Защита трансформатора от перегрузки

Оценка необходимости установки ОПН

В современных трансформаторных подстанциях, как внутризаводских, так отдельно стоящих, напряжение от внешнего источника электроэнергии подается на трансформатор через распределительное устройство высокого напряжения (РУВН). Одним из компонентов РУВН является вакуумный выключатель (ВВ). При наличии ВВ, как было описано выше могут возникать перенапряжения, приводящие в повреждению обмоток.

Однако в последнее время ведущие производители электрооборудования, такие как Shneider Electric, Eaton, предлагает малогабаритные распределительные устройства (РУ), которые имеют в своем составе коммутационное оборудование, лишенное недостатков, свойственных подробно описанным выше вакуумным выключателям.

Гашение электрической дуги в РУ производства Shneider Electric, RM6-ячейке осуществляется на основе принципа автодутья в элегазе что практически исключает срез тока и, соответственно, не приводит к возникновению перенапряжений. Т.е. здесь вопрос решен с помощью использования элегаза.

Компания Eaton в своем инновационном оборудовании Xiria решила вопрос в производимых ей компактных РУ конструктивным совершенствованием вакуумного выключателя. Здесь исключение среза тока достигается за счет разделение дуги на множество низкоэнергетических разрядов.

Как утверждают оба производителя, кратность коммутационных перенапряжений не превышает 1,4. А это полностью безопасно для обмоток трансформатора.

Таким образом, можно констатировать, что при использовании малогабаритных распределительных устройств Shneider Electric, RM6 и в РУ компании Xiria установка ОПН для защиты обмоток от перенапряжений не требуется.

Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам ООО «Трансформер» к.т.н. Печенкину В.И. и к.т.н. Стулову А.В. (г. Подольск), главному конструктору ООО «Трансформер» Трофимовичу И.А. , а также ведущему специалисту компании Eaton к.т.н. Москалеву М. за предоставленные материалы и за конструктивное обсуждение данной статьи.

Список литературы

1. ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7 .
2. Халилов Ф.Х. Классификация перенапряжений. Внутренние перенапряжения: Учебное пособие. — Санкт-Петербург: Издание НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2012. — 80 с.
3. Путова Т.Е., Малюшицкий П.Г., Вьюнов В.С. Особенности защиты оборудования коммутируемого вакуумными выключателями.
4. Беляков Н.Н. Защита от перенапряжений установок с вакуумными выключателями // Электрические станции, 1994. — № 9. — С. 65-71.
5. Перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями. Мнение мирового сообщества .
6. Назначение и принцип действия ОПН. .
7. Умное распределительное устройство. Shneider Electric .
8. Компактное распределительное устройство Xiria. .

Преимущества Реле РГТ-50 (РГТ-80)

1. Цельнолитые поплавки со встроенными управляющими магнитами.
2. Отсутствие механических связей поплавков с другими элементами реле.
3. Наличие единственного (кроме поплавков) подвижного элемента — напорной пластины, реагирующей на поток масла.
4. Магнитоуправляемые контакты (герконы) повышенной электрической прочности размещены вместе с соединительными проводами в корпусе контактного узла и полностью изолированы от масла.
5. Конструкция реле позволяет произвести осмотр и замену контактного узла без спуска масла и вскрытия реле.
6. Кнопка опробования обеспечивает проверку работы реле при действии поплавков и отдельно — при действии напорной пластины.
7. Реле обеспечивают возможность выполнения двух независимых отключающих и двух независимых сигнальных цепей.
8. Установочные и присоединительные размеры реле позволяют использовать их для замены реле, находящихся в эксплуатации.
9. Аналогами реле РГТ-50 (РГТ-80) являются реле РЗТ-50 (РЗТ-80) и реле BF-50 (BF-80).

КСО, КРУ, УБПВД, КРУН

Высокотехнологичное оборудование для электрических сетей компании «ЕССО-Технолоджи» включает следующие устройства:

• камеры сборные одностороннего обслуживания (КСО) для использования в закрытых распределительных устройствах общепромышленного назначения;
• устройства для безударного пуска высоковольтных электродвигателей (УБПВД), работающие с таким оборудованием, питающимся от сетей переменного тока, как центробежные насосы, компрессоры, вентиляторы и воздуходувки, экструдеры, ненагруженные конвейеры, моторгенераторы и т. п.;
• комплектные распределительные устройства (КРУ) для приема электроэнергии и ее распределения между отдельными потребителями. В частности, устройства серии КРУ 2–10 эксплуатируются в электрических установках трехфазного переменного тока частоты 50 и 60 Гц напряжением 6 (10) кВ в системах с изолированной нейтралью или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. Изготавливаются как для нужд народного хозяйства, так и для поставки на экспорт;
• комплектные распределительные устройства наружной установки (КРУН) для приема, распределения, учета и защиты электрических сетей переменного тока. Одно из новейших устройств данной линейки — КРУН 10 — предназначено для приема, распределения, учета и защиты электрических сетей переменного тока частотой 50 Гц напряжением 6 (10) кВ. Для эксплуатации этого устройства наружной установки не требуется постоянный обслуживающий персонал. КРУН 10 имеет группу механического исполнения М 40 по ГОСТ 17516.1 и пригодно для работы в районах с сейсмичностью до 7 баллов (включительно) по шкале MSK-64.

КРУН типа К-59 предназначены для приема и распределения электрической энергии переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 и 60 Гц напряжением 6 и 10 кВ. КРУН типа К-59 применяются в качестве распределительных устройств в том числе на трансформаторных подстанциях (включая комплектные, или блочные, трансформаторные подстанции).

Кроме указанных изделий, линейка продукции ООО «ЕССО-Технолоджи» включает:

• электропривод управления и регулируемые электроприводы для различных отраслей промышленности;
• несколько типов реле тока и реле времени с выдержкой на срабатывание, а также реле промежуточное для применения в схемах релейной защиты и противоаварийной автоматики;
• вакуумные контакторы и выключатели для коммутации электрических цепей, предназначенные для дистанционного пуска;
• пускатели электромагнитные и устройство плавного пуска для асинхронных двигателей;
• контактор КТ для включения (отключения) приемников и пр.

Измерение температуры термопарами

Принцип работы тепловой защиты трансформатора заключается в измерение температуры термопарами представляет большое удобство при проведении испытаний на нагрев, главным образом в тех случаях, когда возникает необходимость в определении температур отдельных точек конструкции трансформатора.

При помощи термопары может быть измерена температура не только на поверхности магнитопровода, но и в любой точке внутри его. Может быть также измерена наибольшая температура обмотки с помощью термопары, установленной в месте предполагаемого наибольшего нагрева обмотки. Можно сказать, что для измерения температуры термопарой недоступных мест нет. Но вместе с тем измерение термопарами бывает часто связано и с большими затруднениями, которые вызываются наличием в трансформаторах высокого напряжения. Поэтому установка термопар в обмотке и других узлах, находящихся под напряжением, не всегда возможна, так как она связана с опасностью для обслуживающего персонала во время испытания трансформатора.

Термопары могут быть широко использованы при измерении температуры магнитопровода и других заземленных узлов трансформаторов. Надо только проследить, чтобы провода термопар на своем пути были достаточно удалены от токоведущих частей трансформатора.
Установка термопар в обмотке (даже на изоляции) при наличии высокого напряжения практически невозможна.

В тех случаях, когда это вызывается особой необходимостью, измерение температуры обмоток термопарами допускается проводить только при испытании методом короткого замыкания. При этом возможность прикосновения обслуживающего персонала к измерительному прибору должна быть исключена.

Чтобы убедиться в надежности изоляции термопар после установки их и оборки трансформатора, перед началом испытаний на нагрев, изоляцию трансформатора следует испытать приложенным и индуктированным напряжениями на 30—40% больше того, которое будет при испытании.

Термопара состоит из двух проводников разнородных металлов. При нагреве места спая обоих проводников образуется э. д. с., величина которой зависит от примененных металлов и температуры нагрева спая.

В табл. 9-3 приводится э. д. с. термопар, выполненных из спая различных проводников.
При испытании трансформаторов обычно применяются термопары из проводников константана и меди К—Си диаметром 0,4—0,7 мм и длиной 5—20 м, хорошо изолированных друг от друга бумажной, шелковой или другой изоляцией.

Виды защиты силовых трансформаторов

• 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

Общий вид трансформатора

Принцип действия газового реле

В настоящее время самой распространенной защитой от внутренних повреждений трансформатора  является газовая защита. При повреждениях трансформаторов внутри кожуха происходит разложение масла и выделение его летучих соединений. Масса газа намного легче массы масла и за счет этого газы подымаются в самую высокую часть трансформатора, что дает соприкосновение с атмосферой. При значительных повреждениях происходит интенсивное газообразование, газы создают высокое давление и происходит движение в сторону расширителя. Таким образом, образование газов в кожухе трансформаторов свидетельствует о повреждениях внутри трансформатора. Эти признаки и являются показательными для защиты при помощи газовых реле РЗТ. Реле РЗТ ставят в трубу, которая соединяет кожух и и расширитель трансформатора так, чтобы через него проходили газы и потоки масла. В трубе также установлена задвижка, позволяющая предотвратить поступления масла в бак, ограничивающая пожар в баке.

Установка газового реле на трансформаторе

1. газовое реле;
2. расширитель

Устройство газовых реле

Конструктивно реле РЗТ выполнено из чугунного кожуха, который имеет вид патрубка с фланцами, внутри которого расположены два поплавка. Контакты поплавков замыкаются ртутью при определенном положении. Кожух реле всегда заполнен маслом, т.к. находится ниже уровня масла в расширителе. Контакты поплавком разомкнуты и занимают верхнее положение.

Устройство и схема поплавкового газового реле

При незначительных повреждениях газ медленно и небольшими пузырьками поднимается к расширителю. Проходит через реле, заполняя верхнюю часть кожуха и вытесняя масло. Далее, при понижении уровня масла опускается контакт и через некоторое время замыкается.

Если же повреждение значительное- то под  действием давления, созданного бурно образующимися газами масло дает толчок нижнему поплавку.

Схема газовых реле

а – с лопастными элементами; б — чашкообразного; а:

1. лопасть;
2. рамка;
3. ось лопасти;
4. ось рамки;
5. стойка;
6. отверстие, измеряющее наклон лопасти;
7. штифт, фиксирующий положения лопасти;
8. сигнальный поплавок;
9. ртутные контакты;
10. коробка для выводов

Широкое распространение в последние годы получили газовые реле производства запорожского завода «Фаза». Это газовые  и струйные реле РЗТ-25, РЗТ-50, РЗТ -80.  Изделия обладают устойчивыми эксплуатационными характеристиками, что позволяет использовать их как в условиях севера так и тропиков.

Схема газового реле РЗТ-50

Реле защиты трансформатора РЗТ имеют сертификат соответствия на территории таможенного союза. 

Как работает дифзащита трансформатора

Дифференциальная защита работает  на сравнении величин токов в начале и в конце защищаемого участка, например и начале и конце обмоток силового трансформатора, генератора и т. п. В частности, участок между трансформаторами тока, установленными на высшей и низшей сторонах силового трансформатора, считается защищаемой зоной.

Рис 1. Дифференциальная защита трансформатора: а — токораспределение при нормальном режиме, б — то же при коротком замыкании в трансформаторе

Действия при срабатывании дифференциальной защиты трансформатора поясняется рис.1.

С обеих сторон трансформатора устанавливаются трансформаторы тока TT1 и ТТ2, вторичные обмотки которых включены последовательно. Параллельно им подключается токовое реле Т. Если характеристики трансформаторов тока будут одинаковы, то в нормальном режиме, а также при внешнем коротком замыкании токи во вторичных обмотках трансформаторов тока будут равны, разность их будет равна нулю, ток через обмотку токового реле Т протекать не будет, следовательно, защита действовать не будет.

При коротком замыкании в трансформаторе и в любой точке защищаемой зоны, например в обмотке трансформатора, по обмотке реле Т будет протекать ток, и если его величина будет равна току срабатывания реле или больше его, то реле сработает и через соответствующие вспомогательные приборы произведет двустороннее отключение поврежденного участка. Эта система будет действовать при междуфазных и межвитковых замыканиях.

Дифференциальная защита обладает высокой чувствительностью и является быстродействующей, так как для нее не требуется выдержки времени, она может выполняться с мгновенным действием, что и является ее главным положительным свойством. Однако она не обеспечивает защиты при внешних коротких замыканиях и может вызывать ложные отключения при обрыве в соединительных проводах вторичной цепи.

Рис. 2. Дифференциальная защита двух параллельно работающих трансформаторов

Зона действия дифференциальной защиты трансформатора (ДЗТ) ограничивается местом установки трансформаторов тока, и включает в себя ошиновку СН, НН и присоединение ТСН, включённого на шинный мост НН.

Ввиду её сравнительной сложности, дифференциальная защита устанавливается в следующих случаях:

• на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВА и выше;
• на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4000 кВА и выше;
• на трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности при КЗ на выводах высшего напряжения ( kч < 2 ), а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 сек.

Видео: Дифференциальная защита

Общие принципы работы дифференциальной защиты. Особенности выполнения защит отдельных элементов электрической сети: кабельной линии, трансформатора, генератора, сборных шин. Защиты ЛЭП-110 кВ: направленная с вч блокировкой, диффазная.

Газовые реле РГТ-50 и РГТ-80

Защита трансформатора — одна из важнейших задач систем автоматики на подстанциях. Его выход из строя способен привести к чрезвычайным происшествиям и значительным материальным потерям, ведь к нему подключены разнообразные потребители. Причем по нормативным документам для большинства трансформаторов на подстанциях мощностью от 400 кВА и выше обязательна газовая защита, как наиболее эффективная и универсальная в настоящий момент. Для выполнения данного требования используют газовые реле, особенности которых мы рассмотрим ниже.

Принцип действия газового реле для защиты трансформатора основан на контроле давления газа. Реле помещают в специальный металлический кожух и врезают в маслопровод трансформатора между баком и расширителем. В случае резкого повышения температуры, которое может возникнуть по разным причинам (например, из-за короткого замыкания в обмотках трансформатора или возникновения «пожара стали»), начинает разлагаться трансформаторное масло либо нагреваются органические элементы обмотки, отчего внутри трансформатора образуется газ.

Разогретые газы стремятся попасть в расширитель устройства, проходя через корпус реле. Если нагрев слабый, то давление газа будет нарастать постепенно и реле даст предупреждающий сигнал, не отключая трансформатора. Но при большом давлении газа, которое свидетельствует о сильном разогреве, что, как правило, бывает связано с КЗ, реле отключает трансформатор.

Необходимо отметить, что газовое реле для защиты трансформатора способно отреагировать не только на давление газа, образовавшегося в результате нагревания, но и на наличие в трансформаторе атмосферного воздуха, на движение или толчки масла внутри кожуха, а также на различные механические повреждения, которые могут возникать из-за вибрации в корпусе агрегата в процессе работы. Однако в современных газовых реле предусмотрены механизмы защиты от ложного срабатывания и отключения трансформатора. Газовые реле не зря широко применяются для защиты трансформаторов разной мощности. Можно выделить три их главных преимущества.

Первое — простота организации данного вида защиты. Второе — высокая чувствительность газовых реле. Они реагируют даже на междувитковое замыкание в обмотках трансформатора, что недоступно для дифференциальной и максимально-токовой защиты. И третье преимущество — относительно высокое быстродействие. Если происходит КЗ, газовое реле отключает трансформатор через считанные доли секунды. Вот почему применение газовых реле для защиты трансформаторов закреплено в нормативных актах.

Сегодня в стране известно несколько производителей, выпускающих газовые реле для защиты трансформаторов. Один из них — компания «ЕССО-Технолоджи», производящая газовые реле РГТ-50 и РГТ-80 (рис. 1).

В середине 1990-х эти реле пришли на смену широко распространенным в Советском Союзе газовым реле Бухгольца, произведенным Магдебургским заводом электротехники и приборостроения (ГДР), и сегодня они распространены в России не меньше своих предшественников. Газовые реле РГТ-50 и РГТ-80 с успехом используются для защиты маслонаполненных трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов, имеющих расширитель, от повреждений внутри бака. Их проходные сечения имеют диаметр соответственно 50 и 80 мм и рассчитаны на скорость потока масла 0,65, 1,0 и 1,5 м/с.

Рис. 1. Реле РГТ-80

Одним из основных элементов таких реле являются блоки контактов регулирующих — БКР1 и БКР2. Блок БКР2 имеет два поплавка — верхний и нижний, на которых установлены постоянные магниты, управляющие герконами. Верхняя (сигнальная) контактная система реле срабатывает при понижении уровня масла в баке трансформатора на 100–250 см³.

Нижняя (отключающая) контактная система срабатывает раньше, чем уровень масла достигнет нижнего уровня входного отверстия фланца на корпусе реле. Как уже отмечалось, газовые реле РГТ-50 и РГТ-80 прекрасно зарекомендовали себя в эксплуатации и хорошо известны нашим потребителям.

При этом не меньшими возможностями обладает и другая продукция для электрических сетей и защиты электрооборудования «ECCO-Технолоджи», которую мы кратко охарактеризуем ниже. Обзор продукции «ЕССО-Технолоджи» Компания представляет широкий ряд современной низковольтной и высоковольтной аппаратуры: КРУ 2-10, КМ-1Ф и КРУН, К-59, ТЭМП, реле РКТУ-01 и другое оборудование. Рассмотрим эти решения подробнее.

Осмотр газовых реле.

Осмотр газовых реле производится одновременно с осмотром трансформаторов без их отключения в сроки, предусмотренные ПТЭ: — в установках с постоянным дежурством персонала или с местным персоналом: главных трансформаторов и основных трансформаторов собственных нужд — один раз в сутки, остальных трансформаторов — один раз в неделю;
— в установках без постоянного дежурства персонала — не реже одного раза в месяц, а в трансформаторных пунктах — не реже одного раза в 6 месяцев.

С учетом местных условий и состояния трансформаторов сроки осмотра могут изменяться по решению главного инженера предприятия.