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 +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 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]

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.