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 М на 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-С на 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 +30^о (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 3 I0 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.

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: