выше;

3) на трансформаторах мощностью 1 000 кВ*А и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 1 с.

При параллельной работе трансформаторов (автотрансформаторов) дифференциальная защита обеспечивает не только быстрое, но и селективное отключение поврежденного трансформатора (автотрансформатора), что поясняется на рис. 9-1.

Разновидности защит и их суть

Все защиты для трансформаторов должны обладать достаточным быстродействием, чтобы вовремя отключить опасный режим. Так как при возникновении сверхбольших электрических величин он запросто приведет к разрушению изоляции, отпуску металла, возгораниям и прочим неприятным последствиям.

Для предотвращения перегрузок выполняется установка того или иного вида защиты на трансформатор. Какая именно защита используется на понижающих подстанциях, в оборудовании распределительных устройств, определяется местными условиями и особенностями режима работы.

Продольная дифференциальная защита

Область применения дифференциальной токовой защиты охватывает как сам силовой трансформатор, так и окружающие его присоединения вплоть до измерителей токовой нагрузки. Нормальным режимом работы каждого трансформатора считается равномерное перераспределение нагрузки между всеми тремя фазами, когда электрический ток в каждой из них получается приблизительно одинаковым.

Продольные дифференциальные защиты осуществляют сравнение токовой нагрузки во всех фазах. Так как ток примерно одинаков, то их геометрическая сумма должна равняться нулю. В результате сравнения получается, что токовая составляющая отсутствует или слишком мала для реакции. Но, как только произойдет замыкание одной фазы или сразу между несколькими, токи в них перестанут компенсировать друг друга, и их сумма будет отличаться от нуля, сработает дифференциальная отсечка.

Рис. 3. Пример дифференциальной защиты

Релейная

Для предотвращения повреждения трансформаторов применяется достаточно большое количество релейных защит. Однако отдельного внимания заслуживает реле контроля уровня масла. Этот вид предусматривает контроль за состоянием изоляционной среды. Конструктивно реле представляет собой поплавок с контактами, который удерживается выше контактов цепи срабатывания.

Если аварийный режим приведет к утечке масла и последующему снижению менее нормы, после которой может произойти пробой, произойдет отключение. Может располагаться в основном баке или иметь резервную релейную защиту в расширителе, которая предварительно даст сигнал о начале процесса.

Тепловая

Основой для тепловой защиты в трансформаторах служит классическая термопара. Место ее расположения определяется типом устройства, его мощностью и габаритами, так как перегрев может привести к нарушению изоляционных свойств, привести к термическому расширению масла.

К наиболее эффективным местам размещения относятся:

• в верхней части бака;
• у высоковольтных вводов;
• в обмотках.

Имеет две ступени – первая производит включение резервных вентиляторов или других средств охлаждения. Вторая, если первой не удалось сбросить перегрев ниже предельного значения, производит отключение трансформатора.

Токовая отсечка

Данный вид защиты применяется для отключения повреждения, которое могло возникнуть внутри трансформатора. Она размещается со стороны вводов защищаемого трансформатора, однако воздействие охватывает все обмотки, с которых может быть подано напряжение. Особенностью ее применения является схема питания, которая используется в соответствующей линии.

Так для трехфазных цепей с изолированной нейтралью токовая отсечка должна устанавливаться в двух фазах. А при использовании цепей с глухозаземленной нейтралью защита должна применяться в каждом фазном присоединении. При отключении трансформатора полностью отсутствует какая-либо выдержка времени.

Недостатком отсечки является срабатывание исключительно на токи большой величины. Поэтому некоторые межфазные КЗ, межвитковых или КЗ на землю в цепи с изолированной нейтралью могут остаться незамеченными. На практике это один из самых простых способов, отключающих трансформатор в аварийном режиме.

Газовая защита

Газовое реле, как вид защиты, нашло широкое применение в маслонаполненных трансформаторах, где роль диэлектрика, разделяющего токоведущие элементы и заземленную конструкцию корпуса, выполняет трансформаторное масло. В нормальном режиме работы понижающие трансформаторы не воздействуют на жидкий диэлектрик, и масло пребывает в постоянном физическом состоянии.

Но, в случае возникновения межвитковых замыканий, контакта проводников со сталью или других ситуаций внутри бака горение дуги или разогрев металла приводит к локальному закипанию масла. От этого места и начинается выделение газов, которые поднимаются в верхнюю точку емкости.

Рис. 5. Пример газовой защиты

Для всей емкости верхняя точка – это расширительный бак, поэтому устанавливают газовое реле в соединительной трубе между расширителем и баком трансформатора. Конструктивно газовая защита представляет собой поплавок, с двумя контактами. При погружении в масло поплавок находится в незамкнутом положении. Как только выделившиеся газы поднимутся по трубе, поплавок упадет и замкнет контакты, масляный трансформатор отключится.

Струйная защита

Используется в трансформаторах с первичными и вторичными обмотками на 110, 35, 10, 6, 3,3кВ, где присутствует возможность переключения величины напряжения под нагрузкой. Устройство РПН, как правило, размещается в отдельном баке внутри основного, который изолирует его от высоковольтных обмоток. Переключение позиций РПН под нагрузкой может обуславливать как штатные коммутационные явления, так и аварийные. Последние приводят к выбросу масла от бака к расширителю.

Для реакции на такие повреждения и устанавливается струйная защита, так как поток масла от РПН активирует измерительный датчик. Далее происходит отключение выключателя, который обесточит обмотки трансформатора.

Максимальная токовая защита

Максимальная токовая защита применяется для срабатывания в ответ на токи КЗ, расположенные в непосредственной близости к источнику. Сюда относятся повреждения как на обмотках, так и на ближайших шинах подстанции, в окружающем оборудовании и ит.д.

На практике выделяют большое количество вариантов исполнения МТЗ:

• От внутренних и внешних КЗ;
• МТЗ с комбинированным пуском по напряжению;
• МТЗ с пуском по напряжению и фильтром напряжения обратной последовательности;
• Обратной последовательности комбинированная с устройством против трехфазных КЗ;

Помимо аварийных режимов для МТЗ может устанавливаться режим защиты от перегрузки. Для этого устанавливается ток срабатывания в определенных пределах. Уставка выбирается исходя из максимального значения нагрузки, чтобы не происходило срабатывания автоматического выключателя в нормальном режиме работы.

Токовая защита нулевой последовательности

Предназначена для защиты трансформатора от возможного замыкания как одной, так и двух фаз на землю. Это те ситуации, когда в трехфазной системе нарушится симметрия нагрузки и относительно нулевой точки сумма токов больше не будет равна нулю.

Равновесие системы нарушится, что и спровоцирует отключение питания спустя заданный временной промежуток. Часто комбинируется с АПВ, тогда через несколько секунд происходит повторное включение выключателя, на случай если замыкание самоустранилось.

Специальная резервная защита

Специальная резервная защита предназначена для автономного резервирования МТЗ по токовым цепям. Может использоваться как по высокой, так и по низкой стороне трансформатора. Их действие нацелено на первичные и вторичные максимальные токи, которые могут возникнуть в непосредственной близости от защищаемого объекта. Работа СРЗ, как правило, имеет выдержку по времени относительно основных МТЗ по стороне 110 – 220 кВ.

Токовая ступенчатая защита

Как и предыдущий вариант, представляет собой разновидность МТЗ, которая выстраивается в ключе последовательности срабатывания для разных обмоток. Широко используется в цепях, где потребители подключаются к источнику с большими пусковыми токами. Однако чувствительность максимальной защиты имеет дополнительную привязку к напряжению, что и обеспечивает блокировку автоматического отключения в случае запитки слишком мощной нагрузки, так как просадка напряжения не достигает установленного предела.

Ступени отстраиваются с таким временным промежутком, чтобы воздействие на выключатели нагрузки производились после основной токовой защиты.

Защита от минимального напряжения

В случае снижения питающего напряжения возможны два варианта развития событий – удаленное короткое замыкание, которое другими защитами распознается как большая нагрузка или подключение слишком большой суммарной нагрузки. И тот и другой вариант пагубно сказывается на работе трансформатора, поэтому и при аварийном режиме, и при перегрузке устанавливается выдержка времени, после которой происходит один из таких вариантов:

• отключение аварийного участка;
• вывод неприоритетных потребителей из работы;
• автоматическое включение резерва.

Основные защиты трансформатора

Любая релейная защита трансформатора направлена на срабатывание при повреждении или же ненормальном режиме работы этого устройства. Нужно отметить, что некоторые из них направлены на мгновенное отключение в случае аварии, а другие только подают предупреждающий сигнал персоналу. В свою очередь, персонал уже действует по инструкциям, которые разработаны непосредственно и индивидуально для каждой схемы снабжения и распределительной подстанции. Для того чтобы было видно какой тип аварии произошёл применяются параллельно и сигнальные реле (блинкер), которые должны быть подписаны в соответствии с правилами.

Для защиты трансформатора применяется целый комплекс мероприятий и электромеханических схем, вот основные из них:

1. Дифференциальная защита. Она предохраняет от повреждений и коротких замыканий как в обмотках, так и на наружных выводах. Действует только на отключение;
2. Газовая защита. Защищает от превышения давления внутри расширительного бачка вследствие выделения газов или же выброса масла, а также от снижения его уровня ниже определённого критического показания;
3. Тепловая защита. Она организована в основном на термосигнализаторах (ТС), которые подают сигнал на пульт персонала или же на включения вентиляторов охлаждения. Такой вид дополнительной защиты служит как предупреждающий при начальных стадиях аварийных ситуаций. При этом выбор самого ТС не важен, главное, выставить правильно диапазон, при котором должен подаваться сигнал. Максимально допустимый нагрев масла составляет 95 градусов;
4. Защита минимального напряжения. Предусматривает отключение при снижении входного уровня напряжения ниже допустимого. Зачастую имеет выдержку времени, которая даст возможность не реагировать на небольшие просадки;
5. От замыкания на землю. Выполняется путём установки трансформаторов тока в соединение корпуса и заземляющего контура;
6. Максимальная токовая (МТЗ) выполняет роль защитного механизма как при коротких замыканиях в цепи вторичного тока, так и при больших перегрузках.

Защита трансформатора дифференциальная

Это одна из самых быстродействующих и важных защит, которая необходима для надёжной эксплуатации следующих трансформаторов:

1. На понижающих одиночно работающих трансформаторах мощность которых выше чем 6300 кВА;
2. При параллельной работе данных устройств с мощностью 4000 кВА и выше. При этом таком подключении данная защита является гарантией не только быстродействия, но и селективного отключения только того устройства, которое повреждено, а не полного обесточивания питаемого электрооборудования повлекшее за собой потери в производстве продукции или в появлении бракованных изделий;
3. Если МТЗ трансформатора не даёт необходимой чувствительности и скорости отключения, и может срабатывать с выдержкой времени более одной секунды;
4. Если трансформаторы меньшей мощности, то применяется обычная токовая отсечка, подключенная к реле тока.

Принцип действия дифференциальной защиты основан на сравнении тока, а точнее, его величины. Сравнивание происходит в конце и в начале защищаемого участка. Участком в данном случае служит одна из понижающих обмоток. То есть один трансформатор тока устанавливается с высокой, а другой с низкой стороны.

На схеме видно подключение трансформаторов ТТ1 и ТТ2 соединенных последовательно. Т — это реле тока, которое остаётся в бездействии при нормальной работе, когда токи одинаковы, то есть их разность будет равна нулевому значению. Во время возникновения короткого замыкания в защищаемом участке цепи появится разность токов и реле втянется, тем самым отключив трансформатор от сети. Такой вид защиты будет срабатывать как при межвитковых, так и при межфазных замыканиях. Мгновенная работа такого защитного оборудования не требует выдержки времени, так как её быстрое срабатывание является её основным положительным фактором. Выбор вставки срабатывания реле Т должен выполнятся электротехническими лабораториями или же проектировщиками данного оборудования. Для каждого конкретного случая уровень тока втягивания реле можно изменять, чтобы не было ложных срабатываний.

Принцип действия газовой защиты трансформаторов

Газовая защита силовых трансформаторов основана на работе газового реле, которое и изображено на рисунке.

В специальном окошке при выделении газов можно увидеть пузырьки.

Реле представляет собой металлический сосуд, в котором расположены два специальных поплавка. Они врезаны в наклонный трубопровод. В свою очередь, данный трубопровод является связывающим звеном между охлаждающий корпусом имеющим радиатор и расширительным баком.

Если трансформатор находится в рабочем исправном состоянии газовое реле его наполнено трансформаторным маслом, а поплавки реле находятся в определённом нерабочем состоянии, так как внутри их масло. Поплавки непосредственно соединены с контактной группой, которая имеет аварийный и предупредительный сигнал. В нормальном состоянии контакты находятся в разомкнутом положении. При нагреве масла в случае ненормального процесса в работе из него выделяется газ, который по закону физики легче, естественно, подымается вверх. На пути газов находится газовое реле и его поплавки, которое при накоплении определённого количества поднимающего его газа начинает движение, чем и размыкает первую ступеньку. При более бурном развитии событий и второй поплавок приводится в движение и замыкает уже вторую ступень которая приводит к отключению. Взятие пробы масла и его проверка, а также химический анализ позволяет определить суть повреждения.

Из практики же не каждое срабатывание газового реле приводит к взятию проб и анализу масла, иногда при заливке может попасть в систему воздух которой во время эксплуатации будет подниматься и сможет стать причиной срабатывания данной защиты. Для этого нужно всего лишь открыть специальный краник (вентиль), находящийся на корпусе реле и выпустить воздух. Эта процедура выполняется при первом срабатывании предупредительного поплавка.

Выбор самого реле основывается на конструкции трансформатора и его габаритах. Очень часто применяются несколько типов данного устройства РГЧЗ-66, ПГ-22, BF-50, BF-80, РЗТ-50, РЗТ-80. Все они имеют смотровое окошко и герметичный корпус.

Газовая защита трансформатора и принцип действия, работы в принципе несложны стоит только один раз разобраться в них.

Максимальная токовая защита трансформатора

Основную роль отключающего устройства при повышении критического уровня тока, для трансформаторов не масляных и обладающих малой мощностью, служит предохранитель. Такой элемент защиты даёт возможность персоналу, не понимающему причины отключения, повторно произвести включение, которое может принести вред оборудованию или пожар. Предохранителями оборудованы также измерительные трансформаторы напряжения, которые расположены на подстанциях в ячейках КРУ, в таких же, как и масляные выключатели. Они предназначены для измерения напряжения в сети 6000 кВ и выше, а также для цепей защиты от повышенного или пониженного напряжения.

Для трансформаторов выбор предохранителей осуществляется из такого соотношения

Iвс — ток плавкой вставки предохранителя;

Iн. тр. — номинальный ток первичной обмотки трансформатора, в цепь которого он и устанавливается.

Предохранитель — самый простой способ защитить трансформатор от превышения тока.

Ток срабатывания максимальной защиты при установке её с низшей стороны, выбирается в соответствии с величиной нагрузки, на которую рассчитан трансформатор. Конечно же, выбирая релейную защиту данного устройства, стоит учесть также пусковые кратковременные токи, которые возникают при запусках электрических вращающихся машин. Работа таких защит основана на трансформаторах тока, вот парочка самых распространённых схем подключения.

Здесь имеется два уровня (степени) отключения, один может быть отключением от перегрузов, а другой уже срабатывает как максимальная токовая отсечка, при значительном повышении тока в контролируемых цепях, в том числе и при К.З. Цифрой 6 обозначены измерительные приборы.

Ниже представлена более усовершенствованная и развёрнутая схема уже непосредственно с подключением реле в цепи катушек маслинных выключателей.

Читайте также

2.10. Повреждения при работе трансформаторов

2.10. Повреждения при работе трансформаторов В процессе эксплуатации могут возникнуть неполадки в работе трансформаторов, с одними из которых трансформаторы могут длительно оставаться в работе, а при других требуется немедленный вывод их из работы.Причинами повреждений

5.1. Обслуживание трансформаторов тока

5.1. Обслуживание трансформаторов тока Трансформатор тока (ТТ) — это измерительный элемент, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол,

5.2. Обслуживание трансформаторов напряжения

5.2. Обслуживание трансформаторов напряжения Трансформатор напряжения (ТН) — это измерительный трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичное напряжение практически пропорционально первичному напряжению и при правильном включении сдвинуто

5.3.7. Нагрузочная способность трансформаторов

5.3.7. Нагрузочная способность трансформаторов Нагрузочной способностью трансформаторов называется совокупность допустимых нагрузок и перегрузок трансформатора. Исходным режимом для определения нагрузочной способности является номинальный режим работы

5.3.9. Мощности и напряжения КЗ трансформаторов

5.3.9. Мощности и напряжения КЗ трансформаторов Мощности и напряжения КЗ трансформаторов и АТ 220–750 кВ установлены в ГОСТ 17544—85 и отражают сложившуюся в 60–70 гг. прошлого столетия ситуацию с развитием энергетики СССР и потребности в силовых трансформаторах в условиях

3.4.1. Защита трансформаторов Т4, Т5, Т6

3.4.1. Защита трансформаторов Т4, Т5, Т6 Трансформаторы 10/0,4 кВ мощностью до 0,63 МВ-А подключаются к электрической сети через предохранители. Предохранители для трансформаторов выбираются по следующим условиям:номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать

• Предохранители и трехфазные выключатели,
• Газовая защита,
• Автоматическая релейная защита,
• Дифференциальная защита.

Предохранители и трехфазные выключатели

Данный вид защиты применяется для контроля в мощных распределительных сетях. Предохранители и трехфазные выключатели осуществляют защиту от грозовых скачков напряжения. Очень эффективны в условиях производства для защиты и стабилизации напряжения.

Газовая защита

В стандартных защитах силовых трансформаторов имеются газовые реле, состоящие из двух отделений. Первое отделение служит для контроля нагнетающего газа из масла, устанавливается над расширительным баком. Когда уровень газа, проходящего через масло, доходит до максимума, реле начинает выпускать газ. Данный процесс происходит в виде небольших выхлопов или постепенного открытия клапанов. Сигнализатором уровня газа служит поплавок.

Газовое реле поплавкового типа: 1 — корпус, 2,5 — контакты, 3 — стержень, 4 — изоляция выводов, 6 — крышка, 7 — рамка, 8 — ось, 9 — верхний поплавок, 10 — нижний поплавок.

Газовое реле РГТ-80

Индикатор может не только показывать уровень, но и контролировать проходимость газов, а так же диагностировать работу трансформатора в целом.

Второе отделение реле подключается к масляному контуру трансформатора и соединяет его вертикальные каналы, открывая путь для поднимающегося газа.

Мембрана в расширительном баке является индикатором изменения давления. Повышение давления масла сжимает мембрану, диафрагма начинает двигаться. Движение диафрагмы может спровоцировать изменение атмосферного давления. При движении диафрагмы срабатывает специальный клапан отключающий трансформатор и включающий короткозамыкатель. Мембрана газового реле довольно хрупкая деталь, перестающая корректно работать при минимальном отклонении или повреждении (нуждается в полной замене).

Автоматическая релейная защита

Реле защиты трансформатора представляет собой небольшую емкость с маслом совмещенную с соединительной трубкой, выходящей из главного резервуара устройства. Реле используются в таких установках как трансформаторы дуговой плавки, морская техника и д.р. Реле защищают трансформаторы от коротких замыканий. Реле защиты состоят из двух элементов: резервуара и поплавка. Поплавок двигается вверх или вниз в зависимости от уровня масла, на поплавке устанавливается ртутный выключатель.

Нижний элемент реле состоит из перегородки ртутного индикатора. Данный элемент крепится напротив входа реле в трансформатор таким образом, что при поступлении масла с высоким давлением происходит его вытеснение.

Принцип действия релейной защиты довольно прост. Ртутный индикатор отключает трансформатор от сети когда падает уровень масла в баке трансформатора. Уровень масла подает в случае различных неисправностей, таких как нарушение изоляции, поломка сердечника и д.р.

Принцип выполнения реле РНТ

Дифференциальная защита трансформаторов

Дифференциальная защита устанавливается в высоковольтных сухих трансформаторах мощностью не более 5MVA с выключателями и контроллерами для защиты от замыканий и перенапряжений.

У дифференциальной защиты есть ряд преимуществ:

• Есть возможность обнаружения неисправности в ТМГ изоляционного масла,
• Дифференциальное реле сразу реагирует на любые повреждения цепей в зависимости от их классификации.
• Данные защитные устройства могут самостоятельно выявлять практически все ошибки.

Дифференциальные реле имеют самый простой принцип работы и устанавливаются непосредственно в трансформаторный шкаф. Реле сравнивают первичный и вторичный ток, в случае дисбаланса срабатывает защита.

Защита трансформатора в целом основана на контроле неравенства различных номинальных показателей: уровня масла, тока, напряжения сети и т. д.

Защита трансформаторов. Видео

Видео ниже рассказывает об особенностях дифференциальной защиты трансформаторов.

Дифференциальная защита – важное мероприятие для стабилизации работы электрооборудования и ЛЭП. Современные технологии разработаны с учетом особенностей работы практически каждого электротехнического устройства. Эффективно запроектированная дифзащита позволяет повысить надежность линий и оборудования и снизить стоимость их эксплуатации.