Виды повреждений и ненормальных режимов трансформаторов.
Ответ: Трехфазные и двухфазные КЗ на стороне ВН. Короткие замыкания, называемые междуфазными, могут происходить между наружными выводами обмоток ВН или НН, расположенными на крышке бака (корпуса) трансформатора или между обмотками внутри бака, причем последние случаются сравнительно редко, особенно трехфазные КЗ внутри бака. Наиболее опасными для самого трансформатора и для электроприемников прилегающей электрической сети являются трехфазные КЗ па выводах обмотки ВН, поскольку они сопровождаются большими токами КЗ и могут вызывать глубокие понижения напряжения на зажимах других электроприемников. При этом у асинхронных электродвигателей (двигатели Мна рис. 1,а) снижается частота вращения и, если КЗ не будет быстро отключено, двигатели остановятся, что вызовет нарушение работы предприятия.
Значение тока при трехфазном КЗ на выводах трансформатора 10 кВ (трансформатор Т2 на рис. 1), если он установлен вблизи питающей подстанции 110/10 кВ, равно значению тока КЗ на шинах 10 кВ этой подстанции. Если трансформатор 10 кВ питается по воздушной или кабельной линии 10 кВ, при расчете тока трехфазного КЗ необходимо учесть сопротивление этой линии. При значительной мощности электродвигателей (двигатели М на рис. 1,а) следует учитывать возможность существенного увеличения тока в месте КЗ за счет кратковременной подпитки от электродвигателей.
Рис. 1. Распределение токов (а) и векторные диаграммы токов и напряжений при металлическом трехфазном (б) и двухфазном (в, г] КЗ на выводах понижающего трансформатора со стороны питания.
При трехфазном КЗ токи в месте КЗ одинаковы по значению во всех трех фазах, их векторы сдвинуты относительно друг друга на 120° (рис. 1,а,б). Напряжения всех трех фаз в месте трехфазного КЗ равны нулю.
При двухфазном КЗ токи проходят только в двух замкнувшихся фазах (например, В и С). Их значения равны между собой, а векторы сдвинуты на 180° (рис. 1,в). Значения токов в месте двухфазного КЗ в распределительных электросетях можно, приближенно считать на 15% меньшими, чем значения токов при трехфазном КЗ в той же точке. Ток в неповрежденной фазе считается равным нулю. Напряжение неповрежденной фазы (А при КЗ между фазами В и С) сохраняется равным номинальному фазному (на рис. 1,г Uк А= Uф), а фазные напряжения замкнувшихся фаз уменьшаются в 2 раза по сравнению с номинальным. Междуфазное напряжение Uмф поврежденных фаз в месте КЗ равно нулю (Uк В-Сна рис. 1,г), а два других междуфазных напряжения в 1,5 раза превышают фазное, т. е. каждое из них всего лишь примерно па 15% ниже номинального междуфазного напряжения сети. При этом электродвигатели продолжают работать и можно было бы не спешить с отключением двухфазного КЗ, но из опыта хорошо известно, что двухфазное КЗ быстро переходит в трехфазное и вызывает дополнительные разрушения. Поэтому все междуфазные КЗ на выводах ВН и внутри трансформатора должны отключаться мгновенно или, в крайнем случае, с минимальным замедлением (до 0,5 с), если это замедление необходимо и обоснованно.
Однофазное замыкание на землю (на корпус) на стороне ВН. В сетях 10 кВ, так же как и 3; 6; 20 и 35 кВ, работающих в нашей стране с изолированной или компенсированной нейтралью, токи при однофазном замыкании на землю не превышают нескольких ампер: например, для сетей 10 кВ они составляют 20 А [2]. Специальная защита от этого вида повреждения на трансформаторах 10 кВ не предусматривается, но на кабельной или кабельно-воздушной линии 10 кВ, по которой получают питание один или несколько трансформаторов, устанавливается защита (сигнализация) однофазных замыканий на землю [3, 4].
Витковые замыкания. Замыкания между витками одной фазы обмотки трансформатора, как правило, не сопровождаются большими токами, как это происходит при междуфазных КЗ. При малой доле замкнувшихся витков (по отношению к общему числу витков обмотки) ток этого вида повреждения может быть значительно меньше номинального тока трансформатора и это повреждение трудно обнаружить с помощью максимальных токовых защит, реагирующих на увеличение тока сверх номинального. Из существующих типовых защит трансформаторов только газовая защита масляных трансформаторов реагирует на витковые замыкания, так как они сопровождаются горением электрической дуги и местным нагревом, что вызывает разложение трансформаторного масла и изоляционных материалов и образование летучих газов. Газы вытесняют масло из бака трансформатора в расширитель и вызывают действие газового реле (§ 10). В соответствии с ГОСТ 11677—85 все масляные трансформаторы мощностью 1 MB-А и более с расширителем должны быть снабжены газовым реле. Для внутрицеховых трансформаторов газовая защита обязательна при мощности трансформатора 630 кВ-А и более [1].
Рис. 2. Распределение токов и векторные диаграммы полных токов при двухфазном КЗ за трансформаторами 10/0,4 кВ со схемами соединения обмоток Y/Y-0 (а, 6, в) и ∆/Y-11 (г, д, е) при условно принятом коэффициенте трансформации трансформатора N = 1
Междуфазные КЗ за трансформатором. Эти повреждения могут происходить на выводах обмотки НН трансформатора, на сборных шинах НН и на отходящих элементах питаемой сети НН. Наибольшее значение тока соответствует трехфазному КЗ, причем во всех трех фазах токи равны между собой, как на стороне НН, так и на стороне ВН (см. рис. 1,6).
При двухфазном КЗ на стороне НН векторная диаграмма токов в месте КЗ аналогична рис. 1,6. А распределение токов в обмотке ВН при этом зависит от схемы и группы соединения обмоток трансформатора. У трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y-0 или Y/Y-0 распределение токов и векторные диаграммы токов одинаковы для сторон НН и ВН(рис.2,а—в). Для удобства сравнения векторных диаграмм токов в обмотках НН и ВН коэффициент трансформации трансформатора принят равным единице: N = 1, что соответствует трансформатору, например 10/10 кВ.
При таком же двухфазном КЗ, но за трансформатором со схемой соединения обмоток ∆/Y-11, распределение токов и векторная диаграмма токов на стороне ВН имеют другой вид (рис. 2,г—е). Характерно, что на стороне ВН токи проходят во всех трех фазах и один из фазных токов в два раза больше двух других, причем этот больший из токов по значению равен току трехфазного КЗ, если бы оно произошло в том же месте, где двухфазное КЗ (рис. 2).
Рис. 3. Распределение токов (а) и векторные диаграммы (б и в ) токов прямой и обратной последовательности и полных токов на сторонах ВН и НН при двухфазном КЗ за трансформатором со схемой соединения Y/∆-11.
При таком же двухфазном КЗ, но за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/∆-11 (рис. 3), векторная диаграмма токов на стороне ВН оказалась повернутой па угол 180° по сравнению с диаграммой на рис. 2, д. На рис. 3, 6 ,в показано с помощью известного метода симметричных составляющих, каким образом происходит трансформация симметричных составляющих токов прямой и обратной последовательности со стороны НН (∆) на сторону ВН (Y) и каким образом получены векторные диаграммы полных токов на сторонах ВН и НН трансформатора.
В соответствии с этим методом векторная диаграмма токов в месте двухфазного КЗ (например, между фазами В и С), состоящая из двух векторов, т. е. несимметричная по сравнению с диаграммой трех фазных токов, может быть представлена двумя симметричными векторными диаграммами токов прямой и обратной последовательности (рис. 3,в). Для проверки правильности этих диаграмм произведем геометрическое сложение векторов токов прямой и обратной последовательностей каждой фазы:
В результате этого геометрического сложения получается исходная векторная диаграмма полных токов в месте двухфазного КЗ между фазами В и С (рис. 3, б). Аналогичные диаграммы токов соответствуют двухфазным КЗ между другими фазами, например А и В(отсутствует ток в фазе С). В распределительных сетях (без учета электродвигателей и генераторов местных электростанций) значения векторов токов прямой и обратной последовательности I1 и I2 равны между собой и составляют половину фазного тока при трехфазном КЗ, т. е.
Значения полных токов в поврежденных фазах (В и С на рис. 3,в) в 1,73 раза больше, т. е
Таким образом, ток при двухфазном КЗ несколько (примерно на 15%) меньше, чем при трехфазном КЗ, о чем уже упоминалось выше.
Для построения векторной диаграммы полных токов на стороне ВН (Y) трансформатора со схемой и группой соединения обмоток Y/∆-11 при двухфазном КЗ на стороне НН (∆) необходимо выполнить следующее:
векторную диаграмму токов прямой последовательности на стороне НН повернуть на угол —30° (по часовой стрелке);
векторную диаграмму токов обратной последовательности на стороне НН повернуть на угол +30о (против часовой стрелки).
Повороты векторов тока объясняются наличием фазового сдвига между токами на сторонах ВН и НН, равного 30° (группа соединения обмоток этого трансформатора потому и называется «одиннадцатой» или «одиннадцатичасовой», что угол фазового сдвига между векторами токов на сторонах ВН и НН равен углу между часовой и минутной стрелками часов, когда они показывают 11 часов). После построения векторных диаграмм токов прямой и обратной последовательности на стороне ВН (рис. 3,6) производится геометрическое сложение векторов токов прямой и обратной последовательности каждой фазы. В результате этого сложения получается векторная диаграмма полных токов на стороне ВН. Так же как и при двухфазном КЗ за трансформатором ∆/Y-11 (рис. 2, г—е), на стороне ВН трансформатора Y/∆-11 токи КЗ проходят во всех трех фазах и один из фазных токов в два раза больше двух других, причем этот больший из токов по значению равен току трехфазного КЗ (поскольку каждая из составляющих тока, прямой и обратной последовательности, равна половине фазного тока при трехфазном КЗ). Различие во взаимном расположении и наименовании фаз токов на сторонах ВН (рис. 2,д н 3,6) объясняется тем, что при трансформации симметричных составляющих через трансформатор ∆/Y-11 со стороны Y на сторону ∆ векторная диаграмма токов прямой последовательности поворачивается па угол +30° (против часовой стрелки), а векторная диаграмма токов обратной последовательности— на угол —30° (по часовой стрелке). Эту особенность трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/∆-11 и ∆/Y-11 учитывают при выполнении их максимальной токовой защиты на стороне ВН, устанавливая три токовых реле для того, чтобы при любом виде двухфазного КЗ за трансформатором в одном из реле проходил больший из токов, равный току трехфазного КЗ (§ 8).
Однофазные КЗ за трансформатором.Эти повреждения характерны для трансформаторов, у которых обмотка НН соединена в звезду с выведенной нейтралью и эта нейтраль имеет глухое заземление (рис. 4 и 5). Есть основания считать, что большинство коротких замыканий в сетях 0,4 кВ с глухо заземленной нейтралью начинается с однофазного и, если быстро не отключить однофазное КЗ, оно переходит в более тяжелое — междуфазное КЗ, чаще всего в трехфазное, которое сопровождается большими токами и которое должно отключаться максимальными токовыми защитами от междуфазных КЗ, менее чувствительными и менее быстродействующими, чем защиты нулевой последовательности от КЗ на землю на стороне НН (§ 9). Полезно знать и токораспределение, и значения токов на стороне ВН трансформатора при КЗ на землю на стороне НН. Векторные диаграммы токов на стороне ВН зависят от схемы и группы соединения трансформатора и различны для трансформаторов Y/Y-0 и ∆/Y-11 (рис. 4, 5).
Рис. 4. Распределение токов (а) и векторные диаграммы (б и в) токов прямой, обратной и нулевой последовательности и полных токов на сторонах ВН и НН при однофазном КЗ на землю затрансформатором со схемой соединения обмоток Y/Y-0
Рис. 5. Распределение токов (о) и векторные диаграммы (б и s) токов прямой, обратной и нулевой последовательности и полныхтоков на сторонах ВН и НН при однофазном КЗ па землю за трансформатором со схемой соединения обмоток ∆/Y-11.
Векторная диаграмма тока в месте однофазного КЗ на стороне НН состоит из одного вектора тока замкнувшейся фазы, например фазы А, вне зависимости от того, питается сеть НН через трансформатор Y/Y или ∆/Y. Эта несимметричная векторная диаграмма может быть представлена тремя симметричными векторными диаграммами токов прямой, обратной и нулевой последовательности, которые показаны на рис. 4, б и 5,б. Для проверки следует произвести геометрическое сложение симметричных составляющих токов каждой из трех фаз:
Все симметричные составляющие имеют равные значения: Iк НН/3. Ток однофазного КЗ часто обозначают 3I0 и называют утроенным током нулевой последовательности.
Токораспределение и векторная диаграмма токов на стороне ВН трансформатора со схемой соединения Y/Y-0 показаны на рис. 4, а, б. Фазового сдвига между токами обмоток ВН и НН здесь нет, но составляющие нулевой последовательности не трансформируются на сторону ВН, поскольку токи одного направления не могут проходить по фазным обмоткам ВН, соединенным в звезду без выведенной и заземленной нейтрали (как на стороне НН). Поэтому на сторону ВН трансформируются симметричные составляющие только прямой и обратной последовательности. Поскольку в учебных целях принято, что коэффициент трансформации трансформатора N=1, векторные диаграммы токов этих последовательностей одинаковы на сторонах ВН и НН. Складывая геометрически векторы токов этих последовательностей на стороне ВН, получаем векторную диаграмму полных токов, по которой видно, что в одной из фаз (поврежденной фазе А) проходит ток, в 2 раза больший, чем в двух других, а значение этого большого тока равно 2/3 тока однофазного КЗ, проходящего на стороне НН (при N = 1). Если коэффициент трансформации трансформатора не равен 1, например 10/0,4 = 25, то значение тока КЗ на стороне ВН следует поделить еще на 25 (§ 3). В двух других фазах ВН проходят токи, в 3 раза меньшие, чем ток однофазного КЗ на стороне НН (при N=1). Это является одной из причин недостаточной, как правило, чувствительности максимальной токовой защиты на стороне ВН трансформаторов Y/Y-0 при однофазных КЗ на землю на стороне НН. И это же указывает на необходимость выполнения на стороне НН специальной токовой защиты нулевой последовательности от однофазных КЗ на землю (§ 9).
На рис. 5,6 показано построение векторной диаграммы полных токов на стороне ВН трансформатора со схемой соединения обмоток ∆/Y при однофазном КЗ на стороне НН. При трансформации векторная диаграмма токов прямой последовательности поворачивается на угол +30° (против часовой стрелки), а векторная диаграмма токов обратной последовательности— на угол —30° (по часовой стрелке). Токи нулевой последовательности I0 также трансформируются на сторону ВН, но замыкаются в обмотке ВН, соединенной в треугольник, и поэтому отсутствуют в полных линейных токах на этой стороне трансформатора. Геометрически складывая токи прямой и обратной последовательности каждой фазы, получаем векторную диаграмму полных токов, которая состоит из двух векторов, направленных в противоположные стороны. Поскольку каждая из симметричных составляющих равна Ik.нн/3, то значение полных токов на стороне ВН
таким образом, при однофазном КЗ на землю за трансформатором ∆/Y-11 на стороне ВН (∆) токи КЗ проходят в двух фазах, их векторы сдвинуты на 180°, а значение равно
Сверхтоки при перегрузках.Перегрузкой называется ненормальный режим работы трансформатора, при котором ток через трансформатор более чем на 5 % превышает номинальное паспортное значение тока при соответствующем ответвлении обмотки ВН. Различают перегрузки, вызванные неравномерностью графика нагрузки и аварийными ситуациями. Аварийные перегрузки допускаются в исключительных случаях, например при отключении одного из трансформаторов двухтрансформаторной подстанции, когда в результате срабатывания устройства АВР к работающему трансформатору подключается дополнительная нагрузка. Допустимые перегрузки указываются в соответствующих стандартах и директивных материалах. В ГОСТ 14209—85 для масляных трансформаторов (М) классов напряжения до 110 кВ включительно при температуре охлаждающего воздуха от —20 °С и ниже и до +30 °С допускаются следующие аварийные перегрузки (без учета предшествующей нагрузки): от 2 до 1,9 номинального тока трансформатора в течение 30 мин и от 2 до 1,7 — в течение 1 ч; при +40°С— соответственно 1,7 и 1,4. Перегрузки длительностью 24 ч допускаются от 1,6 при —20°С и ниже и до 1,2 при +30 =С и 1,1 номинального тока трансформатора при +40 °С. Для конкретных масляных трансформаторов серий ТМ и ТМВМ напряжением 6 и 10 кВ мощностью до 630 кВ-Л, установленных в распределительных электрических сетях и питающих коммунально-бытовую нагрузку, производственные, смешанные (производственные и коммунально-бытовые) и другие виды нагрузок, допускаются перегрузки, указанные в табл. 1 в долях номинальной мощности трансформатора [5]. Такие же перегрузки допускаются и по току. Трансформаторы масляные герметичной серии (ТМГ) рассчитаны на систематические перегрузки до 1,5 номинального тока. Для сухих трансформаторов, устанавливаемых в КТП, допускаются аварийные перегрузки на 30 % сверх номинального тока не более чем на 3 ч в сутки. Указанные возможные максимальные перегрузки необходимо учитывать при расчете параметров защиты для того, чтобы предотвратить излишние отключения трансформатора плавкими предохранителями (§ 4) или максимальной токовой защитой от токов КЗ (§ 8) во время его работы с допустимыми превышениями номинального тока.
Таблица 1. Допустимые перегрузки трансформаторов серий ТМ и ТМВМ [5]
Характер перегрузки | Вид установки трансформатора | Допустимые перегрузки трансформаторов в долях номинальной мощности | |
6 кВ до 400 кВ-А | 10 кВ до 630 кВ-А | ||
Систематическая | Открытая Закрытая | 1,6 1.5 | 1,7 1,6 |
Аварийная на время до 5 суток в год | Открытая Закрытая | 1,7 1,7 | 1,8 1,8 |
Для выявления и предотвращения недопустимых перегрузок может выполняться специальная максимальная токовая защита от перегрузки, действующая на сигнал, на разгрузку (путем автоматического отключения части электроприемников) или на отключение трансформатора.
К ненормальным режимам относят и сверхтоки, вызванные внешними КЗ, т. е. повреждениями в питаемой сети НН, которые по какой-либо причине своевременно не отключаются защитными устройствами поврежденных элементов НН. Сверхтоки, значения которых могут в 10 и даже в 20 раз превосходить номинальный ток трансформатора, должны отключаться защитными устройствами трансформатора до того, как смогут оказать вредное термическое и динамическое воздействие на обмотки трансформатора. Для токовых защит трансформаторов 10 кВ время срабатывания, как правило, устанавливается от 0,4 до 2 с, что не превышает допустимых значений длительности КЗ на зажимах трансформатора, указанных в стандарте. Правильно подобранные параметры плавких предохранителей типа ПКТ-10 за-водского исполнения также обеспечивают достаточно быстрое отключение трансформатора при внешних КЗ, обеспечивая его сохранность (§ 4).
Для масляных трансформаторов опасным ненормальным режимом является и понижение уровня масла в баке ниже допустимого, поскольку трансформаторное масло обеспечивает и охлаждение, и электрическую изоляцию обмоток трансформатора.' Причинами понижения уровня масла может быть резкое снижение температуры окружающего воздуха или течь в баке трансформатора. О понижении уровня масла сигнализирует реле газовой защиты (§ 10). Понижение уровня масла можно обнаружить также по указателю уровня масла (маслоуказателю).
Для масляных трансформаторов герметичной серии (ТМГ, ТМВГ) опасным ненормальным режимом является повышение давления масла в баке, причиной которого может быть длительная перегрузка трансформатора токами свыше 1,5 его номинального значения. Для предотвращения разрушения бака у этих трансформаторов предусмотрена установка электроконтактного мановакуумметра, дающего команду на отключение трансформатора при повышении давления масла в баке сверх допустимого.
Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 811;