Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов

В процессе эксплуатации возможны повреждения в трансформаторах и на их соединениях с коммутационными аппаратами. Могут также быть опасные ненормальные режимы работы, не связанные с повреждением трансформатора или его соединений.

Основными видами повреждений трансформаторов являются одно- и многофазные замыкания в обмотках и на выводах трансформатора, а также «пожар стали» магнитопровода. Однофазные повреждения бывают двух видов: на землю и между витками обмотки (витковые замыкания). Наиболее вероятны однофазные и многофазные замыкания на выводах трансформатора и однофазные замыкания в обмотках. Значительно реже возникают многофазные замыкания в обмотках. Защита от коротких замыканий выполняется с действием на отключение поврежденного трансформатора. Для ограничения размеров разрушений её выполняют быстродействующей.

Ненормальные режимы работы трансформаторов обусловлены внешними короткими замыканиями и перегрузками. В этих случаях в обмотках трансформатора появляются большие токи или сверхтоки. Особенно опасны токи, появляющиеся при внешних коротких замыканиях; эти токи могут значительно превышать номинальный ток трансформатора. В случае длительного прохождения тока возможны интенсивный нагрев изоляции обмоток и её повреждение. Вместе с этим при коротком замыкании снижается напряжение в сети. Поэтому в трансформаторе должна предусматриваться защита от сверхтоков, обусловленных неотключившимся внешним коротким замыканием.

Перегрузка трансформаторов не влияет на систему электроснабжения в целом, так как она не сопровождается снижением напряжения. Кроме того, токи перегрузки обычно невелики и их прохождение допустимо в течение некоторого времени, достаточного для того, чтобы персонал принял необходимые меры к разгрузки трансформатора. Согласно нормам перегрузку током можно допускать в течение 45 мин.

К ненормальным режимам работы также относится недопустимое понижение уровня масла, которое может произойти, например, вследствие повреждения бака.

ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ И НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
1. Виды повреждений трансформаторов
Электротехническая промышленность постоянно проводит большую работу по улучшению конструкций и повышению качества изготовления трансформаторов. Тем не менее многолетний опыт эксплуатации силовых трансформаторов в распределительных сетях 6—110 кВ указывает на относительно большую вероятность отказа (повреждения) трансформаторов по сравнению с другими элементами сети (шинами, ячейками распределительных устройств). Например, параметр потока отказов (прежний термин — удельная повреждаемость) для трансформаторов воздушных сетей 6 и 10 кВ выше, чем для ячеек КРУ и КРУН этого же напряжения.
К основным видам повреждения трансформаторов относятся [1-3]:
трехфазные и двухфазные к. з. между обмотками внутри бака (корпуса) трансформатора или между наружными выводами обмоток, расположенными на крышке бака;
однофазные замыкания обмотки или ее наружного вывода на корпус трансформатора, т. е. на землю; возможны также двухфазные к. з. на землю (для трансформаторов, работающих в сети с глухозаземленной нейтралью) и двойные замыкания на землю в двух разных точках, из которых одна — в трансформаторе или на его наружном выводе (для сетей с изолированной или компенсированной нейтралью);
замыкания между витками одной фазы обмотки, называемые витковыми замыканиями.
Анализ повреждений трансформаторов говорит о том, что наибольшее число отказов происходит из-за повреждений на наружных выводах, из-за нарушений витковой изоляции обмоток и из-за ненадежной работы переключателей ответвлений обмоток. Причинами к. з. на наружных выводах обмоток, называемых высоковольтными вводами, могут быть перекрытия внутренней изоляции из-за увлажнения трансформаторного масла, которым заполнен ввод, а также перекрытия по внешней стороне высоковольтного ввода из-за загрязнения фарфора, случайного попадания посторонних предметов или животных, атмосферных перенапряжений.
Наиболее опасными для самого трансформатора и для элементов прилегающей электрической сети являются междуфазные к.з. — трехфазные и двухфазные. Они сопровождаются большими токами, как правило, во много раз превосходящими номинальный ток трансформатора, и могут вызывать глубокие понижения напряжения в сети. При возникновении таких повреждений трансформатор должен быть немедленно отключен от всех источников питания, чтобы предотвратить дальнейшее развитие повреждения и, в особенности, возникновение пожара трансформатора. Наряду с этим быстрое отключение поврежденного трансформатора предотвращает распространение аварии на другие участки сети, обеспечивает нормальное электроснабжение потребителей. Для этих целей все трансформаторы оборудуются устройствами защиты либо в виде плавких предохранителей, либо в виде релейной защиты [1].
Междуфазные к. з. наиболее вероятны на наружных выводах обмоток трансформатора. Двухфазное, а в особенности трехфазное к.з. внутри бака трансформатора считается весьма маловероятным из-за большой прочности междуфазной изоляции.
Однофазные к.з. в сетях с глухозаземленными нейтралями (110 кВ и выше) также сопровождаются большими токами, соизмеримыми с токами трехфазных к. з. В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью (6—35 кВ) замыкания на землю сопровождаются малыми токами (как правило, не более 30 А).
Значения токов при витковых замыканиях зависят от числа замкнувшихся витков. Чем меньше число замкнувшихся витков, тем меньше ток повреждения, приходящий со стороны источника питания. При малой доле замкнувшихся витков по отношению к общему числу витков обмотки ток повреждения может быть меньше номинального тока трансформатора. Например, при замыкании одного витка ток к.з. со стороны источника питания может находиться по современным данным в пределах 0,4—0,7 от номинального тока трансформатора. Поэтому витковые замыкания трудно обнаружить. В настоящее время из всех применяемых стандартных защит трансформаторов только газовая защита реагирует на витковые замыкания, поскольку они сопровождаются, как правило, горением электрической дуги или местным нагревом, а это приводит к разложению трансформаторного масла и изоляционных материалов и образованию летучих газов. Эти газы вытесняют масло из бака трансформатора в расширитель и вызывают действие газовой защиты (§ 7-1). Ведутся разработки новых защит повышенной чувствительности, способных реагировать на витковые замыкания в обмотках трансформаторов.
Причинами возникновения витковых замыканий могут быть частые междуфазные к. з. в питаемой сети (внешние к. з. или сквозные, как их называют), во время которых динамическое действие больших токов вызывает деформацию обмоток трансформатора и механическое разрушение витковой изоляции. Причиной повреждения витковой изоляции также может быть длительная перегрузка трансформатора током выше номинального. Перегрузки и внешние к. з. относятся к ненормальным режимам, которые рассматриваются ниже.

-2. Виды ненормальных режимов работы трансформаторов
Ненормальными режимами работы трансформаторов являются:
сверхтоки при перегрузках;
сверхтоки, вызванные внешними к. з.;
понижение уровня масла (для масляных трансформаторов);
повышение напряжения (для сетей 110 кВ и выше).
Таблица 1-1
Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов [4]

Сверхтоки при перегрузках. В соответствии с Инструкцией по эксплуатации трансформаторов [4] допустимые значения тока перегрузки и длительность его прохождения через трансформатор определяются по-разному для перегрузок, вызванных неравномерностью графика нагрузки и аварийными ситуациями. Аварийные перегрузки допускаются в исключительных случаях, например при выходе из строя одного из параллельно работающих трансформаторов подстанции или при срабатывании устройств АВР на подстанции или в сети, в результате чего к работающему трансформатору подключается дополнительная нагрузка. Допустимые аварийные перегрузки, в отличие от режимных, указываются вне зависимости от предшествующей нагрузки, температуры охлаждающей среды, места установки и системы охлаждения трансформатора (табл. 1-1).
Для выявления и предотвращения недопустимых перегрузок выполняется максимальная токовая защита, действующая при увеличении тока через трансформатор сверх заданного значения тока срабатывания защиты. Учитывая, что перегрузка является,
как правило, симметричным режимом, т. е. во всех трех фазах трансформатора проходят одинаковые токи перегрузки, эта защита выполняется с помощью одного максимального реле тока, включенного на ток одной из фаз трансформатора.
На подстанциях с дежурным персоналом защита от перегрузки действует на сигнал, а на подстанциях без постоянного дежурства — должна действовать на разгрузку трансформатора путем автоматического отключения части менее ответственных потребителей.
Сверхтоки, вызванные внешними к. з. При близких к. з. на элементах питаемой сети низшего или среднего напряжения через понижающий трансформатор проходят токи, намного превышающие его номинальный ток. Эти токи, называемые сверхтоками к. з., оказывают вредное термическое и динамическое воздействие на обмотки трансформатора. Для ограничения длительности термического воздействия тока к. з. необходимо отключать трансформатор, причем тем быстрее, чем больше значение сверхтока внешнего к. з. Эту задачу выполняет максимальная токовая защита или плавкие предохранители.
В соответствии с новым ГОСТ 11677—75 (переиздание 1978 г.) продолжительность к. з. на зажимах (выводах) трансформатора не должна превышать значения tK, определяемого для масляных и заполненных диэлектриком трансформаторов по формуле:

где kp — кратность максимального расчетного тока к. з. по отношению к номинальному току трансформатора.
Для трансформаторов мощностью менее 1 MB-А максимальное расчетное значение тока трехфазного к. з. за трансформатором (/к3)Макс) определяется по значению напряжения к. з. (ик), которое всегда указывается на паспортном щитке трансформатора, а также в соответствующих ГОСТ и справочниках. При этом предполагается, что трансформатор подключен к шинам энергосистемы бесконечной мощности, или, иначе говоря, к шинам неизменного напряжения. Расчет производится по выражению
(1-2)
Напомним, что напряжение к. з. «к определяется при опытах к. з., когда на вторичной стороне трансформатора устанавливается трехфазная закоротка, а на первичную сторону подается напряжение. Значение первичного напряжения, при котором ток к. з. через трансформатор равен номинальному току трансформатора, называется напряжением к. з. Оно выражается в относительных единицах или чаще всего в процентах к номинальному первичному напряжению трансформатора.
Для трансформаторов мощностью 1 MB-А и более значение /к3)макс определяется с учетом влияния питающей системы в сторону уменьшения тока к. з. (§ 2-2).
Однако указанный новый ГОСТ ограничивает наибольшую продолжительность к. з. на выводах трансформатора следующими значениями:
при к. з. на сторонах трансформатора с номинальным напряжением 35 кВ и ниже —U ^4 с;
при к. з. на сторонах с номинальным напряжением 110 кВ и выше — tK <3 с.
Указания этого ГОСТ распространяются на трансформаторы, выпускаемые с 1 июля 1976 г. Для трансформаторов, выпущенных ранее, следует руководствоваться указаниями предыдущего ГОСТ 11677—65 [5]. Значения tK для сухих трансформаторов устанавливаются техническими условиями на конкретные типы и группы этих трансформаторов.
Уставки по времени максимальных токовых защит трансформаторов (tc. з) и время срабатывания плавких предохранителей, защищающих трансформатор, не должны превышать приведенных выше значений /к. Как правило, значения /с. з=4 с достаточны для обеспечения селективности действия максимальных токовых защит трансформаторов 110/35/6 кВ, 35/10 кВ и т. п.
Частые внешние к. з. представляют большую опасность для трансформаторов. Поэтому Инструкция [4] требует, чтобы при возникновении частых к. з. на отходящих линиях или на шинах были выяснены и устранены причины, вызывающие к. з., с целью предотвращения повреждений трансформаторов.
Понижение уровня масла. Трансформаторное масло обеспечивает не только электрическую изоляцию обмоток, но и их охлаждение. Поэтому понижение уровня масла в трансформаторе ниже допустимого представляет большую опасность. Причинами понижения уровня масла могут быть резкое снижение температуры окружающего воздуха или течь в баке трансформатора. О понижении уровня масла сигнализирует газовая защита, которой оборудуются трансформаторы мощностью 630 кВ-А и выше [1]. Если уровень масла быстро снижается из-за сильной течи в баке трансформатора, газовая защита действует на отключение. В дополнение к газовой защите на трансформаторах могут устанавливаться датчики низкого уровня масла, действующие на сигнал.
Повышение напряжения. Современные понижающие трансформаторы 110 (220) кВ могут иметь неполную изоляцию обмотки со стороны нулевого вывода (нейтрали) высшего напряжения. Для таких трансформаторов весьма опасно повышение напряжения выше номинального. Повышение напряжения происходит в том случае, если понижающий трансформатор с изолированной нейтралью 110 (220) кВ и с источником питания на стороне низшего (среднего) напряжения 6—35 кВ остается подключенным к участку сети 110 (220) кВ, где имеется однофазное замыкание на землю, а трансформаторы с глухозаземленной нейтралью отсутствуют. Правила [1] требуют, чтобы возникновение таких недопустимых режимов было исключено. Для этого, например, в комплекс сетевых АВР должны входить устройства делительной автоматики, действующей перед срабатыванием АВР и предотвращающей подачу напряжения со стороны сетей 6—35 кВ на понижающий трансформатор с высшим напряжением 110 или 220 кВ [5]. Для повышающих трансформаторов и трансформаторов с двух- и трехсторонним питанием (или существенной подпиткой от синхронных двигателей и синхронных компенсаторов) должна быть предусмотрена защита, обеспечивающая отключение трансформатора 110 (220) кВ с изолированной нейтралью или автоматическое заземление его нейтрали прежде, чем отключатся трансформаторы с глухозаземленными нейтралями, работающие на тот же участок сети с однофазным к. з. на землю [1,2].

Билет №20