Защита трансформатора СН/НН от повышения температуры, перегрузок, короткого замыкания и перенапряжения

Свойства трансформатора, которые вы ДОЛЖНЫ знать

При правильном выборе типа трансформатора инженеру-электрику необходимо знать его различные электрические и тепловые свойства, а также стойкость к нагрузкам, вызванным неисправностями или нормальной эксплуатацией самого трансформатора. Это важно знать.

Таким образом, технология изготовления трансформатора также определяет выбор адекватной защиты. Давайте поговорим о четырех наиболее важных аспектах защиты силовых трансформаторов среднего/низкого напряжения и о том, как они реализуются.

1. Защита от повышения температуры

Во время нормальной работы трансформатор имеет потери холостого хода и потери нагрузки, которые в основном выражаются в рассеянной тепловой энергии. Эта энергия зависит от конструкции самого трансформатора, его мощности и условий установки.

Следует помнить, что термически рассеянная энергия пропорциональна температуре трансформатора минус температура в помещении. При заданной комнатной температуре, температура самого трансформатора зависит главным образом от потерь нагрузки.

По мере увеличения нагрузки, следовательно, увеличиваются потери и температура в помещении, что способствует более быстрому разрушению изоляции и, следовательно, большей вероятности выхода из строя диэлектрика.

Эта ситуация также может возникнуть, когда при равных потерях из-за нагрузки температура в помещении и, следовательно, температура трансформатора увеличиваются.

ПРИМЕЧАНИЕ! Стандарты определяют классы изоляции и указывают максимальные температуры, которые могут быть достигнуты трансформаторами при их нормальной работе и которые не должны превышаться .

Таблица 1 – Классы изоляции

Повышение температуры зависит не только от нагрузки и сверхтоков, которые могут быть обнаружены устройствами защиты, но и от факторов окружающей среды (неэффективность системы охлаждения, неисправность принудительной вентиляции и повышение температуры в помещении), влияющих на рассеивание тепла. за счет удельных потерь трансформатора.

По этой причине обычно используются электронные устройства для измерения температуры. Они необходимы для подачи сигнала тревоги или срабатывания защиты трансформатора.

Для большинства трансформаторов доступны следующие датчики температуры: термодатчики Pt100 и термисторы PTC.

1. PT100 – подает сигнал, пропорциональный контролируемой температуре.
2. PTC — подает сигнал ВКЛ/ВЫКЛ в зависимости от того, меньше или больше измеренная температура порогового значения датчика.

Датчики расположены в горячей точке обмотки. Оба сигнала PT100 и PTC должны обрабатываться блоком контроля температуры, который не является частью стандартного оборудования.

По запросу доступны другие аксессуары для проверки температуры:

• Отдельный температурный дисплей для установки на дверце распределительного щита.
• Выходное реле для сигнализации, разблокировки и управления вентиляторами

Таблица 2 – Типовые значения аварийной сигнализации и температуры срабатывания трансформатора

Таблица 3 – Пределы повышения температуры для трансформаторов с литой изоляцией.

1.1 Вентиляция трансформаторов

Как было сказано ранее, в процессе эксплуатации трансформатор выделяет тепло за счет потерь. Это тепло должно отводиться из помещения, где установлен трансформатор. Для этого необходимо обеспечить достаточную естественную вентиляцию помещения.

В противном случае  необходимо установить принудительную вентиляцию .

CEI UNEL 21010 и эквивалентные стандарты IEC гласят, что температура воздуха в помещении, где установлена ​​установка, не должна превышать следующих значений:

• 20°C среднегодовая
• 30°C в среднем ежедневно
• 40°C максимум

Система защиты от повышения температуры должна быть откалибрована на основе максимального значения комнатной температуры 40°C плюс максимальное повышение температуры, определенное стандартами, и дельта К горячей точки, в которой установлены датчики.

Хорошая система охлаждения получается, когда поток воздуха входит снизу, пересекает помещение, где установлен трансформатор, и свободно выходит сверху в противоположную часть (это обязательно во многих местных стандартах).

Чтобы оценить эффективность естественной вентиляции и, следовательно, проверить сечение вентиляционных отверстий и возможную высоту размещения, необходимо учитывать следующие переменные:

• TL = общие потери в кВт
• ΔT = разница температур между входом и выходом воздуха
• Q = расход воздуха через нижнее окно в м ³ /сек
• H = расстояние в метрах от середины кабины до середины верхнего окна (выходного окна).

Обозначим чистую площадь нижнего воздухозаборного окна в м2 ⁽ исключая решетку) через S. Предполагая, что ΔT = 15°C, формула для определения размеров воздухозаборного окна:

S = 0,185 × (TL × √H)

ПРИМЕЧАНИЕ! – При других значениях ΔT необходимо проконсультироваться со специалистом производителя.

Выходное окно (S’) должно быть примерно на 15 % больше, чем входное окно. Если расчетный поток воздуха не может быть получен, следует использовать вентиляционные решетки.

Если трансформаторная комната маленькая или плохо проветривается, используйте принудительную вентиляцию. Это необходимо также при среднегодовой температуре выше 20°C или при частых перегрузках трансформатора.

Чтобы не нарушать естественную конвекцию в помещении, в верхнем отверстии можно установить вытяжку воздуха, возможно управляемую термостатом.

1.2 Проверка температуры

Температуру можно проверить с помощью датчиков температуры Pt100 или термометров. Альтернативным решением является использование датчиков PTC , недостатком которых является невозможность отображения температуры . Эти системы используются для проверки температуры низковольтных обмоток.

Для трансформаторов, питающих статические преобразователи тока, также следует проверять температуру магнитопровода.

1.3 Использование датчиков PTC

В трехфазных трансформаторах система контроля состоит из трех датчиков, по одному на фазу, соединенных последовательно. Датчики представляют собой просто сопротивления, которые посылают сигнал на реле при превышении порога температуры срабатывания.

Условия работы датчика быстро сбрасываются, когда температура падает ниже порога 3°K. Когда есть две системы мониторинга, одна подает сигнал тревоги, а другая освобождает. Температурные значения двух систем отклоняются на 20°К.

Когда реле защиты питается от сети, обслуживаемой трансформатором, контакт с задержкой подавляет сигналы тревоги и отпускания с момента ввода трансформатора в эксплуатацию до подачи питания на катушку реле.

Где:

1. Датчики температуры
2. Реле защиты
3. Тревога или освобождение
4. Отложенный контакт
5. Клеммная колодка трансформатора

2. Защита от перегрузок

Перегрузка — это явление, которое возникает, когда значение тока, потребляемого системой, превышает номинальное значение. Сохранение перегрузки неизбежно приводит к превышению допустимых пределов повышения температуры, установленных для трансформатора, с последующим риском повреждения изоляционных материалов.

В исключительных случаях, в определенных нештатных условиях эксплуатации, допустимо превышение пороговых значений перегрузки и повышения температуры в ущерб ожидаемому сроку службы трансформатора.

Такая ситуация иногда предпочтительнее перерыва в работе (из-за временного пика мощности), что может привести к значительному материальному и экономическому ущербу.

В большинстве случаев перегрузки носят кратковременный характер и поэтому обычно не влияют на тепловое равновесие. «Приемлемый» уровень перегрузки зависит от потребности пользователя в непрерывности обслуживания и от типа самой системы.

Для трансформаторов с изолирующей жидкостью циркуляция охлаждающего масла и форма герметизирующих баков радиатора позволяют быстро восстановить изоляцию и уменьшить частичные разряды, а также позволяют быстро достичь рабочей температуры трансформатора.

Для трансформаторов с литой изоляцией компонентом охлаждения является воздух, поэтому для достижения рабочей температуры требуется больше времени. В этих условиях трансформаторы с литой изоляцией могут быть более перегружены и, таким образом, могут использоваться в системах с нагрузкой, где часто возникают пусковые токи отключения. Это справедливо до тех пор, пока повышение температуры на обмотках не остается слишком долго выше допустимых значений.

Частичным решением проблемы может быть использование радиальных вентиляторов, закрепленных на трансформаторах с литой изоляцией, допускающих временную перегрузку трансформатора до 150% номинальной мощности.

Однако следует помнить, что с увеличением мощности увеличиваются потери из-за нагрузки. Поскольку они зависят от квадрата тока, они могут достигать 2,25-кратного номинального значения.

Осевые вентиляторы следует использовать только в особых и временных случаях для охлаждения обмоток или для обеспечения своего рода запаса мощности, который можно использовать в аварийных ситуациях.

2.1 Перегрузка публичного распространения

При публичном распространении в краткосрочной перспективе приоритет отдается непрерывности обслуживания. По этой причине перегрузки обычно не приводят к отключению трансформатора.

Опять же по той же причине, как правило, низковольтные цепи всегда имеют завышенные параметры, и, следовательно, перегрузка трансформатора никогда не соответствует перегрузке
проводников.

Однако следует обратить внимание, когда перегрузки повторяются слишком часто. В этой ситуации распределительной организации следует заменить трансформатор на модель большей мощности.

2.2 Перегрузка в промышленной дистрибуции

В промышленной установке перегрузка может продолжаться в течение короткого или длительного времени. В этих установках главный распределительный щит, оборудованный защитными автоматическими выключателями от перегрузки и короткого замыкания, всегда находится сразу после трансформаторов.

Фактически управление перегрузкой делегировано автоматическим выключателям на стороне низкого напряжения, которые отключают нагрузку автоматически или контролируемым образом.

2.3 Перегрузка в распределении услуг

В объектах обслуживания, таких как офисы и торговые центры, непрерывность обслуживания имеет основополагающее значение. В этих типах приложений условия постоянной
нагрузки, которые имеют пусковые режимы или подобное поведение, возникают редко.

Чтобы гарантировать максимальную непрерывность работы даже при перегрузках, важно, чтобы нагрузки,  считающиеся неприоритетными, управлялись и отключались при необходимости трансформатором на стороне низкого напряжения.

2.4 Защита от перегрузок с помощью автоматических выключателей

Для правильной защиты от перегрузок значения тока, потребляемого системой, не должны превышать пороговое значение между 110 и 150 % номинального тока.

Защита от перегрузки может быть предусмотрена как на стороне среднего напряжения, так и на стороне низкого напряжения, в зависимости от мощности трансформатора. Для трансформаторов малой мощности защиту следует располагать со стороны низкого напряжения, а для трансформаторов большой мощности защиту следует предусматривать со стороны среднего напряжения.

Защита от перегрузок на стороне СН обеспечивается с помощью автоматических выключателей СН,  связанных с максимальной токовой защитой с постоянной или независимой выдержкой времени. Эти автоматические выключатели также гарантируют защиту от высоких токов короткого замыкания.

Вместо этого защита со стороны НН обеспечивается автоматическими выключателями НН, установленными в главном распределительном щите. Эти автоматические выключатели имеют обратнозависимую характеристику времени, которая защищает трансформатор. Для правильной защиты трансформатора автоматический выключатель регулируется  в зависимости от номинального тока вышестоящего трансформатора.

Однако следует также принимать во внимание селективную координацию автоматического выключателя по отношению к другим автоматическим выключателям, установленным на стороне НН, а также любые неисправности, которые могут возникнуть на расстоянии от трансформаторов, между фазами или между одной фазой и Земля.

В этом случае помните, что ток короткого замыкания ниже ( примерно в 2–3 раза больше тока трансформатора I _n ). Эти типы ошибок нельзя недооценивать. Даже если они небольшие, но постоянные, они могут нанести серьезный ущерб трансформатору.

Для соответствующей защиты трансформатора от этих неисправностей должны быть предусмотрены автоматические выключатели с расцепителями с функцией «тепловой памяти» .

2.5 Защита от перегрузок посредством измерения температуры

Как указывалось ранее, перегрузка в основном связана с повышением температуры, которое является реальным компонентом, который необходимо контролировать, поскольку его последствия могут привести к быстрому износу изоляционных материалов и нарушению диэлектрических свойств трансформатора.

Проверка температуры является определяющим фактором защиты самого трансформатора. Поэтому для контроля температуры трансформаторы с литой изоляцией обычно оснащаются терморезисторами, которые, в свою очередь, подключаются к электронным блокам управления, которые сигнализируют или непосредственно отключают трансформатор при превышении определенных пороговых значений.

В большинстве трансформаторов с литой изоляцией эти терморезисторы установлены рядом с частями, наиболее важными с тепловой точки зрения.

Вместо этого для масляных трансформаторов измерение температуры осуществляется с помощью термостатов. Диэлектрическая жидкость действует как охлаждающая жидкость для обмоток и способствует выравниванию внутренней температуры трансформатора.

Использование термостата в качестве измерительного устройства позволяет управлять несколькими пороговыми значениями срабатывания, которые можно использовать, например, для активации переключения нагрузки или для принудительного охлаждения трансформатора.

3. Защита от короткого замыкания

Справочные стандарты определяют, что трансформаторы должны быть спроектированы и изготовлены таким образом, чтобы без повреждений выдерживать тепловые и механические воздействия, вызванные внешними короткими замыканиями.

Полное сопротивление низковольтных цепей является определяющим фактором для расчета токов короткого замыкания, которые могут быть опасными с точки зрения электромеханических нагрузок для трансформатора с неисправностью непосредственно после трансформатора.

Неисправность на стороне низкого напряжения вблизи клемм трансформатора вызывает термическую нагрузку и механическую нагрузку на сам трансформатор, которые зависят от значений и продолжительности неисправности.

Трансформаторы рассчитаны на то, чтобы выдерживать короткие замыкания между их клеммами в наиболее критической ситуации,  которая соответствует наличию бесконечного источника неисправности  и короткого замыкания.

Однако следует помнить, что повторяющиеся неисправности могут иметь кумулятивный эффект, который может способствовать быстрому старению изоляционного материала. Для решения этой проблемы должны быть предусмотрены защитные устройства (предохранители или автоматические выключатели), которые могут ограничить эти эффекты и снизить риск повреждения трансформатора из-за тепловых эффектов.

Для эффективной защиты должны быть предусмотрены соответствующие защитные устройства как на стороне низкого напряжения, так и на стороне высокого напряжения (с учетом любых необходимых избирательных согласований).

3.1 Защита от короткого замыкания предохранителями среднего напряжения

Поскольку предохранители недороги и просты в использовании, они широко используются для защиты распределительных трансформаторов в сетях общего пользования. В то время как простота и цена являются определенными преимуществами, тем не менее верно, что существуют ограничения в использовании предохранителей.

Они часто используются в условиях низкой защищенности, где не требуются особые требования избирательной координации или непрерывности обслуживания.

Предохранители имеют номинальный ток и свойство плавления время/ток. Предохранители среднего напряжения обычно доступны в 2 версиях:

1. Выталкивающие предохранители и
2. Ограничительные предохранители.

Первые обычно используются в системе распределения воздуха. Вторые, как правило, более широко используются из-за их способности реагировать на большие токи в течение нескольких миллисекунд. Высокая скорость срабатывания — это параметр, который обеспечивает способность ограничения самого предохранителя и обеспечивает адекватную защиту даже в самых серьезных условиях, снижая риск повреждения трансформатора и связанных с ним цепей.

Однако выбор наиболее подходящего предохранителя с точки зрения защиты очень сложен и должен учитывать различные факторы.

Ошибка в выборе предохранителя может фактически привести к неправильной работе из-за его плавления, если он имеет недостаточный размер, или к отсутствию защиты, если он имеет избыточный размер.

Критериями правильного выбора предохранителя являются:

1. Рабочее напряжение трансформатора
2. Токи включения
3. Уровень временной перегрузки трансформатора
4. Время, необходимое для устранения неисправности на стороне НН
5. Уровень селективности с защитой НН

3.2 Защита от короткого замыкания с помощью автоматического выключателя СН

Для получения более эффективной защиты с регулируемыми уровнями порогов тока и времени срабатывания, а также для получения селективности по отношению к защитам, расположенным после трансформатора на стороне НН, все чаще используются высоковольтные автоматические выключатели.

Выключатели среднего напряжения, расположенные перед трансформатором, имеют защитные реле с порогами, которые редко соответствуют номинальному току контролируемого трансформатора . Это означает, что кривые защиты сдвигаются в сторону более высоких значений тока с последующим повышением уровня селективности.

Защитный автоматический выключатель, предназначенный для трансформатора среднего напряжения, должен обладать следующими характеристиками:

1. Большая скорость срабатывания устройства защиты СН непосредственно вверх по течению;
2. Максимально возможное быстродействие для более высоких токов значения тока короткого замыкания на стороне НН;
3. Они должны пропускать ток включения
4. Они должны гарантировать контроль зоны перегрузки

4. Защита от перенапряжения

На трансформаторы могут влиять переходные перенапряжения в сети, к которой они подключены. Эти перенапряжения из-за прямых или непрямых ударов молнии или электрических операций на машинах, установленных на стороне НН, могут, в свою очередь, вызвать напряжения в диэлектрике трансформатора, что может привести к его быстрому старению и последующему выходу из строя во времени, что приведет к неисправностям на трансформатор.

Наиболее критические условия обычно возникают, когда напряжение на трансформаторах отключается неавтоматическими выключателями, которые  прерывают токи.

Следует помнить, что серьезность перенапряжения зависит от пикового значения и скорости изменения напряжения, как факторов, которые приводят к неравномерному распределению напряжений в обмотках.

Риск воздействия перенапряжения в первую очередь связан с местом установки, а затем со следующими факторами:

1. Тип распределительной сети СН и тип сети НН (наземная или подземная);
2. Имеются ли устройства ограничения перенапряжения (разрядники или разрядники);
3. Длина и тип подключения к сети/трансформатору;
4. Тип подключаемого оборудования и условия эксплуатации;
5. Качество соединения земли и кабины.

Неисправности, вызванные перенапряжением, касаются изоляции трансформатора и его компонентов и могут быть разделены на:

1. Неисправности между витками одной и той же обмотки (наиболее частый случай);
2. Неисправности между обмотками;
3. Неисправности между находящейся под напряжением обмоткой и соприкасающейся частью проводника (сердечником или баком).

Для эффективной защиты трансформаторов от перенапряжений можно использовать искровые разрядники и ограничители перенапряжений (которые работают намного лучше).