Трансформаторы. характерные неисправности трансформаторов и способы их устранения

Виды защиты силовых трансформаторов

  • Предохранители и трехфазные выключатели,
  • Газовая защита,
  • Автоматическая релейная защита,
  • Дифференциальная защита.

Предохранители и трехфазные выключатели

Данный вид защиты применяется для контроля в мощных распределительных сетях. Предохранители и трехфазные выключатели осуществляют защиту от грозовых скачков напряжения. Очень эффективны в условиях производства для защиты и стабилизации напряжения.

Газовая защита

В стандартных защитах силовых трансформаторов имеются газовые реле, состоящие из двух отделений. Первое отделение служит для контроля нагнетающего газа из масла, устанавливается над расширительным баком. Когда уровень газа, проходящего через масло, доходит до максимума, реле начинает выпускать газ. Данный процесс происходит в виде небольших выхлопов или постепенного открытия клапанов. Сигнализатором уровня газа служит поплавок.

Устройство газового реле

Индикатор может не только показывать уровень, но и контролировать проходимость газов, а так же диагностировать работу трансформатора в целом.

Второе отделение реле подключается к масляному контуру трансформатора и соединяет его вертикальные каналы, открывая путь для поднимающегося газа.

Мембрана в расширительном баке является индикатором изменения давления. Повышение давления масла сжимает мембрану, диафрагма начинает двигаться. Движение диафрагмы может спровоцировать изменение атмосферного давления. При движении диафрагмы срабатывает специальный клапан отключающий трансформатор и включающий короткозамыкатель. Мембрана газового реле довольно хрупкая деталь, перестающая корректно работать при минимальном отклонении или повреждении (нуждается в полной замене).

Автоматическая релейная защита

Реле защиты трансформатора представляет собой небольшую емкость с маслом совмещенную с соединительной трубкой, выходящей из главного резервуара устройства. Реле используются в таких установках как трансформаторы дуговой плавки, морская техника и д.р. Реле защищают трансформаторы от коротких замыканий. Реле защиты состоят из двух элементов: резервуара и поплавка. Поплавок двигается вверх или вниз в зависимости от уровня масла, на поплавке устанавливается ртутный выключатель.

Нижний элемент реле состоит из перегородки ртутного индикатора. Данный элемент крепится напротив входа реле в трансформатор таким образом, что при поступлении масла с высоким давлением происходит его вытеснение.

Принцип действия релейной защиты довольно прост. Ртутный индикатор отключает трансформатор от сети когда падает уровень масла в баке трансформатора. Уровень масла подает в случае различных неисправностей, таких как нарушение изоляции, поломка сердечника и д.р.

Дифференциальная защита трансформаторов

Дифференциальная защита устанавливается в высоковольтных сухих трансформаторах мощностью не более 5MVA с выключателями и контроллерами для защиты от замыканий и перенапряжений.

У дифференциальной защиты есть ряд преимуществ:

  • Есть возможность обнаружения неисправности в ТМГ изоляционного масла,
  • Дифференциальное реле сразу реагирует на любые повреждения цепей в зависимости от их классификации.
  • Данные защитные устройства могут самостоятельно выявлять практически все ошибки.

Дифференциальные реле имеют самый простой принцип работы и устанавливаются непосредственно в трансформаторный шкаф. Реле сравнивают первичный и вторичный ток, в случае дисбаланса срабатывает защита.

Защита трансформатора в целом основана на контроле неравенства различных номинальных показателей: уровня масла, тока, напряжения сети и т. д.

Особенности конструкции

Конструктивные нюансы, в особенности увлажнение, являются также частой проблемой вводов трансформаторов. Увлажнение характерно для тс, которые не относятся к герметичному типу. А вот в герметизированных установках превосходящая часть повреждений обусловлена снижением качества состава, а также появление частых электрических разрядов.

Любая проблема на начальном этапе не вызывает беспокойства и не приводит к резкому снижению эффективности устройства или выходу его из строя. На ранних стадиях проблемы наблюдается изменение состава масла, например добавление в него частиц алюминия. В итоге происходит разложение продуктов изоляции, которые приводят к пробою поверхности.

Заземляемые ТН

Заземляемые трансформаторы напряжения применяются в сетях с изолированной нейтралью. Заземление нейтрали ТН позволяет осуществлять контроль изоляции сети с помощью дополнительных вторичных обмоток, соединенных по схеме звезда/треугольник. На наш взгляд, это основная функция заземляемых трансформаторов, функция измерения и учета — дополнительная. Зачастую, в электрических сетях эксплуатируются заземляемые трансформаторы напряжения, у которых защитные обмотки не используются. Применение заземляемых трансформаторов без использования функции контроля изоляции сети — неоправданный риск.

Это связано с тем, что:

  • заземляемые трансформаторы напряжения подвержены влиянию феррорезонансных явлений;
  • изоляцию обмотки ВН невозможно испытать в условиях эксплуатации приложенным одноминутным напряжением промышленной частоты.

Понятие намагничивающего тока

Внезапное возрастание, то есть бросок тока намагничивания (БТН), объясняется насыщением сердечника магнитной индукцией. Трансформаторы динамически устойчивы к броскам благодаря изготовлению обмоток с учетом больших по кратности токов, как правило, возникающих при замыканиях накоротко. В среднем намагничивающий ток превышает номинальное значение прибора в 6-8 раз.

Рис. 1. Условия появления БТН

В режиме короткого замыкания напряжение силового агрегата характеризуется предельным понижением до нуля, а после отключения зоны повреждения устанавливается на зажимах устройства скачкообразно.

Восстановление магнитного потока происходит неравномерно и не сразу, что обуславливает возникновение переходного процесса, в течение которого образуются два потока – установившийся ФУ и свободный ФСВ. Для определения общего значения используется формула:

ФТО = ФУ + ФСВ

В точке отсчета, характеризующей начальный момент времени при t = 0, ФТО также приравнивается к нулю, поэтому справедливым представляется равенство ФСВ = – ФУ. Знаки полярности магнитных потоков совпадают во втором полупериоде, и, соответственно, результирующая величина достигает пикового максимума (ФТмакс).

READ  Исполнительный механизм

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

Схематически наблюдается отставание ФУ от UТ на 90 градусов, что говорит о зависимости ФСВ и ФТмакс от фазы напряжения. Данные величины достигают наибольших значений при включении – в момент прохождения UТ через ноль

Если не брать во внимание постепенное затухание, ФТмакс ≈ 2ФУ. Но пиковая величина потока может быть и выше, когда в толще сердечника присутствует остаточное намагничивание Фост, по знаку совпадающее с ФСВ

Тогда:

ФТмакс = (2ФУ + Фост)> 2ФУ

Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2ФУ, вызывая резкий бросок Iнам. Ток намагничивания образуется только в той обмотке цепи, на которую подается напряжение при включении. Он преобразуется через защитное устройство и поступает на реле, заставляя его срабатывать при соблюдении неравенства Iнам > Iс.з..

Мероприятия для защиты обмоток от перенапряжений

Для защиты обмоток трансформаторов от перенапряжений применяются внешняя и внутренняя защита.

Первая группа мероприятий, внешняя защита — это применение заземленных тросов и ограничителей перенапряжений (ОПН). Эти меры позволяют ограничить амплитуду волн напряжения, подходящих к трансформатору. Хотя ПУЭ указывает также применение вентильных разрядников в качестве защитных мероприятий, но в настоящее время они все-таки повсеместно заменяются на ОПН из-за преимуществ последних.

Основная активная часть ОПН (рис. 3) состоит из набора варисторов, соединённых последовательно и составляющих так называемую «колонку». В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции ограничитель может состоять из одной колонки или из ряда колонок, соединённых последовательно либо параллельно. Отличие материала варисторов ОПН от материала резисторов вентильных разрядников состоит в том, что у нелинейных резисторов ограничителей перенапряжения присутствует повышенная пропускная способность, а также высоко нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), благодаря которой возможно непрерывное и безопасное нахождение ОПН под напряжением, при котором обеспечивается высокий уровень защиты электрооборудования. Данные качества позволили исключить из конструкции ОПН искровые промежутки.

Материал нелинейных резисторов ОПН состоит в основном из оксида и оболочки в виде глифталевой эмали, повышающей пропускную способность варистора. В процессе изготовления оксид цинка смешивается с оксидами других металлов. Варисторы на основе оксида цинка являются системой, состоящей из последовательно и параллельно включённых p — n переходов. Именно эти p — n переходы определяют нелинейность ВАХ варистора.

Рис. 3. Устройство ОПН

ОПН конструктивно представляет собой колонку варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука (в случае полимерной изоляции прибора), либо колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфора (в случае фарфоровой изоляции). В ОПН с полимерной изоляцией пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой варисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. У ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией на торцевых сторонах покрышки располагают мембраны и герметизирующие резиновые уплотнительные кольца, а на фланцах устанавливают специальные крышки с выхлопными отверстиями. На крышке ограничителя перенапряжений имеется контактный болт для подключения к токоведущей шине. ОПН снабжён изолированной от земли плитой основания. Внутренняя стеклопластиковая труба, мембраны и крышки обеспечивают взрывобезопасность конструкции при прохождении токов короткого замыкания.

Характеристики различных модификаций ОПН приведены на рис.4.

Вольтамперная характеристика ОПН представлена на рис. 5.

Внешний вид ОПН различных конструкций приведен на рис. 6.

Рис. 4. Характеристики различных модификаций ОПН.Рис. 5. Вольтамперная характеристика ОПН.Рис. 6. Внешний вид различных конструкций ОПН

Какие материалы используются

Системы изоляции в силовых трансформаторах состоят из жидкости (либо газа) вместе с твердыми материалами. Жидкости должны иметь высокую температуру вспышки (силиконы, некоторые виды углеводородов, хлорированные бензолы).

Газовые системы включают азот, воздух и фтор газ. Флюорогазы используются, чтобы избежать воспламеняемости и ограничить вторичные эффекты внутренней недостаточности. Иногда используется фреон, который позволяет улучшить теплопередачу с использованием двухфазной системы охлаждения.

Внешняя

Низкая стоимость, высокая диэлектрическая прочность, отличные характеристики теплопередачи и способность восстанавливаться после перенапряжения в диэлектрике делают минеральное масло наиболее широко используемым изоляционным материалом для внутренней изоляции трансформаторов. Газ выгоднее использовать в системах, имеющих продолжительный режим работы при номинальной мощности.

Внутренняя

Проводники обмотки обычно изолируются эмалированной или обёрточной бумагой на основе дерева или нейлона. Использование таких материалов увеличивает прочность конструкции. При этом предел диэлектрической прочности обычно равен маслу.

Для проводов, идущих от обмотки, обычно используется материал высокой плотности. В этом случае снижаются механические напряжения в масле путём перемещения границы раздела от поверхности проводника к его периферии.  Изоляция из целлюлозы выполняет три функции:

  1. Действует как диэлектрик, накапливая электрический заряд.
  2. Поддерживает обмотки.
  3. Способствует улучшению теплоотвода.

Сроки испытания изолирующих материалов трансформаторов регламентируются приложением 3 Правил технической эксплуатации потребительских электроустановок (ПТЭЭП).

Требования

До 35 кВ

Для маломощных трансформаторов размер зазора между изоляционными прокладками обычно не превышает 6 мм, при этом расстояние от обмотки до наружной стенки резервуара с трансформаторным маслом не должно быть меньше 65 мм. Изоляционный промежуток, который определяется конфигурацией токоведущей и заземляющей частей трансформатора устанавливается размером от 40 мм на каждую сторону.

110 кВ

При дальнейшем увеличении мощности требовании к качеству изоляции увеличиваются. Так, размер масляного канала возрастает до 10 мм, расстояние от обмотки до стенки масляного бака должно быть не менее 90 мм (если толщина изоляционного слоя превышает 20 мм, то это достояние допустимо уменьшать, но не меньше, чем на 15 мм).

150 кВ

Для трансформаторов средней мощности характерно увеличение расстояния между токопроводящими и заземлёнными элементами – оно составляет 840 мм и должно строго выдерживаться на протяжении всего участка ввода.

220 кВ

Обязательному контролю подлежат следующие элементы конструкции:

  1. Соединительная арматура.
  2. Целостность свинцовой оплётки.
  3. Зазоры в намотке.
  4. Фактическое заземляющее напряжение.
  5. Изоляция нейтрали.
  6. Индуцирующее напряжение.

330 кВ

Контролируются те же параметры, что и в предыдущем случае, с учётом нормативных значений, определяемых стандартом.

500 кВ

Дополнительно принимаются во внимание следующие факторы:

  1. Исполнение трансформатора – открытое или закрытое.
  2. Тип циркуляции воздуха – естественный или принудительный.
  3. Высота установки над уровнем моря.
  4. Колебания внешней температуры воздуха.
  5. Наибольшие колебания нагрузки.
  6. Степень загрязнённости окружающей среды.
  7. Возможные механические воздействия.

Данные проверки сравниваются с нормативными величинами, которые приводятся в ГОСТ Р 52719-2007.

Для чего нужен понижающий трансформатор

Разнообразие конструкций, имеющихся в продаже, позволяет выбрать оптимальную модель для конкретной области применения:

  • В энергетической индустрии используют понижающие аппараты высокой мощности – до 1000 МВА. Выпускаемые модели – 765/220 кВ, 410/220 кВ, 220/110 кВ.
  • Для адаптации высокого напряжения к параметрам бытовой электросети используют малые распределительные трансформаторы, мощность которых достигает 1-5 МВА. На стороне высокого напряжения могут быть предусмотрены значения 10, 20, 35 кВ, на низкой – 400 или 230 В.
  • Для бытовой техники обычно применяют трансформаторы, изменяющие напряжение с 220-230 В до 42, 36, 12 В. Конкретная величина Uвых определяется требованиями потребителя.

При подборе оптимальных устройств учитывают суммарную мощность потребителей, напряжение на входе и выходе, необходимость (или ее отсутствие) изменения частоты, габариты и массу.

Напряжения, воздействующие на изоляцию. Перенапряжения

В эксплуатации трансформатор подвергается длительному воздействию номинального рабочего напряжения, на которое он рассчитан. Однако под влиянием различных факторов напряжение может значительно превысить номинальное значение, что в свою очередь может привести к повреждению изоляции трансформатора. Напряжения, значения которых превосходят наибольшее рабочее напряжение и имеют, поэтому опасную для изоляции величину, называют перенапряжениями. Различают внутренние и внешние перенапряжения.

Внутренние перенапряжения возникают при оперативных переключениях, внезапных (аварийных) отключениях отдельных элементов электрической сети (генераторов, трансформаторов, двигателей), дуговых замыканиях на землю, несимметричном режиме работы и т. д. Величину внутренних перенапряжений принято характеризовать кратностью по отношению к номинальному фазному напряжению. Она не превосходит 2,5—4 Uфаз, а ее длительность измеряется от сотых долей секунды до нескольких секунд и более.

Внешние перенапряжения в электрических установках возникают в результате электрических разрядов (молний) с грозовых облаков. При прямом ударе молнии, например, в опору линии электропередачи по ней протекает ток главного разряда, создающий напряжение, равное силе тока, умноженной на сопротивление, которое он встречает на своем пути.

Перенапряжение может появиться и при разрядах молнии в землю вблизи линии электропередачи или трансформатора. Такие перенапряжения называют наведенными или индуктированными. Величина индуктированных перенапряжений может достигать 500— 600 кВ и зависит от удаленности разряда от линии электропередачи, от величины тока молнии, высоты подвески проводов и т. п.

Как при прямом ударе молнии в линию электропередачи, так и при разряде вблизи нее вдоль проводов в обе стороны от места разряда будет распространяться волна высокого потенциала (рисунок 1). Достигнув подстанции, эта волна вызовет на ее шинах значительные, хотя и ограниченные разрядниками, перенапряжения, которые будут воздействовать на трансформаторы и всю подключенную к шинам аппаратуру. Эти внешние перенапряжения, несмотря на их ничтожную длительность, измеряемую микросекундами, являются наиболее опасными воздействиями на изоляцию трансформатора. Дело в том, что когда волна перенапряжения, двигаясь вдоль линии электропередачи, достигает трансформатора, на его линейных вводах быстро нарастает напряжение. Скорость при этом столь велика, что в обмотке трансформатора возникает сложный выравнивающий процесс колебательного характера, при котором распределение напряжения по виткам становится крайне неравномерным. Объясняется это тем, что для волн перенапряжений обмотка представляет собой комбинацию емкостей (между соседними катушками и витками, между катушками и заземленными частями трансформатора), и волна распределяется по обмотке в соответствии с величиной емкости ее отдельных частей.

1 — линия электропередачи, 2 — трансформаторы, 3 — опора линииРисунок 1 — Распространение волны перенапряжений вдоль линии электропередачи

Волны перенапряжений приходят с линии и поэтому воздействуют в первую очередь на изоляцию входных витков и катушек. При этом вся «входная» часть обмотки оказывается под воздействием максимальных градиентов, т. е. максимальной разности потенциалов между соседними витками. Эти максимальные напряжения проникают и в глубину обмотки. Таким образом, при внешних перенапряжениях на изоляцию между соседними катушками и витками обмотки воздействует во много раз большее напряжение, чем при нормальной рабочей частоте. Это делает атмосферные перенапряжения особенно опасными для межкатушечной и межвитковой изоляции обмоток. Статистический анализ повреждений изоляции показывает, что для трансформаторов с номинальным напряжением до 220 кВ наиболее опасными являются именно внешние перенапряжения.

Итак, требования к прочности изоляции трансформатора определяются номинальным напряжением сети, а также внутренними и внешними перенапряжениями.

Классификация

Главная

Разделяет обмотки высокого и низкого напряжения и обмотки сердечника. Форма обмотки сердечника влияет на равномерность начального распределения импульсов напряжения. Поэтому при изготовлении обмотки используются электростатические экраны на клеммах катушки. Статические экраны обычно используются с целью предотвращения чрезмерных концентраций напряжений в линии.

После начального периода электрические колебания происходят уже только внутри обмоток. Эти колебания создают большие напряжения от средних частей обмоток к земле, которые прямо пропорциональны длине волны. Очень быстрые импульсы создают самые большие напряжения между витками и частями катушки.

Для главных обмоток трансформатора важен тип импульсных переходных напряжений, которые могут быть двух типов: апериодические и колебательные. В отличие от апериодических волн, колебательные могут возбуждать собственные частоты обмотки и вызывать опасные напряжения во внутренней изоляции обмотки.

Продольная

Концевые повороты, которые возникают при увеличении эффективной ёмкости внутри катушки, определяют надёжность продольной изоляции. Для увеличения последовательной ёмкости катушки и увеличения диэлектрической прочности используют либо чередование витков, либо предусматривают плавающие металлические экраны.

Уравнительная

Используется для защиты от скачков напряжения в линиях электропередачи, сигнальных и питающих линиях.  Если скачок переходного напряжения является случайным, то энергия кратковременного электрического возмущения характеризуется временем нарастания, которое не превышает 10 мкс.

При этом около 80% зарегистрированных скачков напряжения переходного процесса происходят из-за внутренних переходных процессов переключения в трансформаторах. Поэтому задача уравнительной изоляции – отвести преобладающую часть переходной энергии от нагрузки, создавая эквивалентный потенциал между подключенными линиями. Уравнительная изоляция подразделяется на три класса:

  • первый класс предусматривается для главных распределительных плат, защищая электроустановки от прямых ударов молнии;
  • второй класс предотвращает распространение перенапряжения;
  • третий класс предусматривается как дополнение к уравнительной изоляции второго класса в местах особо чувствительных нагрузок.

Почему происходит бросок при включении

Кратковременный скачок характеризуется броском намагничивающего тока трансформатора (БТН). Его значения на одном и том же приборе могут отличаться по величине при разных включениях. Причиной образования БТН в силовых устройствах является внезапное изменение уровня напряжения намагничивания. Помимо нагрузки, передаваемой на обмотку, скачок может быть вызван и другими причинами:

  • внешнее короткое замыкание (КЗ);
  • восстановление напряжения в контуре;
  • преобразование КЗ;
  • несинхронное подключение генератора.

Ток намагничивания вносит дисбаланс на выводах трансформатора. Защита прибора воспринимает БТН как дифференциальный ток. Но чтобы она корректно выполняла свое назначение, система должна эффективно функционировать и отстраиваться с учетом БТН путем включения в цепь таких вспомогательных устройств, как промежуточные трансформаторы.

При включении обмотки на полную нагрузку вследствие асинхронного распределения мощности и переходных волновых процессов возникает высокое перенапряжение, способное вызвать внутреннее короткое замыкание.

Важно! Перенапряжения по причине БТН являются безопасными только при правильной организации дифференциальной защиты системы

Оценка необходимости установки ОПН

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы

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

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: