Automatyka zabezpieczeniowa
transformatorów
elektroenergetycznych

3

2

3

2

3

II

I

307

308

305

208

207

205

113

108

107

105

Ro

żki

Ko

zi

en

ic

e

1

Ko

zi

e

n

ic

e 2

5

3

8

2

4

6

9

1

I

II

3

3

3

3

3

3

3

3

Ab

ra

mo

w

ice

R220

3

3

3

3

3

3

3

3

1

1

1

3

T

2

T

1

T

kV

5

,

31

/

225

%

18

u

11

Yd

A

1466

I

A

5

,

205

I

A

MV

80

Tr

3

u

kT

nTLV

nTHV

=

ϑ

=

=

=

⋅

×

2

2

2

3

3

3

2

2

3

3

3

3

2

mm

185

1

XSY

2

NA

12

m

2200

×

×

3

3

3

3

10

4

13

18

19

21 30

24

37

38

39

41 45

40

56

57

58

60 65

59

2

mm

185

1

XSY

2

NA

12

m

3200

×

×

2

mm

185

1

XSY

2

NA

12

m

2250

×

×

2

mm

185

1

XSY

2

NA

12

m

3140

×

×

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

1

G

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

2

G

3

G

4

G

R30

T1

T3

T4

T2

RG 1

kV

3

,

6

/

5

,

31

%

64

,

8

u

11

Yd

A

2890

I

A

577

I

A

MV

5

,

31

Tr

4

u

kT

nTLV

nTHV

=

ϑ

=

=

=

⋅

×

A

MV

S

kQ

⋅

= 6000

A

MV

S

kQ

⋅

= 840

A

MV

S

kQ

⋅

= 590

I

II

A

MV

3

,

33

S

A

MV

25

P

n

n

⋅

=

⋅

=

A

MV

40

S

A

MV

5

,

32

P

n

n

⋅

=

⋅

=

A

MV

40

S

A

MV

30

P

n

n

⋅

=

⋅

=

%

6

u

A

2000

I

kD

n

=

=

%

6

u

A

2000

I

kD

n

=

=

A

MV

40

S

A

MV

30

P

n

n

⋅

=

⋅

=

%

6

u

A

2000

I

kD

n

=

=

Zakłócenia w pracy transformatorów
- awaryjność transformatorów

Zakłócenia w pracy transformatorów
- procentowy rozkład rodzajów uszkodzeń

13%

„

inne uszkodzenia (kadź, obieg oleju itp.)

2%

„

uszkodzenia rdzeni

6%

„

uszkodzenia przewodów wyjściowych

9%

„

uszkodzenia izolatorów przepustowych

19%

„

uszkodzenia przełączników zaczepów

51%

„

uszkodzenia uzwojeń

Zakłócenia w pracy transformatorów -
przyczyny

ok. 23%

cieplne

ok. 35%

elektryczne

ok. 42%

mechaniczne

Zakłócenia w pracy transformatorów - skutki

„

zwarcia wewnętrzne powodują uszkodzenia,
których usunięcie niejednokrotnie wymaga
demontażu transformatora i
przetransportowania go do zakładów
naprawczych, co jest operacją bardzo
kosztowną;

Zakłócenia w pracy transformatorów - skutki

„

jeśli zwarcie wewnątrz kadzi nie zostanie
wyłączone po 0,6

÷ 1 s, można się

spodziewać wybuchu, rozsadzenia kadzi i
wypływu oleju:

‰

wiąże się to zarówno z całkowitym
zniszczeniem transformatora, jak i z
zagrożeniem dla ludzi i pomieszczeń;

Zakłócenia w pracy transformatorów
- skutki

„

zwarcie w transformatorze sprzęgłowym lub
blokowym, prowadzące do jego wyłączenia,
jest szczególnie groźne dla systemu
elektroenergetycznego

‰

dlatego ten rodzaj zakłócenia jest często
traktowany jako tzw. awaria krytyczna.

Rodzaje zakłóceń w pracy transformatorów
Zwarcia

Rodzaje zakłóceń w pracy transformatorów
Przegrzanie uzwojeń

„

Energia wydzielana na rezystancji uzwojeń jest
przyczyną wzrostu temperatury wewnątrz kadzi.
Powstające ciepło jest oddawane izolacji stałej i
olejowi, który przez system naturalnego, a nawet
częściej – wymuszonego obiegu oleju powoduje
efekt chłodzenia.

„

Najgorętsza jest wierzchnia warstwa oleju, ale ze
względu na cieplne zagrożenie stanu izolacji
istotniejsze jest to miejsce na powierzchni przewodu
uzwojenia, w którym lokalnie temperatura osiąga
największą wartość.

Rodzaje zakłóceń w pracy transformatorów
Przegrzanie uzwojeń

„

W stanie normalnym temperatura górnej warstwy

oleju może wynosić 90°C, co odpowiada temperaturze

ok. 105°C w najgorętszym miejscu przewodu.

„

Natomiast jeśli temperatura górnej warstwy

przekroczy 105°C, oznacza to, że najgorętszy punkt

ma zapewne temperaturę ok. 140°C i można ją uznać

za granicznie dopuszczalną.

„

Taki wzrost temperatury uzwojeń może być wywołany

przeciążeniem prądowym lub zmniejszeniem

intensywności chłodzenia, np. na skutek całkowitego

lub częściowego wyłączenia pomp wymuszających

obieg oleju.

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów

„

Dobrze dobrany zestaw zabezpieczeń musi
chronić transformator od zakłóceń
występujących zarówno na zewnątrz, jak i
wewnątrz samego transformatora w czasie
jego pracy.

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów

„

Zakłócenia zewnętrzne spowodowane są przez przeciążenia

ruchowe oraz zwarcia zewnętrzne, które często powodują

niedopuszczalny długotrwale dla transformatora przepływ dużych

prądów.

„

Do zakłóceń wewnętrznych zaliczamy uszkodzenia powodujące

obniżenie poziomu oleju w kadzi transformatora i komorze

przełącznika zaczepów oraz przerwy i zwarcia międzyfazowe

międzyuzwojeniowe, międzyzwojowe, doziemne zarówno

wewnątrz kadzi transformatora, jak i na wyprowadzeniach.

„

Pożądane jest, aby zabezpieczenia od uszkodzeń wewnętrznych

działały prawie bezzwłocznie, a od zwarć zewnętrznych z

niewielkim opóźnieniem, koniecznym ze względu na potrzebę

uzyskania selektywności działania.

„

Ochronę transformatorów od przeciążeń ruchowych można

ograniczyć do sygnalizacji powstałego zakłócenia.

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów - wymagania

„

wyłączenie z minimalnym opóźnieniem przy
zwarciach międzyfazowych i doziemnych
wewnątrz kadzi, co zapewnia utrzymanie
stabilności systemu oraz ogranicza stopień
uszkodzeń, przede wszystkim nie
dopuszczając do wybuchu kadzi;

„

wyłączenie z minimalnym opóźnieniem przy
zwarciach zwojowych, co ogranicza stopień
uszkodzeń i nie dopuszcza do wybuchu kadzi

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów - wymagania

„

wyłączenie z minimalnym opóźnieniem przy
zwarciach wielkoprądowych w polach
transformatora (pomiędzy wyłącznikami a kadzią);

„

niedopuszczenie do długotrwałego nadmiernego
wzrostu temperatury uzwojeń, co mogłoby grozić
zmniejszeniem trwałości użytkowej izolacji;

‰

można to uzyskać przez pomiar temperatury
górnych warstw oleju oraz oszacowanie
temperatury najgorętszego miejsca w
uzwojeniach;

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów - wymagania

„

niedopuszczenie do długotrwałego nadmiernego

wzrostu strumienia w rdzeniu, co może grozić

lokalnym przegrzaniem rdzenia i jego elementów

konstrukcyjnych;

„

niedopuszczenie do występowania prądów zwarć

zewnętrznych, które mogłyby spowodować

przekroczenie granic wytrzymałości cieplnej i

dynamicznej, dopuszczalnych ze względu na

warunki cieplne i ograniczenia mechaniczne;

„

zapewnienie rezerwowania w przypadku zawodnego

działania zabezpieczeń lub wyłączników;

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów - wymagania

„

zapewnienie możliwości sprawdzania
zabezpieczeń bez konieczności wyłączania
transformatora;

„

sygnalizowanie stanów zagrożenia,
wynikających z osłabienia izolacji lub
lokalnego przegrzania uzwojeń;

„

niedopuszczenie do przedwczesnego
wyłączania transformatora przy znacznych
obciążeniach oraz zwarciach zewnętrznych.

Wymagania stawiane zabezpieczeniom
transformatorów - wymagania

W związku z powyższym, podstawowym
zabezpieczeniom zwarciowym stawia się
ostre wymagania dotyczące czułości
(reagowania już przy zwarciu pojedynczego
zwoju) oraz minimalnego opóźnienia w
działaniu, nie przekraczającego czasu rzędu
dziesiątych części sekundy.

Zabezpieczenia od przeciążeń ruchowych

„

Prądy odpowiadające przeciążeniom ruchowym

najczęściej nieznacznie tylko przekraczają wartość

prądu znamionowego transformatora.

‰

Niemniej powodują one nadmierne nagrzewanie jego

uzwojeń roboczych, co przyspiesza proces starzenia się

izolacji tych uzwojeń w wyniku czego staje się ona coraz

bardziej krucha, a tym samym bardzo podatna na

uszkodzenia wskutek działań dynamicznych prądu oraz

przepięć.

„

Zabezpieczenie od przeciążeń ruchowych powinno

chronić transformator od szkodliwych dla jego

izolacji przegrzania, a jednocześnie powinno

pozwolić na wykorzystanie w możliwie dużym

stopniu przeciążalności transformatora.

Zabezpieczenia od przeciążeń ruchowych

W czasie zmian obciążenia temperatura

uzwojeń transformatora, a w konse-kwencji
również temperatura oleju ulega zmianom,
przy czym szybkości tych zmian są różne.
Decydują o tym głównie różne stałe czasowe:

‰

stała czasowa nagrzewania samego uzwojenia
transformatora (6-10 minut);

‰

stalą czasowa nagrzewania oleju (1-2 godzin).

Zabezpieczenia od przeciążeń ruchowych

W jednostkach transformatorowych o mocy

znamionowej większej od 16 MVA, które
wyposażone są w urządzenia chłodzenia,
przeciążenia termiczne uzwojeń mogą
również występować przy przepływie prądów
mniejszych od wartości znamionowej, w
przypadku zakłóceń w obiegu czynników
chłodzących (olej, woda, powietrze).

Zabezpieczenia od przeciążeń ruchowych

Dla ochrony transformatorów energetycznych od

przeciążeń ruchowych stosuje się następujące
rodzaje zabezpieczeń:

„

zabezpieczenie nadprądowe niezależne zwłoczne,

„

zabezpieczenie nadprądowe zależne zwłoczne,

„

zabezpieczenie termometryczne,

„

wskaźnik max temperatury typu "Bewag",

„

model cieplny.

Zabezpieczenie nadprądowe niezależne
zwłoczne

„

Zabezpieczenie nadprądowe niezależne zwłoczne

jest najprostszym zabezpieczeniem

przeciążeniowym transformatora.

„

Niestety reaguje ono jedynie na zmiany wartości

prądu obciążenia transformatora, natomiast nie

uwzględnia rzeczywistych zmian temperatury

uzwojeń i oleju.

„

Ze względu na symetryczny charakter przeciążeń

wystarcza zainstalowanie zabezpieczenia tylko w

jednej fazie.

„

Zazwyczaj jest ono zasilane z obwodów prądowych

wspólnych z zabezpieczeniem przeciążeniowym (od

zwarć zewnętrznych).

Zabezpieczenie nadprądowe niezależne
zwłoczne

„

prąd rozruchowy

„

k

b

możliwie mały, rzędu 1,05

„

stosuje się przekaźniki o możliwie dużym k

p

ok. 0,9.

„

zwłoka czasowa od 6 s do 12 s, a czasem do 20 s,

i

p

NTr

b

r

n

k

I

k

i

=

Zabezpieczenie termometryczne

1 MVA

÷ 10

MVA

termometr wskazujący kontaktowy jednostykowy
ze zdalną sygnalizacją maksymalnej temperatury
uzwojenia lub oleju transformatora

0,315MVA

÷

1 MVA

termometr wskazujący ze wskaźnikiem
maksymalnej temperatury

0,315 MVA

termometr wskazujący

Zabezpieczenie termometryczne

> 16 MVA

zestaw dwóch termometrów wskazujących
kontaktowych dwustykowych współpracujących
z układem chłodzenia transformatora i zdalną
sygnalizacją przekroczenia dopuszczalnych
temperatur

10 MVA

÷ 16

MVA

termometr wskazujący kontaktowy dwustykowy
ze zdalną sygnalizacją przekroczenia
dopuszczalnych temperatur

Model cieplny

„

Najdoskonalszym pod względem technicznym zabezpieczeniem

transformatora od przeciążeń ruchowych jest model cieplny tego

transformatora.

„

Model cieplny jest przeważnie wykonany w postaci niewielkiego

naczynia, które jest przymocowane do pokrywy kadzi

transformatora i jest zanurzone w oleju wypełniającym kadź.

„

Wewnątrz tego naczynia znajduje się termometr oporowy

otoczony uzwojeniem grzejnym, zasilanym prądem

proporcjonalnym do prądu płynącego przez uzwojenie

transformatora z obwodu wtórnego jednego z przekładników

prądowych nakładkowych zainstalowanych na izolatorach

przepustowych transformatora.

Model cieplny

„

Rezystancja uzwojenia grzejnego jest
dobrana w taki sposób, aby przy
znamionowym obciążeniu transformatora
podgrzało ono termometr oporowy do
temperatury uzwojenia transformatora, która
jest o 10 - 20°C wyższa od temperatury
otaczającego oleju. Natomiast stała czasowa
modelu cieplnego równa się stałej czasowej
uzwojenia transformatora (6 – 10 min).

Model cieplny

„

W tych warunkach temperatura mierzona przez

termometr oporowy jest prawie wierną kopią

temperatury uzwojenia transformatora przy

dowolnych zmianach obciążenia.

„

Termometr oporowy steruje przekaźnikiem

pomocniczym umieszczonym na zewnątrz

transformatora, podając impuls na sygnalizację lub

na sygnalizację i wyłączenie transformatora.

„

Zamiast oporowego termometru można zastosować

w modelu cieplnym element bimetaliczny

nastawiany na odpowiednią temperaturę i sterujący

obwodami wyjściowymi.

Model cieplny

„

W urządzeniach najnowszej generacji dla potrzeb realizacji

modelu cieplnego wykorzystano technikę cyfrową.

„

Model cieplny typu MZT-4C oblicza temperaturę uzwojenia

transformatora na podstawie aktualnej temperatury oleju,

wartości prądu przepływającego przez transformator, oraz

charakterystycznych parametrów cieplnych danego

transformatora wpisanych do pamięci procesora.

„

Model cieplny typu MZT-4C wyposażony jest w dwustopniowe

sygnalizacje temperatury oleju i uzwojenia oraz w miernik stopnia

zużycia transformatora (wykonany w postaci

elektromechanicznego licznika).

„

Określenie stopnia zużycia transformatora może być podstawą

do wyznaczania częstości prac konserwacyjnych przy

transformatorze, a także wskazują na prawidłowość jego

eksploatacji.

Zabezpieczenia od zwarć zewnętrznych

„

Najczęstszym nienormalnym stanem w pracy

transformatorów energetycznych jest przepływ przez

ich uzwojenia prądów przetężeniowych

spowodowanych zwarciami zewnętrznymi.

„

W przypadku bliskich zwarć zewnętrznych prądy te

mogą osiągnąć znaczne wartości (od 10 do 20

krotności prądu znamionowego transformatora).

„

Konstrukcyjnie transformatory energetyczne są tak

wykonane, że działanie dynamiczne i termiczne tej

wielkości prądów wytrzymują tylko przez bardzo

krótki czas około 3 - 4 sekund.

„

Przy dłuższym czasie przepływu przez ich

uzwojenia tak dużych wartości prądów, ulegają

uszkodzeniu, a nawet zniszczeniu.

Zabezpieczenia od zwarć zewnętrznych

Aby nie dopuścić do takiego uszkodzenia, wyposaża się

transformatory energetyczne w zabezpieczenia od zwarć

zewnętrznych, które mają za zadanie przerwać przepływ prądów

zwarcia przed upływem dopuszczalnego czasu ich trwania.

Poza ochroną samego transformatora od przetężeń,

zabezpieczenie to stanowi:

„

rezerwę zabezpieczeń zainstalowanych w polach odpływowych

rozdzielni ŚN zasilanej przez transformator,

„

element blokady automatyki SZR sprzęgła,

„

rezerwę zabezpieczeń od zwarć wewnętrznych transformatora.

Zabezpieczenia od zwarć zewnętrznych

W zależności od mocy znamionowej

transformatora stosuje się następujące
rodzaje zabezpieczeń od przetężeń
wywołanych zwarciami zewnętrznymi:

„

zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne,

„

zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne z
blokadą napięciową,

„

zabezpieczenie odległościowe.

Zabezpieczenia od zwarć zewnętrznych

„

Dla transformatorów pracujących w sieci
średniego napięcia z punktem neutralnym
nieuziemionym, kompensowanej lub
uziemionej przez rezystancję od
zewnętrznych zwarć doziemnych stosuje się
dodatkowo zabezpieczenia
ziemnozwarciowe.

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

„

Transformatory redukcyjne, które zasilają rozdzielnie połączone

w ruchu normalnym z innymi źródłami energii elektrycznej

wymagają wyposażenia w zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

po stronie napięcia zasilającego, lecz często ze względu na

możliwości dokładniejszej lokalizacji miejsca uszkodzenia stosuje

się zabezpieczenia po wszystkich stronach.

„

Prąd rozruchowy zabezpieczenia dobiera się tak, aby

zabezpieczenie nie działało pod wpływem prądów

obciążeniowych i udarów prądowych związanych z

samorozruchem silników, po chwilowym zaniku napięcia

spowodowanym zwarciem zewnętrznym lub działaniem

automatyki SPZ oraz SZR.

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

„

prąd rozruchowy

„

I

r

– nastawa zabezpieczenia,

„

k

b

– wsp. bezpieczeństwa (1,2),

„

k

r

– wsp. rozruchu silników (2 - 6),

„

k

s

– wsp. schematu uzależniony od sposobu połączenia przekładników

prądowych ( 1 lub 3),

„

k

p

– wsp powrotu, odpadu przekaźnika (0,85),

„

I

max

– maksymalna dopuszczalna wartość obciążenia,

„

n

i

– przekładnia przekładników prądowych

.

i

p

s

r

b

r

n

k

I

k

k

k

I

max

≥

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

„

Zwłokę czasową zabezpieczenia przyjmuje się

możliwie najkrótszą, tak jednak, aby zapewnić

wybiórczą pracę tego zabezpieczenia w stosunku do

zabezpieczeń zainstalowanych w polach

odpływowych rozdzielni, zasilanej przez

transformator.

„

Jednocześnie nie należy przekroczyć określonego

dla transformatora przez producenta

dopuszczalnego czasu przepływu prądów zwarcia.

„

Czułość zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego

transformatora sprawdza się porównując wartość

współczynnika czułości z wartością wymaganą

przez przepisy.

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

„

prąd rozruchowy

„

k

c

– współczynnik czułości, który nie powinien być mniejszy od 1,5

dla zabezpieczenia podstawowego i 1,2 dla zabezpieczenia

rezerwowego,

„

I

z min

– najmniejsza wartość prądu zwarciowego, dla zwarcia

metalicznego w chronionej strefie

„

I

r

– nastawa zabezpieczenia

„

n

i

– przekładnia przekładników prądowych.

i

r

z

c

n

I

I

k

min

≥

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

Transformatory pracujące w stacjach, w których

istnieje możliwość obustronnego zasilania powinny
być wyposażone w zabezpieczenie nadprądowe
zwłoczne osobne dla każdego uzwojenia
transformatora lub w jedno zabezpieczenie od
strony większej mocy zwarciowej działające:

‰

jednocześnie na obustronne wyłączenie wyłączników lub

‰

kaskadowo tzn. najpierw na wyłączenie wyłącznika od
strony niniejszej mocy zwarciowej, a następnie - po
dodatkowej zwłoce czasowej - na wyłączenie drugiego
wyłącznika.

Zabezpieczenia odległościowe

„

Transformatory energetyczne o mocy większej niż
80MVA są chronione od przetężeń wywołanych
zwarciami zewnętrznymi przez zabezpieczenia
odległościowe.

„

Dla transformatorów (autotransformatorów) o
napięciu górnym 220kV i wyższym stosowane są
dwukierunkowe zabezpieczenia odległościowe.

„

Zabezpieczenia te instaluje się po obu stronach
transformatora.

Zabezpieczenia odległościowe

„

Transformatory energetyczne o mocy większej niż
80MVA są chronione od przetężeń wywołanych
zwarciami zewnętrznymi przez zabezpieczenia
odległościowe.

„

Dla transformatorów (autotransformatorów) o
napięciu górnym 220kV i wyższym stosowane są
dwukierunkowe zabezpieczenia odległościowe.

„

Zabezpieczenia te instaluje się po obu stronach
transformatora.

Zabezpieczenia odległościowe

„

Kierunek podstawowy zabezpieczenia określa

przepływ prądu zwarcia od szyn zbiorczych do

transformatora.

„

W tym kierunku przekaźniki mają trójstopniową

charakterystykę robocza.

„

Pierwsza

strefa stanowi szybką rezerwę zabezpieczeń

transformatora od zwarć wewnętrznych.

„

Druga

strefa chroni transformator, szyny zbiorcze oraz

niewielki fragment długości linii przyłączonych do szyn

zbiorczych zasilanych przez ten transformator.

„

Trzecia

strefa stanowi rezerwę zwłoczną

zabezpieczeń zainstalowanych w polach

odpływowych.

Zabezpieczenia odległościowe

t

3

= t

2Lmax

+ Δt

Z

3

= 1,5 Z

r

Trzecia

t

2

= t

1Lmax

+ Δt

Z

2

= 1,25 Z

Tr

Druga

t

1

= 0,1 s

Z

1

= 0,7 Z

Tr

Pierwsza

Czas działania

Zasięg działania

Strefa

Z

1

, Z

2

, Z

3

- impedancja określająca zasięg kolejnych stref,

Z

Tr

- impedancja zabezpieczanego transformatora,

t

1

, t

2

, t

3

- czas opóźnienia działania na obustronne (trójstronne) wyłączenie

transformatora przez zabezpieczenie odległościowe przy zwarciu w zasięgu
danej strefy,
t

1Lmax

, t

2Lmax

- największa zwłoka czasowa pierwszej i drugiej strefy działania

zabezpieczeń odległościowych linii przyłączo-nych do szyn zbiorczych

Zabezpieczenia od zwarć i uszkodzeń
wewnętrznych

„

Uszkodzenie transformatora wiąże się nie tylko z
poważnymi stratami materialnymi, ale również jest
bardzo uciążliwe pod względem eksploatacyjnym.

„

Wymaga zaangażowania wykwalifikowanych
pracowników i specjalistycznego sprzętu, zarówno
do demontażu, jak i transportu uszkodzonego oraz
nowego transformatora.

„

Często związane jest również z dotkliwymi
przerwami w dostawie energii elektrycznej dla
odbiorców.

Zabezpieczenia od zwarć i uszkodzeń
wewnętrznych

„

Zwarcia wewnątrz kadzi transformatora są

szczególnie

niebezpieczne, gdyż charakteryzują się przepływem dużych

prądów, którym często towarzyszy łuk elektryczny.

„

Prądy te wytwarzają bardzo duże siły dynamiczne, a łuk

elektryczny powoduje burzliwe odgazowanie oleju.

„

Duża objętość oleju stwarza zagrożenie dla środowiska, a także

niebezpieczeństwo pożaru podczas wyrzucenia oleju poprzez

przerwaną membranę w rurze przeciwwybuchowej, a w

szczególności przy pęknięciu metalowej kadzi transformatora.

„

Takie uszkodzenia zagrażają bezpieczeństwu ludzi i urządzeń

znajdujących się

w pobliżu transformatora, dlatego

zabezpieczenia od zwarć i uszkodzeń wewnętrznych muszą

działać z bardzo krótkim czasem (praktycznie bezzwłocznie).

Zabezpieczenia od zwarć i uszkodzeń
wewnętrznych

„

Zwarcia wewnątrz kadzi transformatora (zwojowe, doziemne,

międzyuzwojeniowe, między fazowe) powstają w wyniku

uszkodzenia izolacji uzwojeń pod wpływem przepięć, działania

dynamicznego prądu, przeciążeń cieplnych lub niszczącego

działania kwasów organicznych powstałych z rozkładu oleju w

czasie procesu jego starzenia się.

„

Poza tymi zwarciami równie groźne są dla transformatora

zwarcia występujące na wyprowadzeniach; z reguły na

izolatorach przepustowych.

„

Przyczyną tych zwarć może być istnienie niewykrytych pęknięć

jako wad wyrobu lub powstałych w czasie montażu lub naprawy,

wnikanie wilgoci do wnętrza izolatorów, obniżenie poziomu oleju

w transformatorze, zanieczyszczenie powierzchni izolatorów (np.

pyłem węglowym, oparami siarki) oraz zmniejszenie wymaganej

przerwy izolacyjnej między fazami lub fazą i ziemią przez ptaki i

drobne ssaki (szczury, koty).

Zabezpieczenia od zwarć i uszkodzeń
wewnętrznych

„

Do wykrywania uszkodzeń zwarć
wewnętrznych oraz zwarć na
wyprowadzeniach transformatora stosowane
są następujące zabezpieczenia:

‰

zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne,

‰

zabezpieczenie różnicowo-prądowe,

‰

zabezpieczenie gazowo-przepływowe.

Zabezpieczenia od zwarć i uszkodzeń
wewnętrznych

„

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne, jako

tańsze i prostsze, stosowane jest dla transformatorów

mniejszej mocy, natomiast różnicowo-prądowe dla

transformatorów o mocy 7,5 MVA i wyższej,

pracujących pojedynczo oraz dla transformatorów o

mocy 2 MVA i wyższej, pracujących równolegle przy

łącznej ich mocy 10 MVA i wyższej.

„

Z uwagi na stwierdzone wypadki blokowania się

zabezpieczeń różnicowo-prądowych podczas

niektórych rodzajów zwarć - także transformatory o

mocy większej od 7,5 MVA są dodatkowo wyposażone

w zabezpieczenia nadprądowe bezzwłoczne.

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne

„

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne zasilane

jest z przekładników prądowych zainstalowanych w

polu transformatora od strony zasilania.

„

Bezzwłoczne wybiórcze działanie zabezpieczenia

możliwe jest ze względu na dużą różnicę między

prądami mierzonymi po stronie zasilania

transformatora w przypadku zwarcia przed i za

transformatorem.

„

Występująca różnica prądów pozwala dobrać prąd

rozruchowy zabezpieczenia tak, aby nie działało

przy zwarciach za transformatorem.

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne

„

Prąd rozruchowy:

„

I

r

- prąd rozruchowy nastawiany na zabezpieczeniu nadprądowym

bezzwłocznym,

„

k

s

- współczynnik schematu wynikający z układu połączeń przekładników

prądowych (dla układu pełnej i niepełnej gwiazdy równy 1),

„

k

b

- współczynnik bezpieczeństwa ( 1,3 - 1,6 ),

„

I

zmax

- największa spodziewana wartość prądu zwarcia na szynach zbiorczych

po dolnej stronie transformatora, przeliczona na stronę górnego napięcia,

„

n

i

- przekładnia przekładników prądowych zasilających zabezpieczenie

nadprądowe bezzwłoczne.

i

z

s

b

r

n

I

k

k

I

max

≥

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne

Przy wyborze prądu rozruchowego zabezpieczenia, oprócz odstrojenia się

od prądów zwarcia za transformatorem, trzeba uwzględnić wpływ

udarowego prądu magnesującego, który występuje przy załączaniu

transformatora na bieg jałowy.

„

I

r

- prąd rozruchowy nastawiany na zabezpieczeniu nadprądowym

bezzwłocznym,

„

k

b

- współczynnik bezpieczeństwa zależny od spodziewanej krotności udaru

prądu magnesującego oraz od czasu własnego przekaźnika (2

÷

4),

„

I

NTr

- prąd znamionowy zabezpieczanego transformatora,

„

n

i

- przekładnia przekładników prądowych.

i

NTr

b

r

n

I

k

I

≥

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne

„

Wybiorczość działania zabezpieczenia nadprądowego

bezzwłocznego zostanie zapewniona, jeśli wartość

prądu rozruchowego przekaźnika będzie większa od

wartości obliczonych przedstawionymi wcześniej

wzorami.

„

Przepisy zalecają stosowanie zabezpieczenia

nadprądowego bezzwłocznego dla transformatorów

zasilanych jednostronnie i nie zaopatrzonych w

zabezpieczenie różnicowe, jeśli zwloką czasowa

opóźniająca działanie zabezpieczenia nadprądowego

zwłocznego jest dłuższa od 0,7 s.

Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne

„

Z zasady działania zabezpieczenia nadprądowego

bezzwłocznego wynika, że nie może ono objąć swym

zasięgiem całości uzwojeń zabezpieczanego

transformatora, jak również wyprowadzeń od strony

odbiorczej transformatora.

„

Działa ono przy zwarciach na przewodach łączących

transformator z przekładnikami prądowymi, do których

podłączony jest przekaźnik i na wyprowadzeniach

uzwojenia pierwotnego oraz przy zwarciach wewnątrz

transformatora w strefie obejmującej około 70 % jego

uzwojenia

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

Zasadniczą częścią zabezpieczenia różnicowo-prądowego są

obwody wtórne łączące w tak zwany układ różnicowy, uzwojenia

przekladników prądowych zainstalowanych po obu stronach

transformatora.

„

W układzie tym czuły przekaźnik nadprądowy pracujący w gałęzi

różnicowej kontroluje różnicę prądów.

„

Dzięki temu przez przekaźnik teoretycznie nie płynie żaden prąd

przy jednostronnym przepływie energii przez transformator, to

znaczy w warunkach pracy normalnej i przy zwarciach poza

strefą chronioną .

„

Strefa ta obejmuje urządzenia i łączące je przewody zawarte

między przekładnikami prądowymi strony górnego, średniego i

dolnego napięcia transformatora.

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

W „strefie chronionej” zabezpieczenia różnicowego
transformatora znajdują się następujące urządzenia:

‰

transformator,

‰

odgromniki strony GN, ŚN, i DN transformatora,

‰

iskierniki, przekładniki napięciowe,

‰

most szynowy lub kablowy,

‰

izolatory przepustowe i wsporcze,

‰

odłączniki transformatorowe.

„

Uszkodzenie tych urządzeń powoduje działanie
zabezpieczenia.

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

Pomimo prostoty idei działania zabezpieczenia różnicowego,

jego wykonanie z zachowaniem wymaganej dużej czułości i

szybkości działania stanowi swego rodzaju problem

techniczny.

„

Trudności w realizacji tego zabezpieczenia są spowodowane:

‰

występowaniem udarów prądu magnesującego przy załączeniu

transformatora na bieg jałowy, na które zabezpieczenie nie

powinno reagować;

‰

niemożliwością ścisłego dopasowania przekładni przekładników

prądowych transformatora do przekładni transformatora;

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

Trudności w realizacji tego zabezpieczenia są spowodowane:

‰

uchybem (niedokładnością) przekładników prądowych,

znacznie obciążonych po stronie wtórnej lub posiadających

małą liczbę przetężeniową, które transformując duże

wartości prądów zwarcia nie zachowują znamionowej

przekładni;

‰

przesunięciem fazowym prądów strony wtórnej względem strony

pierwot-nej transformatora, w przypadku zabezpieczenia

transformatorów o gru-pach połączeń skręcających;

‰

występowaniem różnej przekładni transformatora podczas

regulacji napięcia w stanie beznapięciowym lub pod

obciążeniem.

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

Prawidłową pracę zabezpieczenia

różnicowego niewrażliwego na udary prądu

magnesującego, można zapewnić jedną z

następujących metod realizowanych przez:

‰

zastosowanie zwłoki czasowej rzędu 0,5 - 0,6 s,

‰

zastosowanie mało czułego nastawienia

zabezpieczenia różnicowego (wartość prądu

rozruchowego rzędu 2 - 3 I

n

),

‰

zastosowanie blokowania działania

zabezpieczenia drugą harmoniczną występującą

w prądzie magnesującym

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

Wartość udarowego prądu zwarciowego zależy od

własności magnetycznych blach transformatorowych

użytych do wyrobu rdzeni transformatorów, od mocy

znamionowej transformatora i od odległości

uzwojenia magnesującego od rdzenia.

„

W pierwszym momencie załączenia transformatora

udar prądu magnesującego może się wahać od 2,5

do 10 krotności prądu znamionowego

transformatora, jednakże szybko zanika do wartości

ustalonego prądu biegu jałowego, która wynosi

zaledwie od 2 do 5% znamionowego prądu

transformatora.

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

Wartość udarowego prądu zwarciowego zależy od

własności magnetycznych blach transformatorowych

użytych do wyrobu rdzeni transformatorów, od mocy

znamionowej transformatora i od odległości

uzwojenia magnesującego od rdzenia.

„

W pierwszym momencie załączenia transformatora

udar prądu magnesującego może się wahać od 2,5

do 10 krotności prądu znamionowego

transformatora, jednakże szybko zanika do wartości

ustalonego prądu biegu jałowego, która wynosi

zaledwie od 2 do 5% znamionowego prądu

transformatora.

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

Najczęściej prąd rozruchowy zabezpieczenia różnicowo

prądowego dobiera się spełniając ogólny warunek

‰

I

r

- pierwotny prąd rozruchowy zabezpieczenia,

‰

I

NTr

- znamionowy prąd zabezpieczanego transformatora.

NTr

r

I

I

5

,

0

≤

Zabezpieczenie różnicowoprądowe

„

Zadziałanie zabezpieczenia różnicowoprądowego powoduje

wyłączenie wszystkich wyłączników łączących transformator z

siecią zasilającą i odbiorczą.

„

Każdy przekaźnik różnicowy wyposażony jest w wewnętrzną

sygnalizację zadziałania.

„

Niezależnie, prawie zawsze, instalowany jest dodatkowy

zewnętrzny, klapkowy przekaźnik sygnałowy potwierdzający

zadziałanie zabezpieczenia.

„

Po wyłączeniu transformatora przez zabezpieczenie różnicowe

nie wolno

ponownie załączać go pod napięcie, bez wyjaśnienia i

usunięcia przyczyny wyłączenia lub wykonania pomiarów

stwierdzających sprawność transformatora i układu

zabezpieczeń.

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

„

Przekaźnik gazowo-przepływowy, zwany często

przekaźnikiem Buchholza, działa na zasadzie

ciśnieniowej.

„

Wewnątrz przekaźnika umieszczone są dwa pływaki

wykonane w formie puszek z metalu lub plastyku.

„

Zamocowane są na różnej wysokości w sposób

wahliwy, tak iż możliwy jest niezależny ruch

każdego z pływaków do góry i na dół.

„

Każdy z pływaków zaopatrzony jest w styk rtęciowy

(przekaźniki krajowe) lub współpracujący z

kontaktronem magnes (przekaźniki produkcji

niemieckiej), który jest do niego na stałe

przymocowany i razem z nim się porusza.

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

„

W czasie normalnej pracy, kiedy wnętrze

przekaźnika wypełnione jest olejem

transformatorowym obydwa pływaki są unoszone i

znajdują się w górnej pozycji.

‰

Oba styki robocze przekaźnika są wtedy otwarte.

„

Jeżeli z pewnych określonych przyczyn ( np.:

znaczne obniżenie temperatury otoczenia, wyciek

oleju z kadzi transformatora lub zebranie się gazu

pochodzącego z chemicznego rozkładu oleju czy

izolacji ) poziom oleju znacznie się obniży,

pływak

górny zacznie opadać

powodując w pewnym

momencie zamknięcie swego styku i tym samym

uruchomienie

sygnalizacji ostrzegawczej

.

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

„

W razie dalszego obniżenia się poziomu oleju w

transformatorze

opada także dolny pływak

zamykając równocześnie swój styk, co wykorzystuje

się do

natychmiastowego wyłączenia

transformatora spod napięcia

.

„

Dolny pływak przekaźnika gazowo - przepływowego

ponadto wyposażony jest w płytkę podmuchową.

‰

Jest ona tak sprzężona z dolnym pływakiem, że

niezależnie od jego położenia oddziaływuje na styk

rtęciowy (kontaktowy ).

‰

Wychylenie płytki podmuchowej, powodujące jednocześnie

zamknięcie styku, występuje przy gwałtownym przepływie

oleju z kadzi transformatora do konserwatora lub

intensywnym wydzielaniu się gazów.

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

„

Przekaźnik gazowo - przepływowy wmontowany jest w rurze

łączącej kadź transformatora z konserwatorem (strzałką na

obudowie w kierunku konserwatora).

„

Sposób umieszczenia, jak również specjalne nachylenie kadzi

transformatora (2° względem poziomu) umożliwia gromadzenie

się w przekaźniku gazów, których wydzielanie towarzyszy

zazwyczaj uszkodzeniom wewnętrznym transformatora.

„

Ilość i rodzaj gazu nagromadzonego w przekaźniku jest dla

obsługi bardzo ważna, gdyż

niejednokrotnie pozwala

zorientować się co do rodzaju i rozmiaru uszkodzenia

.

„

Przekaźnik w tym celu posiada umieszczone w bocznych

ścianach specjalne szklane okienka, wyskalowane w cm

3

, które

pozwalają na ustalenie ilości gazu i jego barwy.

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

„

Gaz bezbarwny, bezwonny i niepalny świadczy o zawartości

powietrza w oleju transformatorowym.

„

Gaz mleczno-biały o ostrej woni, niepalny powstaje przy

uszkodzeniu części papierowych.

„

Gaz żółty, trudnozapalny pozostaje przy uszkodzeniu części

konstrukcyjnych z drzewa.

„

Gaz łatwopalny połączony z czarnymi lub szarymi osadami

pochodzi z rozkładu chemicznego oleju na skutek łuku

elektrycznego.

„

Niekiedy również w wyniku uszkodzenia izolacji wydziela się gaz

bezbarwny i niepalny. Przy ponownym gromadzeniu się gazu,

należy przypuszczać, że spowodowane jest to właśnie

uszkodzeniem izolacji.

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

„

Stopień

palności gazów nagromadzonych w

przekaźniku gazowo -

przepływowym wolno

sprawdzać tylko na wyraźne polecenie dyspozytora.

„

Czynność tę przeprowadzać należy z zachowaniem
środków ostrożności.

„

Niewolno przykładać zapalonej zapałki do otwartego
kranika przekaźnika.

„

Gaz należy pobrać do specjalnego analizatora i
dopiero wtedy zapalić w pewnej odległości od
transformatora.

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe kadzi

„

Sposób postępowania w przypadku
zadziałania pierwszego lub drugiego,
względnie obydwóch stopni zabezpieczenia
gazowo-przepływowego kadzi transformatora
określa „instrukcja eksploatacji
transformatorów”.