Виды повреждений
Рис. 1. Повреждения трансформаторов
В связи с тем, что трансформатор включается в работу совместно с другими устройствами, любые повреждения на питающей линии, в низковольтных цепях или внутри бака одинаково опасны.
Среди актуальных видов аварий следует отметить следующие:
- Короткое замыкание между обмотками;
- Замыкание обмотки на корпус;
- Межфазные замыкания в линии;
- Межвитковые замыкания;
- Повреждение встроенного оборудования;
- Перегрев мест подключения, электрических контактов;
- Обрыв в цепи, нарушение целостности точек подключения или обмоток;
- Нарушение крепления железа, расшихтовка листов при ослаблении стяжек ярма с последующим перекрытием или разрушением витков.
Пленочная защита трансформаторного масла
Наиболее совершенной является пленочная защита масла трансформатора. Расширитель изготавливается разъемным. Он наполняется маслом точно до разъема и накрывается маслостойкой пластиковой пленкой. Пленка собрана в складки., .При расширении масла пленка надувается пузырем, но с каким-либо газом масло в соприкосновение не приходит, и его качество (дегазованность) сохраняется полностью (рис.5).
Рис.5. Пленочная зашита трансформаторного масла: Кр. Тр-ра — крышка трансформатора; ГР -газовое реле; Р -расширитель; М — масло; В — воздух; П — пленка, разделяющая масло и воздух
Рис.5. Термосифоны для сушки масла трансформатора: а — установка термосифона, б-г — конструкции термосифонов на 10 — 200 кг адсорбента силикагеля. I — бак трансформатора; 2 — расширитель; 3 — газовое реле; 4 — термосифонный фильтр; 5 — воздухоосушителъ на. дыхательной трубке
Защита масла от увлажнения выполняется посредством термосифонных фильтров ТСФ (рис.5). ТСФ — это сосуд, наполненный адсорбентом — обычно силикагелем или алюмогелем — веществом, впитывающим в свои поры влагу, но не вступающим с ним в химическую реакцию. Когда силикагель насытится водой, его заменяют на свежий, а влажный сушат при 400-500°С.
В адсорбент добавляется 3% хлористого кобальта. Его нормальный цвет — голубой. При насыщении силикагеля влагой индикатор становится розовым. За цветом индикатора можно наблюдать через окно ТСФ. Количество адсорбента — около 1% масла в трансформаторе. Для мощных трансформаторов — 0,75%.
Масло циркулирует через ТСФ естественным путем: горячее масло поступает сверху ТСФ и, остывая, опускается вниз, отдавая по пути влагу силикагелю.
Деление защит трансформаторов на основные и резервные
Любой вид повреждения в трансформаторе несет потенциальную опасность, как целостности оборудования, так и надежности работы всей энергосистемы. Поэтому крайне важно грамотно отстраивать работу защит на электростанциях, тяговых и трансформаторных подстанциях, местных КТП и ТП. Для этой цели защита трансформатора условно подразделяется на две категории – основную и резервную.
Основная защита – это такой вид автоматики, который направлен на анализ внутреннего состояния трансформатора (обмоток, железа, дополнительного оборудования). Данный тип охватывает как само устройство, так и прилегающие к нему шины, провода и т.д.
Резервная защита охватывает те нарушения в работе, которые происходят за пределами трансформатора, но могут непосредственно повлиять на его проводники и внутренние элементы. Это всевозможные перегрузки, замыкания и перенапряжения в линиях, на смежных устройствах и т.д.
Рис. 2. Основные и резервные защиты
Азотная защита трансформаторного масла
Трансформатор герметизирован полностью. Воздух заменен сухим азотом. Избыточный азот при расширении масла вытесняется в эластичную емкость (рис.4).
Объем емкости для расширения азота выбирается из расчета
(м3),
где (т) — масса масла в трансформаторе.
Рис.4. Азотная защита трансформатора: А — азот, 1-бак трансформатора, 2 — газовое реле, 3 — расширитель, 4 — термосифонный осушитель, 5- запорный вентиль, 6 — емкость для эластичного мешка с азотом
Со временем масло насыщается азотом. Это не безвредно для изоляции трансформатора: при нагревании выделяются пузырьки азота, которые могут сильно ухудшить диэлектрическую прочность изоляции.
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
Рис. 4. Пример токовой отсечки
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
Рис. 6. Пример максимальной токовой защиты
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
Рис. 7. Пример токовой защиты 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.
Более подробно о таком типе защиты в статье
Принцип работы газовой защиты
В типовой защите силового трансформатора вы сможете найти газовое реле. Реле состоит из двух отделений, которые выполняют разнообразные функции. Первая камера будет служить для контроля нагнетающего газа из масла. Ее необходимо установить возле расширительного бака. Когда масло дойдет до определенного уровня, тогда бак начнет его выпускать в определенных количествах. В этой ситуации сигнализатором будет служить специальный поплавок.
Индикатор не всегда будет показывать уровень масла. Иногда это устройство будет контролировать проходимость газов диагностируя работу трансформатора. Настроить правильную работу этого реле сможет специальный работник. Второе отделение устройства будет подключено к контуру трансформатора и будет его соединять, открывая путь для поднимающегося газа.
Мембрана в расширительном баке будет выступать в качестве индикатора изменения давления. Если давление повысится, тогда этот процесс сожмет мембрану и диафрагма начнет двигаться. Также движение может происходить в результате изменения атмосферного давления. В результате этого процесса трансформатор прекратит свою работу. Мембрана газового реле – это нежная антикоррозийная деталь, которая может перестать работать корректно при малейшем повреждении.
