Краткая оценка дифференциальных защит трансформа­торов

Основное преимущество дифференциальных защит трансформа­торов состоит в том, что они обеспечивают быстрое и селективное отключение повреждений как в самом трансформаторе, так и на его выводах и в токоведущих частях к его выключ ателям.

Основным видом защиты следует считать защиту с простым реле, включаемым через БНТ.

На маломощных трансформаторах можно для упрощения приме­нять дифференциальные отсечки (без БНТ).

На трансформаторах с регулировкой под нагрузкой и трехобмоточных трансформаторах с двух- и трехсторонним питанием защиты простые реле с БНТ должны загрубляться до (2÷3) I_ном. При необходимости повысить чувствительность защиты надлежит при­менять тормозные реле с БНТ (типа ДЗТ).

Газовая защита трансформаторов

Принцип действия и устройство газового реле

Газовая защита получила широкое распространение в качестве весьма чувствительной защиты от внутренних повреждений транс­форматоров. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой ил и нагревом деталей, что приводит к разложе­нию масла и изоляционных мате­риалов и образованию летучих га­зов. Будучи легче масла, газы под­нимаются в расширитель 2, кото­рый является самой высокой частью трансформатора (рис. 16-37) и имеет сообщение с атмосферой.

При интенсивном газообразова­нии, имеющем место при значи­тельных повреждениях, бурно рас­ширяющиеся газы создают силь­ное давление, под влиянием кото­рого масло в кожухе трансфор­матора приходит в движение, пере­мещаясь в сторону расширителя.

Таким образом, образование газов в кожухе трансформатора и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора. Эти признаки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и движение масла. Газовое реле 1 устанавливается в трубе, соединяющей кожух трансформатора с рас­ширителем так, чтобы через него проходили газ и поток масла, устремляющиеся в расширитель при повреждениях в трансфор­маторе.

Конструкции газовых реле имеют три разновидности, различаю­щиеся принципом исполнения реагирующих элементов. Первона­чально применялись реле с реагирующим элементом в виде по­плавка, затем появились реле, у которых реагирующим элементом служит лопасть, в последнее время применяются реле с реагирую­щим элементом, имеющим вид чашки.

У стройство поплавкового газового реле показано на рис. 16-38. Реле состоит из чугунного кожуха 1, имеющего вид тройного па­трубка с фланцами для соединения с трубой к расширителю. Внутри кожуха реле расположены два подвижных поплавка 2а и 2б, выпол­ненные в виде тонкостенных полых цилиндров, герметически запаян­ных и плавающих в масле. Каждый по­плавок свободно вращается на оси, за­крепленной на стойке. На торце поплав­ков располагаются ртутные контакты 3, представляющие собой стеклянные кол­бочки с впаянными в нее контактами и ртутью внутри.

При определенном положении по­плавков ртуть замыкает контакты. Вы­воды от контактов на наружную сто­рону кожуха выполнены с помощью гиб­ких и изолированных проводников, ко­торые не должны ограничивать свобод­ного вращения поплавков. Контакты верхнего поплавка действуют на сиг­нал, а нижнего – на отключение транс­форматора. Верхний поплавок находится в верхней части кожуха реле, нижний располагается на уровне соединительной трубы к расширителю так, чтобы поток масла мог воздействовать на него.

Принцип действия реле. Кожух реле находится ниже уровня масла в расширителе, поэтому он всегда заполнен маслом. Поплавки, стремясь всплыть, занимают самое верхнее положен ие, возможное по условиям их крепления на оси. При этом положении поплавков контакты реле разомкнуты.

При небольших повреждениях образование газа происходит медленно, и он небольшими пузырьками поднимается к расшири­телю трансформатора. Проходя через реле, пузырьки газа запол­няют верхнюю часть его кожуха, вытесняя оттуда масло. По мере понижения уровня масла верхний контакт опускается и через неко­торое время, зависящее от интенсивности газообразования, попла­вок достигает такого положения, при котором его контакт замы­кается.

Если повреждение трансформатора значительное, то под влия­нием давления, создаваемого бурно образующимися газами, масло приходит в движение, сообщая толчок нижнему поплавку. Под его воздействием поплавок мгновенно замыкает свои контакты, посы­лая импульс на отключение. Движение масла может носить толчко­образный характер, поэтому контакты нижнего поплавка замы­каются кратковременно. Чтобы обеспечить продолжительность импульса, достаточную для отключения выключателя, применяется особая схема, обеспечивающая самоудерживание выходного промежу­точного реле П₁ на время, достаточное для отключения выключа­телей. Подобная схема приведена на рис. 16-39. Газовое реле подает кратковременный ток в шунтовую обмотку 1 промежуточного реле П₁ последнее срабатывает и удерживается сериесными катуш­ками 2 и 3 до отключени я вы­ключателей.

Из рассмотренного принципа действия газового реле следует, что оно способно различать сте­пень повреждения в трансфор­маторе. При малых поврежде­ниях оно дает сигнал, при больших – производит отключе­ние. Сигнализация о небольших повреждениях вместо отключе­ния позволяет перевести нагруз­ку на другой источник питания и отключить после этого транс­форматор без ущерба для по­требителей.

Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторе. В этом случае первым сработает сигналь­ный контакт, а затем при продолжающемся снижении уровня масла срабатывает отключающий контакт, выключая трансформатор. Дей­ствие последнего полезно в случае быстрой утечки масла, угро­жающей понижением уровня масла ниже обмотки трансформатора до того, как дежурный успеет принять меры к разгрузке и отклю­чению трансформатора, а также на автоматизированных подстан­циях, не имеющих дежурных.

Отечественная промышленность ранее выпускала реле ПГ-22, РГЗ-22 и ПГЗ-61, выполненные на описанном выше принципе с реа­гирующим органом в виде цилиндрических поплавков. Реле ПГЗ-61 отличается конструкцией ртутных контактов, в меньшей степени реагирующей на вибрацию трансформатора и толчки масла при внешних к. з.

Лопастные реле (рис. 16-40, а). Сигнальный элемент этого реле выполнен в виде поплавка, как и у реле на рис. 16-38. Нижний отключающий элемент выполняется в виде поворотной лопасти (пластины) 1 или состоит из поплавка и лопасти. При движении масла или потока газов лопасть поворачивается на некоторый угол под воздействием силы, создаваемой движущимся потоком; при этом связанные с лопастью ртутные контакты 9 замыкаются, подавая импульс на отключение. Изменяя начальный угол наклона лопасти 1, можно регулировать чувствительность реле, т. е. изме­нять скорость движения масла, при которой срабатывает лопасть реле. Нижний поплавок закрыт от воздействия движущегося масла и газа лопастью и предназначен для работы при снижении уровня масла. В конструкции на рис. 16-40, а нижнего поплавка нет. В этом реле на понижение уровня масла реагирует только сигналь­ный элемент. При таком исполнении исключается ложное действие отключающего элемента реле из-за нарушения герметично­сти поплавка и попадания в него масла, но при этом ухудшаются защитные свойства реле. Лопастные реле распространены за границей. Реле, по­казанное на рис. 16-40, а, разработано в Горэнерго.

Реле с чашкообразными элементами. Сигнальный и отключающий элементы реле представляют собой открытые плоскодонные алюми­ниевые чашки 1 и 2 (рис. 16-40, б). Каждая чашка закреплена на оси 3 и может вращаться вокруг нее. С корпусом чашки связан подвижной контакт 5 на нижнем и 4 на верхнем элементе. При опускании чашки подвижной контакт замыкается с неподвижным 7 или 6. Движению чашек на замыкание контактов противодействуют пружины 8 и 9, тянущие чашки вверх. Для ограничения движения чашек под действием пружины предусмотрены упоры 10 и 11. На нижней чашке 2 имеется лопасть 12, вращающаяся на оси. Если в кожухе реле и в чашках нет масла, то момент пружины М_п преодолевает рабочий момент М_pa6, создаваемый весом корпуса чашки. В этом случае М_в > М_раб и контакты обоих элементов разомкнуты. Если кожух реле, а следовательно, и чашки запол­нены маслом, то за счет потери веса тела, погруженного в жидкость, М_раб уменьшается и момент пружин М_п еще более превосходит М_ра6. При понижении уровня масла момент М_раб увеличивается за счет веса находящегося в чашке масла, суммарная сила веса чашки и масла F_ч + F_м преодолевает противодействие пружины (М_раб > М_п), чашка опускается и замыкает свои контакты. При бурном газооб­разовании под действием силы, созданной потоком масла или газов, лопасть 12 поворачивается и замыкает контакты 4-7.

Чашечные реле не имеют недостатка, присущего поплавковой конструкции, действующей ложно при нарушении герме тичности поплавков. Реле работает при понижении уровня масла, имеет удобную регулировку чувствительности и в меньшей степени, чем реле со ртутными контактами, реагирует на вибрацию корпуса трансформатора. Завод ЗТЗ выпускает реле с чашечковыми эле­ментами типа РГЧЗ-66. Чувствительность нижнего элемента (лопасти) регулируется в пределах от 0,6 до 1,2 м/сек. Время действия реле при работе лопасти колеблется от 0,5 до 0,05 сек в зависимости от скорости движения масла.

Особенности газовой защиты

По своему принципу действия газовая защита может работать не только при повреждениях и опасных ненормальных режимах, но и при появлении в кожухе трансформатора воздуха, при толчках (движении) масла, вызванных любой причиной, и механических сотрясениях, имеющих место вслед­ствие вибрации корпуса трансформатора. Воздух попадает в кожух трансформатора при доливке масла, ремонте трансформатора с пере­заливкой масла и т. п. В дальнейшем при включении трансформатора под нагрузку температура масла начинает повышаться, находящийся в масле воздух прогревается и поднимается к расширителю. Попа­дая в реле, воздух может вызвать срабатывание верхнего (сигналь­ного) контакта, а при быстром движении – нижнего, который неправильно отключит трансформатор.

Для предупреждения неправильного отключения трансформа­тора отключающая цепь защиты после доливки масла или включе­ния нового трансформатора переводится на сигнал (на 2-3 суток) до тех пор, пока не прекратится выделение воздуха, отмечаемое по работе защиты на сигнал.

Толчки масла, не связанные с повреждением трансформатора, мо­гут возникать при внешних коротких замыканиях, например, от сме­щения обмоток вследствие динамических усилий; при пуске и оста­новке насосов, обеспечивающих циркуляцию масла (у трансформато­ров с искусственным охлаждением ма сла), и по ряду других причин.

Неправильная работа нижнего поплавка реле от толчков масла, не связанных с повреждением трансформатора, может быть устра­нена его загрублением.

Опыт эксплуатации защиты и ее исследования, проведенные ОРГРЭС и рядом энергосистем, показывают, что неправильная ра­бота защиты от толчков масла наблюдалась на реле, реагирующих на движение масла со скоростью 20-15 см/сек. Более грубые реле, реагирующие на скорость 50 см/сек и выше, как правило, ложно не работают.

В настоящее время принято регулировать чувствительность нижнего поплавка на скорость 50-160 см/сек.

На трансформаторах и автотрансформаторах большой мощности (240-400 Мва) наблюдается повышенная вибрация корпуса. Реле ПГ-22 и РГЗ-22 недостаточно виброустойчивы и, как показал опыт эксплуатации, работают ненадежно на трансформаторах с повышен­ной вибрацией.

В процессе эксплуатации необходимо следить за герметичностью баллончиков у реле поплавкового типа. При ее нарушении масло попадает внутрь поплавка, он теряет плавучесть и опускается, за­мыкая контакты. Такие дефекты наблюдались в эксплуатации; в связи с этим у вновь включаемых реле и периодически у реле, находящихся в эксплуатации, герметичность баллончиков прове­ряется помещением их в нагретое масло при избыточном давлении (0,5-1ат).

Требования к монтажу защиты

На трансформаторах, снабженных газовым реле, бак (кожух) трансформатора должен устанавливаться наклонно, так чтобы край трансформатора, связанный с расширителем, и сама труба к рас­ширителю имели подъем на 1,5-2% (рис. 16-36). Этим обеспечива­ется беспрепятственный проход газов в расширитель при поврежде­ниях и предотвращается возможность скопления пузырьков воз­духа под крышкой кожуха трансформатора, которое может повлечь за собой ложное действие защиты.

Особое внимание должно обращаться на разделку кабеля, от­ходящего от выводов реле. Опыт показывает, что в разделку ка беля газовой защиты может попадать масло из трансформатора. Оно разъедает резиновую изоляцию жил кабеля, что приводит к замы­канию между ними и неправильному отключению трансформатора. Поэтому вывод из газового реле можно выполнять только кабелем с бумажной изоляцией (КСБ или КСГ).

На открытых подстанциях следует обеспечить надежную защиту выводов на крышке газовых реле от попадания на них влаги.

Оценка газовой защиты

Основными достоинствами газовой защиты являются: простота ее устройства, высокая чувствительность, малое время действия при значительных повреждениях, действие на сигнал или отключе­ние в зависимости от размеров повреждения.

Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждений его обмоток и особенно при витковых замыканиях, на которые дифференциальная защита реаги­рует только при замыкании большого числа витков, а максимальная защита и отсечка не реагируют совсем. В настоящее время все транс­форматоры мощностью 1 000 ква и выше поставляются вместе с газо­вой защитой.

Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора и должна выводиться из действия, когда имеется опасность выделения воздуха в кожухе трансформатора (т. е. после доливки масла, ремонта трансформатора и включения его вновь). По этим причинам газовая защита должна дополняться второй за­щитой от внутренних повреждений. Для маломощных трансформа­торов такой защитой служат максимальная защита и токовая от­сечка. Для мощных трансформаторов применяется более совершен­ная дифференциальная защита.

Газовая защит а не только применяется для защиты, трансформа­торов и автотрансформаторов, но также считается обязательной на маслонаполненных реакторах и дугогасящих катушках.