Politechnika Częstochowska

Wydział Elektryczny

Seminarium:

Wybrane zagadnienia z zabezpieczeń

Zabezpieczenia transformatorów

Tu wstaw imię i nazwisko

II sem. s.u.m.

Kierunek: Elektrotechnika

Specjalność: Elektroenergetyka

Częstochowa 2011

WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Transformatory są elementami o małej awaryjności. Statystyki wykazują, że ich uszkodzenia liczone dla 100 transformatorów zdarzają się przeciętnie 2 razy w roku.   Dane dotyczące skandynawskiego systemu NORDEL za lata 1981-1990, nie odbiegające zresztą od międzynarodowych statystyk publikowanych przez CIGRE, wykazują, że awaryjność wzrasta wraz z poziomem napięcia znamionowego górnej strony transformatora, ale jest niewielka. Statystyki amerykańskiej IEEE, biorące pod uwagę około 1000 uszkodzeń transformatorów, jakie wystąpiły w latach 1975-1985, podają następujący procentowy rozkład rodzajów uszkodzeń :

uszkodzenia uzwojeń - 51%,
uszkodzenia przełączników zaczepów - 19%,
uszkodzenia izolatorów przepustowych - 9%,
uszkodzenia przewodów wyjściowych - 6%,
uszkodzenia rdzeni - 2%,
inne uszkodzenia (kadzi, obieg oleju itp.) - 13%.

   Statystyki podają również, że przeciętnie około:

- 42% uszkodzeń jest wywołane przyczynami mechanicznymi
- 35% przyczynami elektrycznymi
- 23% przyczynami cieplnymi.

   Mała awaryjność transformatorów to także niewielka liczba zwarć w tych urządzeniach, stanowią one bowiem tylko około 2% wszystkich zwarć w systemach elektroenergetycznych. Jednak skutki tych zwarć bywają szczególnie groźne z następujących powodów:

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

- 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;

- 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.

ZWARCIA W TRANSFORMATORACH

Rodzaje zwarć, jakie mogą wystąpić na obszarze ograniczonym wyłącznikami po górnej i dolnej stronie transformatora można podzielić na zwarcia na zewnątrz oraz zwarcia wewnątrz kadzi. Te pierwsze są mniej groźne dla samego obiektu, ale bardzo groźne dla stabilności systemu. Oczywiście, stopień zagrożenia zależy od tego, czy są to zwarcia trójfazowe, czy dwu- lub jednofazowe. Wartość prądu zwarciowego jest związana z poziomem mocy zwarciowej oraz napięcia w danym punkcie systemu i może być bardzo znaczna. Jeśli wartość tego prądu odnieść do znamionowego prądu transformatora, to największe krotności występują wówczas, gdy iloraz mocy zwarciowej i mocy znamionowej jednostki jest szczególnie duży, a więc gdy transformator o stosunkowo niewielkiej mocy pracuje w systemie o znacznej mocy zwarciowej.

   Zwarcia wewnątrz kadzi mogą być zwarciami na wyprowadzeniach uzwojeń, zwarciami zwojowymi oraz zwarciami pomiędzy uzwojeniem a kadzią. Pierwsze z nich, oprócz skutków takich jak te wywołane zwarciami w polu transformatora, powodują znaczny stopień uszkodzeń wewnątrz kadzi. Są one przyczyną zniszczenia izolacji, przewodów, a niekiedy i rdzenia. Mogą także spowodować znaczny wzrost ciśnienia wewnątrz kadzi, wywołany energią łuku, rozkładającą olej na produkty gazowe. Zwarcia te, podobnie do zwarć w polu, charakteryzują się znacznymi prądami, więc są dość łatwo wykrywalne przez zabezpieczenia.

   Zwarcia zwojowe mogą w skrajnym przypadku dotyczyć jednego zwoju. Wówczas na skutek transformacji występuje takie zjawisko, że prąd w zwartych zwojach (czy też zwoju) osiąga gigantyczne wartości, na zaciskach zaś pojawia się jako niewielka wartość, często wielokrotnie mniejsza od prądu znamionowego. Istotnie , gdy zwarcie dotyczy jednego zwoju, prąd nim spowodowany, a mierzony na zaciskach transformatora, jest zbliżony do prądu znamionowego. Jeśli jednak zwarcie to wystąpi tylko w jednym równoległym przewodzie składającym się na uzwojenie, prąd zwarciowy mierzony na zaciskach transformatora może być mniejszy niż 10% prądu znamionowego. Natomiast poprzez łuk - bo są to zwarcia, które na ogół przekształcają się w łukowe płynie ogromny prąd, niekiedy parę setek krotności prądu znamionowego. Spadek napięcia na występującym łuku ma zwykle wartość zbliżoną do 100 V, a to pozwala oszacować energię wyładowującą się wewnątrz kadzi. Na każdą kilowatosekundę energii wydzielanej na łuku przypada ok. 75 cm³ gazu będącego produktem rozkładu oleju. Można zatem ocenić te ilości gazu powstające przy zwarciu zwojowym i grożące spowodowaniem wybuchu kadzi, mimo że wynik pomiaru prądu na zaciskach transformatora na to nie wskazuje. Jednocześnie prąd zwarciowy płynący przez uszkodzony zwój (lub zwoje) powoduje szybki wzrost temperatury przewodów. Osiągnięcie temperatury topnienia miedzi (1080°C) jest możliwe już po czasie rzędu 1 s. Zwarciu wewnętrznemu między uzwojeniem a kadzią towarzyszy prąd zależny od liczby zwartych zwojów oraz od tego, czy punkt gwiazdowy jest uziemiony. Jeśli tak jest, to zwarcie można traktować jako zwarcie zwojowe pewnej liczby zwojów.

   Ze względu na zabezpieczenia transformatora, jako zwarcia kryterialne dla doboru zabezpieczeń i ich nastawienia należy przyjąć zwarcia na zaciskach oraz zwarcia wewnętrzne zwojowe, obejmujące pojedynczy zwój.

Rys.1.Ilustracja zwarć występujących w transformatorach

* 1,2 - zwarcia w polach transformatora
* (3-7) - zwarcia wewnątrz kadzi gdzie:
   - 3,4 - zwarcia na wyprowadzeniach uzwojeń
   - 5,6 - zwarcia zwojowe

UDAROWE PRĄDY MAGNESOWANIA

Jeśli na zaciskach transformatora pojawi się napięcie sinusoidalne

 to strumień skojarzony z tym uzwojeniem można opisać równaniem:

gdzie:
Y_R - strumień skojarzony, wywołany przez indukcję szczątkową w rdzeniu.

Tak więc strumień (a zatem i indukcja magnetyczna) składa się z przebiegu sinusoidalnego nałożonego na składową stałą. Powoduje to przekroczenie przez indukcję granicy nasycenia i pojawienie się tzw. udarowych prądów magnesowania.

   Prąd udarowy charakteryzuje się następującymi właściwościami:

- wartość maksymalna i skuteczna są porównywalne z wartością prądu płynącego przez transformator przy zwarciu zewnętrznym;
- zanika na skutek strat energii na rezystancjach układu, ale wartość przekraczająca poziom prądu znamionowego transformatora może utrzymywać się przez czas rzędu l s;
- występują w nim wyższe harmoniczne nieparzyste i parzyste, z których najbardziej znamienną jest druga harmoniczna; przy największych wartościach prądu udarowego względna wartość tej harmonicznej, odniesiona do harmonicznej podstawowej, może wynosić zaledwie 10-15%, ale jest to przypadek rzadki;
- w praktyce najczęściej nie jest mniejsza niż 20%, przy zmniejszaniu się prądu udarowego względna wartość tej harmonicznej zwiększa się do ok. 80%.

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. 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.

WZROST STRUMIENIA W RDZENIU

Rdzenie współczesnych transformatorów, w których maksymalna znamionowa indukcja sięga 1,6-1,75 T, pracują blisko poziomu nasycenia, wynoszącego 2-2,1 T dla zimnowalcowanych blach transformatorowych. Jeśli w czasie pracy indukcja ulegnie zwiększeniu na skutek wzrostu napięcia i/lub zmniejszenia częstotliwości, to nastąpi zjawisko nasycania się rdzenia, zwłaszcza w tych jego częściach, gdzie występują zwężenia przekroju. Podczas nasycenia zmienia się rozpływ strumienia i zwiększa jego część zamykającą się przez powietrze. Jest to szczególnie groźne w otoczeniu śrub mocujących, przez które w normalnych warunkach przepływa maleńka część strumienia. Po nasyceniu sytuacja ulega zmianie, gdyż większy strumień przechodzący przez stalowe lite śruby powoduje powstawanie znacznych prądów wirowych i nagrzewanie się tych fragmentów konstrukcji. Wzrost temperatury może być tak duży, że zostaną zniszczone podkładki izolujące konstrukcję od rdzenia, tworzące diamagnetyczną przegrodę dla strumienia. Mogą więc powstać lokalne obszary , w których nawet po zmniejszeniu indukcji strumień przechodzi przez elementy, wywołując w nich nadal znaczne prądy wirowe i nagrzewając je. Taki długotrwały stan podwyższa temperaturę w sąsiedztwie izolacji przewodów, prowadząc zarówno do jej stopniowego osłabiania, a niekiedy nawet do zwarć wewnętrznych, jak i do skrócenia trwałości użytkowej transformatora. Z tego względu dopuszczenie długotrwałego wzrostu indukcji w rdzeniu powyżej granicy 2 T jest dla transformatora groźne. Rozpatrując pomiar prądu na zaciskach transformatora należy stwierdzić, że nadmierna wartość strumienia powiększa prąd magnesowania, który w warunkach normalnych, przy parametrach znamionowych, ma bardzo małą wartość (w nowoczesnych dużych transformatorach najczęściej mniej niż 1% prądu znamionowego). Jednak dziesięcioprocentowy wzrost indukcji w rdzeniu powoduje przeważnie trzykrotny wzrost tego prądu, natomiast zwiększenie indukcji o 20% - aż dziesięciokrotny wzrost jego wartości skutecznej. Jednocześnie następuje zwiększenie zawartości wyższych harmonicznych nieparzystych w przebiegu tego prądu. W skrajnych przypadkach nadmiernej indukcji w rdzeniu wartość skuteczna prądu magnesowania nie przekracza poziomu 50% prądu znamionowego, a wartość piątej harmonicznej najbardziej typowej dla tego zjawiska - utrzymuje się na poziomie 30-50% jego pierwszej harmonicznej.

Rys 2. Kształt prądu magnesowania przy nadmiernej indukcji w rdzeniu.

WYMAGANIA STAWIANE ZABEZPIECZENIOM TRANSFORMATORÓW

Zabezpieczeniom transformatorów można postawić następujące 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;

- 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;

- 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;

- 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.

W związku z tym, 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.

Dla transformatorów stosuje się następujące rodzaje zabezpieczeń:

- różnicowe wzdłużne,
- różnicowe zerowoprądowe,
- nadprądowe i nadprądowe zerowoprądowe,
- nadprądowe kierunkowe,
- zabezpieczenia od zwarcia z kadzią,
- odległościowe,
- gazowo-przepływowe,
- ciśnieniowe,
- temperaturowe (oleju i/lub najgorętszego punktu),
- od przewzbudzenia (nadmiernego wzrostu strumienia).

ZABEZPIECZENIA RÓŻNICOWE WZDŁUŻNE

Zabezpieczenie różnicowe jest podstawowym zabezpieczeniem średnich i dużych transformatorów oraz autotransformatorów. Według krajowych przepisów należy je stosować dla wszystkich jednostek o mocach znamionowych większych niż 5 MVA. Jego podstawową zaletą jest to, że przy odpowiedniej czułości reaguje na wszystkie zwarcia w obszarze ograniczonym miejscem zainstalowania przekładników prądowych po obydwu stronach. Tak więc zabezpiecza ono nie tylko przy zwarciach międzyfazowych czy doziemnych, ale także przy zwarciach zwojowych. W związku z tym, że prądy po obydwu stronach transformatora są przesunięte w fazie, odpowiednie połączenie przekładników prądowych musi to przesunięcie wyrównać. Dlatego po stronie uzwojeń transformatora łączonych w gwiazdę przekładniki łączy się w trójkąt, po stronie zaś uzwojeń łączonych w trójkąt przekładniki łączy się w gwiazdę. Ponadto przekładnie przekładników należy tak dobrać, aby przy normalnym obciążeniu transformatora i przy zwarciach zewnętrznych prądy wzdłużne po obydwu stronach członów różnicowych były sobie równe, a więc:

-i_L1w=i_L1n  ;   -i_L2w=i_L2n  ;   -i_L3w=i_L3n

Dzięki temu prądy różnicowe i_L1d , i_L2d , i_L3d są bliskie zeru. Taki dobór głównych przekładników prądowych rzadko bywa możliwy, gdyż na ogół nie odpowiada typowym przekładniom. Wówczas stosuje się przekładniki pomocnicze wyrównawcze (lub autotransformatory), oznaczone symbolem Ppw. Przekładniki te stosuje się w celu nie tylko dokładnego wyrównania przekładni, lecz także kompensacji przesunięcia fazowego prądów po obydwu stronach zabezpieczanego transformatora. W takim przypadku przekładniki prądowe po obydwu stronach łączy się w gwiazdę, przekładnik wyrównawczy zaś - w układzie gwiazda/trójkąt i jeśli ma właściwie dobraną przekładnię, to wyrównuje zarówno przesunięcia fazowe prądów, jak i ich moduły.

Rys. 3.Schemat zabezpieczenia różnicowego.

Nawet idealne wyrównanie przekładni nie może spowodować tego, aby prądy różnicowe były równe zeru. Źródłami uchybowych prądów różnicowych są:

- zmiana przekładni transformatora, dokonywana podczas regulacji napięcia przez zmianę położenia zaczepów,

- udarowe prądy magnesowania rdzenia,

- wzrost prądów magnesowania w warunkach stacjonarnych na skutek nadmiernego strumienia w rdzeniu,

- błędy przekładników prądowych, szczególnie z powodu nasycenia rdzenia przy zwarciach zewnętrznych.

Odstrojenie przekaźnika różnicowego od prądów uchybowych polegające na wysokim nastawieniu progu pobudzenia i/lub stosowaniu opóźnienia jest niekorzystne. Jeśli bowiem zabezpieczenie powinno reagować na zwarcie zwojowe już pojedynczego zwoju, to należy próg pobudzenia prądowego nastawiać bardzo nisko, w miarę możliwości na poziomie 0,1 prądu znamionowego transformatora (przeliczonego na stronę wtórną), a w każdym przypadku poniżej 0,5 wartości tego prądu. Jeśli ma ono skutecznie zabezpieczać przed znacznymi uszkodzeniami wewnętrznymi i zaburzeniem stabilności systemu, to opóźnienie powinno być minimalne. Jest pożądane, aby zabezpieczenie zadziałało z opóźnieniem rzędu jednego okresu składowej podstawowej (0,02 s).
   Z tych względów w zabezpieczeniach różnicowych stosuje się specjalne środki zapobiegające zbędnemu działaniu pod wpływem prądów uchybowych. Realizuje się je na kilka sposobów.

- Niedostateczne wyrównanie przekładni (spowodowane niedokładnym doborem przekładników prądowych głównych i/lub zmianą przekładni transformatora podczas regulacji napięcia) kompensuje się wprowadzając stabilizację procentową przekaźnika różnicowego. Dzięki temu charakterystyka zadziałania przekaźnika różnicowego w każdej fazie ma kształt przedstawiony na rys.2. Pokazano na nim zależność prądu różnicowego, powodującego zadziałanie przekaźnika, od prądu wzdłużnego, określonego jako średnia wartość prądu po obydwu stronach członu różnicowego. Najczęściej można nastawiać minimalną wartość prądu pobudzenia Iro (przyjmowaną zwykle w granicach 0,1-0,5 prądu znamionowego transformatora) oraz nachylenie charakterystyki (przyjmowane przeważnie w granicach 20 - 70%). Przebieg charakterystyki jest nieliniowy celem zapewnienia wysokiej czułości zabezpieczenia bez powiększania stopnia stabilizacji. Niekiedy nieliniowość jest nie dwuodcinkowa, lecz trójodcinkowa.

Rys. 4.Charakterystyka stabilizacji procentowej

- Udarowe prądy magnesowania wywołują prądy różnicowe o bardzo znacznych wartościach. Obecnie dla odstrojenia od nich w zabezpieczeniach stosuje się powszechnie zasadę stabilizacji drugą harmoniczną; tzn. jeśli druga harmoniczna w prądzie różnicowym przekroczy wartość przyjmowaną przeważnie na poziomie 0,2 harmonicznej podstawowej, działanie zabezpieczenia nie następuje. Metoda ta skutecznie odstrajająca od prądów udarowych ma jednak pewną wadę, gdyż w stanie przejściowym przy zwarciu wewnętrznym wywołującym nasycenie rdzeni przekładników, w prądzie różnicowym, który powinien spowodować niezwłoczne zadziałanie zabezpieczenia, pojawia się także druga harmoniczna. Może to być przyczyną opóźnienia zadziałania zabezpieczenia o kilkadziesiąt, a niekiedy nawet kilkaset milisekund.

- W warunkach stacjonarnych prąd magnesowania przy nadmiernym strumieniu w rdzeniu jest traktowany przez zabezpieczenie jako prąd różnicowy, który może przekroczyć poziom zadziałania przekaźnika. W celu odstrojenia zabezpieczenia stosuje się niekiedy stabilizację piątą harmoniczną, której wartość w prądach magnesowania nie zmniejsza się poniżej 0,3 wartości harmonicznej podstawowej. Choć sposób ten jest skuteczny, ma jednak poważną wadę, gdyż w prądzie różnicowym przy zwarciach wewnętrznych i nasyceniu przekładników prądowych jest też znaczna zawartość piątej harmonicznej, która mogłaby zablokować działanie zabezpieczenia właśnie wówczas, gdy jest ono najpotrzebniejsze. Wykorzystując jednak informację, że prąd różnicowy przy nadmiernym strumieniu w rdzeniu nie przekracza połowy krotności prądu znamionowego, można zastosować układ, który wyłącza stabilizację piątą harmoniczną, gdy prąd różnicowy jest większy niż 0,7-1,0 wartości prądu znamionowego. Podczas zwarć wewnętrznych występujących na zaciskach, których prądy doprowadzają do nasycenia rdzeni przekładników, prądy różnicowe są znacznie większe od tej granicy.

- Jeśli przekładniki prądowe są właściwie dobrane, to prądy różnicowe spowodowane przez ich błędy w stanie ustalonym przy zwarciach zewnętrznych są na tyle niewielkie, że stabilizacja procentowa skutecznie od nich odstraja. Natomiast w stanie nieustalonym może dojść do przejściowego nasycenia rdzeni przekładników, a w konsekwencji do znacznych uchybowych prądów różnicowych. Wówczas stabilizacja procentowa może się okazać niedostateczna. Bardziej skuteczna bywa stabilizacja drugą harmoniczną, która w przejściowym prądzie różnicowym przy zwarciach zewnętrznych jest znaczna, szczególnie podczas silnego nasycenia rdzeni przekładników. Stosowanie zarówno stabilizacji procentowej, jak i stabilizacji drugą harmoniczną na ogól skutecznie zapobiega zbędnemu działaniu podczas zwarć zewnętrznych, nasycających przekładniki.

   Niektóre współczesne realizacje zabezpieczeń wprowadzają jeszcze inne rozwiązanie tego problemu, uwzględniając przebiegi czasowe prądów. Na przykład , prąd stabilizujący i_L1w pojawia się w każdym okresie wcześniej niż prąd różnicowy i_L1d , zatem można to wykorzystać jako kryterium odstrojenia, którego realizacja elektroniczna, a przede wszystkim cyfrowa, nie nasuwa większych trudności.

   Zabezpieczanie autotransformatorów i transformatorów trójuzwojeniowych odbywa się na takiej samej zasadzie: sumowania prądów z kompletu przekładników instalowanych na wyprowadzeniu każdego z uzwojeń. Prądy te muszą być wyrównane pod względem fazy i amplitudy, co realizuje się w taki sam sposób, jak w przypadku transformatorów dwuuzwojeniowych.

ZABEZPIECZENIA NADPRĄDOWE

Zwarciowe zabezpieczenia nadprądowe mogą być następujące:
- bezzwłoczne odcinające
- zwłoczne
- ziemnozwarciowe
- od zwarć z kadzią

Zabezpieczenia nadprądowe bezzwłoczne odcinające

Zabezpieczenia to instaluje się po każdej stronie zasilania transformatora lub tylko po stronie o większej mocy. Zadaniem tych zabezpieczeń jest ochrona transformatorów przy zwarciach na wyprowadzeniach uzwojeń po tej stronie po której je zainstalowano. Natomiast nie powinny one działać przy zwarciach na zaciskach transformatora po stronie przeciwnej. Dlatego też prąd pobudzenia tych zabezpieczeń wybiera się według formuły:

gdzie:
I"_kmax - największa spodziewana wartość prądu ustalonego przy zwarciach po przeciwnej stronie transformatora,
K_i - przekładnia przekładników prądowych.

Nastawienie takie skutecznie odstraja również od udarowych prądów magnesowania, przeto zabezpieczenie może działać bezzwłocznie, powodując otwarcie wyłączników instalowanych po stronie wszystkich uzwojeń. Zabezpieczenie nadprądowe bezzwłoczne stosuje się jako zabezpieczenie rezerwujące zabezpieczenie różnicowe w transformatorach dużych mocy, a według krajowych przepisów może być uważane za podstawowe zabezpieczenie zwarciowe transformatorów o mocach mniejszych niż 5 MVA.

Rys. 5.Schemat zabezpieczenia nadprądowego odcinającego

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

Stanowi ono rezerwę zabezpieczeń zarówno podstawowych transformatora, jak i urządzeń zasilanych ze stacji, do której jest przyłączony transformator. Nastawienie prądowe dobiera się z warunku:

gdzie:
I_NT - znamionowy prąd danej strony transformatora,
K_r - współczynnik uwzględniający ewentualny wzrost prądu wywołany samorozruchem silników zasilanych z danej stacji; jeśli samorozruch silników nie jest dopuszczalny, współczynnik jest równy jedności.

Opóźnienie jest tak dobierane, aby zachować selektywność nie tylko względem zabezpieczeń innych urządzeń zasilanych ze stacji, lecz także selektywność otwierania wyłączników poszczególnych stron transformatora. Na przykład w układzie z rysunku 6. opóźnienia powinny spełniać warunek t₁>t₂>t₃

Rys. 6.Schemat zabezpieczenia nadprądowego zwłocznego

Zabezpieczenie ziemnozwarciowe zerowoprądowe

Stosowane po stronie uzwojenia przyłączonego do sieci z dużym prądem zwarć doziemnych jest zabezpieczeniem rezerwowym zarówno przy nie wyłączonych doziemnych zwarciach wewnętrznych po stronie uzwojenia połączonego w gwiazdę, jak i przy nie wyłączonych prawidłowo zwarciach w sieci. Natomiast zabezpieczenie nie powinno działać przy niepełnofazowej pracy sieci. Nastawienie przekaźnika prądowego określa się według zależności:

Zabezpieczenie działa zwłocznie, przyjmując opóźnienie zależnie od nastawień zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieci. Najczęściej wprowadza się opóźnienie o jeden stopień wyższe od opóźnienia drugiej strefy zabezpieczeń odległościowych instalowanych w sieci.
   Zabezpieczenie ziemnozwarciowe instalowane po stronie trójkąta zabezpiecza to uzwojenie wraz z wyprowadzeniami przy zwarciach doziemnych, które najczęściej są zwarciami małoprądowymi. Nastawienie zależy od pojemności doziemnej połączonego w trójkąt uzwojenia transformatora i wyprowadzeń. Pojemność ta wyznacza wartość prądu płynącego przez przekaźnik przy zewnętrznym zwarciu doziemnym. Zabezpieczenie powinno być skutecznie odstrojone od tego prądu, aby nie działało przy zwarciach zewnętrznych. Zabezpieczenie ma opóźnienie ok.1 s.

Rys. 7.Schemat zabezpieczenia ziemnozwarciowego zerowoprądowego

Zabezpieczenie od zwarć z kadzią

Jest zabezpieczeniem, w którym nadprądowy przekaźnik jest zasilany z przekładnika prądowego, zainstalowanego na przewodzie uziemiającym kadź transformatora. Przy stosowaniu takiego rozwiązania kadź powinna być izolowana od ziemi. Wystarczy nawet, jeśli stoi na betonowym fundamencie o rezystancji doziemnej rzędu 100 W i jest odizolowana od innych elementów łączących z ziemią, np. pancerzy kabli. Wówczas podczas zwarcia do kadzi prawie cały prąd płynie przez przekładnik, pobudzając przekaźnik nadprądowy. Natomiast przy zwarciu doziemnym zewnętrznym przez zabezpieczenie płynie tylko ułamek (zazwyczaj nie więcej niż 0,01) prądu doziemnego 3Io. Nastawienie zabezpieczenia przyjmuje się zgodnie z zależnością:

gdzie:
3I_omax - największa spodziewana wartość prądu płynącego przez przewód uziemiający punkt neutralny transformatora przy zwarciu doziemnym.

Wówczas zabezpieczenie jest skutecznie odstrojone od zwarć zewnętrznych, działając tylko przy zwarciach do kadzi. Działanie to jest skuteczne zarówno przy zwarciach między kadzią a zaciskiem uzwojenia gwiazdowego, jak i przy zwarciach zwojowych do kadzi. Zabezpieczenie to powinno działać bezzwłocznie bądź z niewielkim opóźnieniem rzędu 0,1 s. Rozwiązanie to nie znalazło w Polsce większego uznania.

Rys. 8.Schemat zabezpieczenia kadziowego

ZABEZPIECZENIA ODLEGŁOŚCIOWE TRANSFORMATORÓW

Rezerwowym zabezpieczeniem od zwarć wielkoprądowych transformatorów i autotransformatorów sieciowych (o górnym napięciu 220 kV i powyżej) oraz jednostek o dużej mocy (zazwyczaj ponad 100 MVA) są zabezpieczenia odległościowe stosowane zamiast rezerwowych zabezpieczeń nadprądowych zwłocznych. Przy transformatorach i autotransformatorach zasilanych dwustronnie zabezpieczenia instaluje się po obydwu stronach. Pierwsza, bezzwłoczna strefa tych zabezpieczeń jest nastawiana na wartość impedancji wyrażoną wzorem:

Z_I = 0,7 Z_T

przy czym Z_T - impedancja zwarcia transformatora.

Powoduje to, że zabezpieczenie nie zadziała przy zwarciach na szynach po przeciwnej niż miejsce jego zainstalowania stronie transformatora. Drugą strefę, której opóźnienie czasowe jest o stopień wyższe, nastawia się następująco:

Z_II = 1,3 Z_T

Przy takim nastawieniu transformator jest skutecznie zabezpieczony z czasem drugiej strefy przy zwarciach na zaciskach wszystkich jego uzwojeń.
   Często stosuje się w zabezpieczeniu strefę wsteczną, która ma opóźnienie o jeden stopień dłuższe niż zabezpieczenia odpływów z szyn danej stacji. Nastawienie tej strefy przyjmuje się według zależności:

Z_wst = 0,85 Z_Imin

gdzie: Z_Imin - minimalna długość pierwszej strefy zabezpieczeń odległościowych na odpływach z szyn stacji.

Zabezpieczenia odległościowe otwierają wyłączniki po wszystkich stronach transformatora. Nastawiając zabezpieczenia odległościowe, należy pamiętać o wpływie grupy połączeń transformatora na pomiar impedancji przy zwarciach niesymetrycznych. Wynika to z rozpływu prądów po obydwu stronach transformatora. Znając relacje między prądami po obydwu stronach transformatora, można dobrać prądy i napięcia doprowadzone do członów mierzących w zabezpieczeniach odległościowych i w ten sposób zapewnić poprawny pomiar impedancji do miejsc zwarć niesymetrycznych zlokalizowanych po przeciwnej stronie transformatora. Można także określić, co mierzą człony zabezpieczeń, które otrzymały niewłaściwe sygnały prądowe i/lub napięciowe.

ZABEZPIECZENIE GAZOWO-PRZEPŁYWOWE

Zabezpieczenie gazowo-przepływowe (zabezpieczenie Buchholza) instaluje się na przewodzie rurowym łączącym kadź transformatora z konserwatorem. Jego zadaniem jest zabezpieczenie transformatora w następujących przypadkach:

- przy wszystkich zwarciach wewnątrz kadzi,

- podczas wydzielania się gazów na skutek rozkładu termicznego izolacji stałej,

- przy obniżeniu się poziomu oleju na skutek wycieków z kadzi.

Według krajowych przepisów zabezpieczenie to należy stosować dla wszystkich jednostek o mocach powyżej 1 MVA.
   Przekaźniki gazowo-przepływowe mają dwa stopnie. Pierwszy jest związany z obniżeniem się poziomu oleju wewnątrz przekaźnika, co może być spowodowane wyciekami z kadzi, lub - znacznie częściej - zbieraniem się gazu pod górną pokrywą przekaźnika. W tym drugim przypadku opadnięcie pływaka i zadziałanie pierwszego stopnia przekaźnika wymaga 100-300 cm3 gazu, przy czym może to być powolny proces akumulacji. Wydzielanie się gazu jest najczęściej spowodowane rozkładem izolacji. Istnieją jednak również inne przyczyny zadziałania pierwszego stopnia przekaźnika, takie jak:

- uszkodzenie styku rtęciowego lub pływaka;

- pojawienie się w przekaźniku gazów nagromadzonych w kadzi przy napełnianiu jej olejem;

- nagłe ochłodzenie transformatora; przy zmianie temperatury od 75°C do 25°C może wydzielić się powietrze absorbowane przez olej w ilości odpowiadającej 1,2% objętości oleju.

   Pierwszy stopień przekaźnika gazowego nie powoduje automatycznego wyłączenia transformatora, a jedynie uruchomienie sygnalizacji. Aby zweryfikować przyczynę alarmu, sprawdza się niekiedy, czy zgromadzony gaz płonie (w atmosferze powietrza), bo jeśli nie, to rozkład izolacji jako przyczyna zadziałania jest mało prawdopodobny. Jeżeli jednak gaz ten jest palny, to z dużą dozą prawdopodobieństwa można wnioskować o rozwijającym się zwarciu wewnętrznym i wówczas transformator należy możliwie szybko wyłączyć.
   Jeszcze lepszą oceną stanu zagrożenia jest analiza chromatograficzna gazu rozpuszczonego w oleju. Obecność takich składników, jak wodór, tlenek węgla, węglowodory nasycone i nienasycone - w odpowiednich ilościach - świadczą nie tylko o rozkładzie izolacji, lecz także mogą nawet wskazać, jaki rodzaj izolacji i w którym miejscu podlega uszkodzeniu. Jeśli łączna ilość tych palnych gazów przekracza 5%, transformator należy wyłączyć. Drugi stopień przekaźnika Buchholza działa, gdy przez rurę prowadzącą do konserwatora następuje przepływ gazu lub oleju (lub mieszanki olejowo-gazowej) z prędkością ok. 50 cm/s, co odpowiada przepływowi ok. 2300 cm³/s. Na każdą kilowatosekundę energii traconej w miejscu zwarcia przypada średnio 75 cm³ gazu. W celu spowodowania działania drugiego stopnia przekaźnika niezbędne jest wydzielanie się w miejscu zwarcia mocy wynoszącej ok.30 kW.
   Drugi stopień powinien działać ze zwłoką możliwie niewielką, wynoszącą według krajowych przepisów nie więcej niż 0,3 s przy przepływie oleju dwukrotnie większym niż dolna granica zadziałania. Jednak rzeczywiste opóźnienie względem chwili powstania zwarcia zależy od wielu czynników, takich jak usytuowanie miejsca zwarcia, ekranujące działanie elementów konstrukcyjnych, czy też zdolność kadzi do odkształcania się.
   Odporność drugiego stopnia przekaźnika na działania zbędne jest niestety nie największa, gdyż liczba wyłączeń nieprawidłowych sięga 20-30%. Za działanie może być spowodowane przyczynami nie mającymi nic wspólnego z uszkodzeniami wewnętrznymi, np. przepływem oleju przy nagłym wzroście obciążenia transformatora, drganiami uzwojeń, przez które przepływa bardzo duży prąd (udar prądu magnesowania, prąd zwarcia zewnętrznego), ruchem oleju spowodowanym włączeniem pomp olejowych, uszkodzeniami przekaźnika.
   W transformatorach bezkonserwatorowych, pracujących z poduszką gazową, zamiast przekaźników Buchholza stosuje się przekaźniki ciśnieniowe, reagujące na poziom ciśnienia wewnątrz kadzi i/lub na szybkość wzrostu tego ciśnienia. Rozwiązanie to jest rozpowszechnione na kontynencie amerykańskim.

Rys. 9. Schemat zabezpieczenia gazowo-przepływowego Buchholza.

gdzie:
1 - pływak
2 - klapa
3 - styk rtęciowy
4 - kurek do spuszczania próbek oleju
5 - kurek do pobierania gazów do analizy chemicznej

ZABEZPIECZENIE PRZECIĄŻENIOWE TRANSFORMATORÓW

Istnieją trzy rodzaje zabezpieczeń chroniących transformator przed nadmiernym wzrostem temperatury uzwojeń:

- zabezpieczenie termometryczne,

- zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne,

- zabezpieczenie oparte na modelu cieplnym.

Zabezpieczenie termometryczne

Wykonane jest jako dwustopniowy termometr stykowy, mierzący temperaturę górnej warstwy oleju. Pierwszy stopień jest nastawiony na wartość 85°C, drugi zaś na 95°C. Obydwa stopnie działają na sygnalizację. W stacjach bez obsługi wykorzystuje się niekiedy działanie drugiego stopnia na sygnalizację oraz na otwarcie wyłącznika dolnej strony transformatora. Takie zabezpieczenie stosuje się dla transformatorów o mocach większych niż 5 MVA.

Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne

Wykonane są one jako jednofazowe przekaźniki pobudzające człon zwłoczny i nastawione według następującej reguły:

gdzie:
I_NT- znamionowy prąd uzwojenia tej strony transformatora, po której jest instalowany przekaźnik,
K_i - przekładnia przekaźnika prądowego

Opóźnienie członu zwłocznego wynosi ok.10 s. W transformatorach dwuuzwojeniowych zabezpieczenie instaluje się po stronie niższego napięcia, a w transformatorach trójuzwojeniowych - po każdej stronie. W polskim systemie elektroenergetycznym zabezpieczenie takie stosuje się dla transformatorów o mocach większych niż 5 MVA.

Zabezpieczenie oparte na modelu cieplnym

Zabezpieczenie to jest stosowane w celu odtworzenia temperatury najgorętszego punktu w uzwojeniach. Najczęściej jest to rezystor umieszczony w górnej warstwie oleju, przez który przepływa prąd z przekładnika zainstalowanego na jednej z faz transformatora. Charakterystyka nagrzewania (stała czasowa) modelu odpowiada charakterystyce nagrzewania transformatora, temperatura modelu odwzorowuje bowiem temperaturę najgorętszego miejsca w uzwojeniach zarówno w stanach ustalonych, jak i przejściowych. Wbudowany w model termometr rezystancyjny ma dwa stopnie. Pierwszy, nastawiony przeważnie na 105°C, działa na sygnał. Drugi stopień jest nastawiany na ok. 110°C i działa na sygnał oraz steruje załączeniem urządzeń chłodzących. Rozwiązanie takie stosuje się dla jednostek bardzo dużych mocy.

ZABEZPIECZENIE OD NADMIERNEGO STRUMIENIA W RDZENIU

Nadmierny strumień w rdzeniu nie powinien powodować zadziałania zabezpieczeń różnicowych, ale nie należy dopuścić, aby trwał przez dłuższy czas.
Dlatego stosuje się zabezpieczenie, zwane niekiedy zabezpieczeniem V/Hz (wzrost strumienia jest bowiem proporcjonalny do wzrostu napięcia i odwrotnie proporcjonalny do wzrostu częstotliwości), które szacuje wartość szczytową strumienia w rdzeniu. Jeśli wartość ta przekroczy wartość znamionową o 20-30% w czasie powyżej kilkudziesięciu sekund, to zabezpieczenie działa uruchamiając sygnalizację. Istnieje wiele rozwiązań analogowych i cyfrowych tego typu zabezpieczenia. Wraz z tendencją do wykorzystywania cyfrowych zintegrowanych zabezpieczeń w systemach elektroenergetycznych stosowanie kontroli nadmiernego poziomu strumienia w rdzeniu będzie zapewne coraz powszechniejsze.

Zabezpieczenia Transformatorów

2

Maciej Hetman, Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, spec. Elektroenergetyka

---