Защита на маслено-потопен трансформатор: Реле на Бухолц, спецификации за свръхток и диференциал, които купувачите трябва да знаят

Мениджър по набавките на чилийски миньорски подизпълнител ни се обади през юли с въпрос, който чуваме по-често, отколкото купувачите очакват: ако поръча 15 MVA маслен трансформатор от нашата фабрика, дали защитата е включена в доставката или трябва да я набави отделно? Краткият отговор е „и двете“. Устройствата, монтирани в резервоара, се изпращат заедно с уреда, но настройките на релетата, трансформаторните коефициенти на тока (CT ratios) и логиката за изключване се определят заедно с инженера по защита на купувача — и повечето аварии на място, за които ни повикват, се дължат именно на този преход, а не на самия трансформатор.

Защитата съществува по една-единствена причина: вътрешна повреда генерира енергия, която резервоарът не е проектиран да задържа завинаги. При типичен импеданс от 7 % късо съединение между клемите може да предизвика ток, надвишаващ номиналната стойност повече от четиринадесет пъти. Късо съединение в намотката вътре в резервоарът прехвърля тази енергия в маслото за милисекунди. Задачата на защитната схема е да регистрира събитието навреме — чрез електрически, хидравлични или термични методи — и да изключи уреда, преди резервоарът да се пръсне или маслото да се запали.

 

Каква защита всъщност се доставя за трансформатор с маслено потапяне

Защита на трансформатори за маслен трансформатор се дели на две групи. Първо, устройствата, монтирани върху самия резервоар: газовият релей на Буххолц в тръбата между основния резервоар и консерватора, устройството за релефно налягане в капака на резервоара, индикатори за температурата на маслото и на намотките с контакти за аларма, както и показател за нивото на маслото. Второ, външни защитни релета в кабинка или панел на подстанцията: функции за токова претоварване, диференциална защита и защита срещу земно замыкание, които изключват прекъсвача от първичната страна.

Това разделяне има значение за купувачите. Устройствата, монтирани върху резервоара, са част от обхвата на трансформатора — фабриката ги инсталира, свързва и изпитва. Външната схема с релета обикновено се определя в проектната философия за защита, а настройките ѝ са отговорност на електроенергийната компания или на инженера по защита на ЕРС-изпълнителя. Най-честата пропусната точка, която забелязваме: купувачът предполага, че обхватът на фабриката включва координация на релетата, а инженерът по защита предполага, че трансформаторът пристига с напълно свързан панел за защита. И двамата са в грешка, а пускането в експлоатация се забавя.

 

Реле на Буххолц: Единственото устройство, което „надзърта“ в резервоара

The Реле на Буххолц се монтира в тръбата, свързваща главния резервоар с консерватора, и е изпълнено с масло при нормална експлоатация. То регистрира два различни типа неизправности. Бавни неизправности — остаряване на изолацията, лошо свързване, малки частични разряди — генерират газ, който се издига и се събира в камерата на релето. Когато обемът на газа достигне прага за първа стъпка, поплавъкът спада и затваря контакта за сигнал за тревога. Насилствени неизправности, като например късо съединение между фазите в намотките, предизвикват бърз поток от масло през тръбата. Този поток накланя клапа и почти мигновено затваря контакта за аварийно изключване — много по-бързо, отколкото всяко електрическо измерване по-нататък по веригата може да реагира.

В нашата изпитателна зала всеки Реле на Буххолц се тества на маса преди монтиране. Вкарваме въздух през входа за масло, за да проверим дали алармената поплавкова система работи при зададения обем газ, след което извършваме тест за вълнообразен товар, за да потвърдим, че контактът за спиране се затваря и проводниците достигат до разпределителната кутия. Снимките на контактната уредба се архивират в документацията от фабричните приемни изпитания (FAT), тъй като на отдалечен обект погрешно свързан алармен контакт може да струва на техник цял работен ден за проследяване. Звучи като дреболия. Това е точно такава дреболия, която определя дали първото отклонение ще предизвика аларма или ненужно спиране.

Детайлът на инсталирането е мястото, където газовите реле спечелват репутацията си. Релето трябва да се монтира хоризонтално, като стрелката му сочи към консерватора — по този начин тече маслото при нормална експлоатация и газът следва същия път. Веднъж посетихме обект, където релето беше монтирано с фланцови уплътнения, задържащи видим въздушен джоб; сигналът за тревога се активира в рамките на една седмица поради натрупан газ, който никога не беше произлязъл от повреда. Мястото за вземане на проба от маслото и изпитателният клапан на релето са двете фитинги, които има смисъл да се локализират преди затваряне на агрегата в корпус, тъй като и двата се използват през първата година от експлоатацията.

 

Защита срещу токове на претоварване и диференциална защита: какво означават номерата на устройствата

Външната релейна защита използва номера на устройствата според ANSI/IEEE, а трите номера, с които ще се срещнете почти при всяка поръчка за разпределителни класове, са 50, 51 и 87T. 50е моментална защита срещу токове на претоварване: активира се бързо при токове на повреда, значително надвишаващи работния ток. 51е защита срещу токови претоварвания с времева забава: координира се с по-ниско разположените устройства, така че повредата във фидера да бъде изключена на нивото на фидера, а не на трансформатора. 87T е диференциална защита на трансформатора: сравнява тока, влизащ в първичната намотка, с тока, излизащ от вторичната намотка, като измерванията се извършват чрез трансформатори за ток (ТТ) от двете страни, и задейства изключване при загуба на съответствие между двата тока — най-бързият и надежден начин за откриване на повреди в намотките вътре в резервоара.

The Ръководство на IEEE за защита на силови трансформатори (IEEE C37.91-2021) определя обхвата си като трифазни уреди с номинална мощност над 5 MVA, работещи при напрежение над 10 kV, и препоръчва пълна защитна схема — включително диференциална защита — за този клас. При по-малки мощности обикновено се прилагат предпазители или координирани релета за токово претоварване, поради което малък разпределителен трансформатор рядко е оборудван с диференциална защита, докато силов трансформатор с мощност 15 MVA трябва да има такава. Ако вашият инженер по защита не е поискал диференциална защита за уред с мощност над тази граница, задайте му въпроса защо. Ръководството е публично референтно издание и заслужава прочит преди следващата ви RFQ.

Философията на настройката е самостоятелна тема, но има едно число, което трябва да присъства в речника на всеки купувач: пусков ток при включване на трансформатора. Когато маслен трансформатор се включи, намагнитващият ток може да достигне осем до дванадесет пъти номиналния ток през първите няколко цикъла, преди да започне да спада. Елемент за мигновено прекомерно течение, зададен под това ниво, ще изключи уреда при всяко нормално включване. Затова елементите тип 50 се задават над стойността на пусковия ток или се блокират кратко време при затваряне, елементите тип 51 се координират с защитата на по-долу разположените фидери, а диференциалните релета използват хармонично ограничение — те пренебрегват пусковия ток, но все още регистрират истинска вътрешна повреда. Вашата доставчица не избира тези настройки; това прави вашият инженер по защита. Това, което фабриката за трансформатори трябва да предостави, са изпитателните данни — импеданс, крива на наситяване, загуби при празен ход — които правят възможното изследването за координация.

 

Релефен клапан за налягане, температура и ниво на маслото: Останалата част от защитната схема

Още три устройства, монтирани върху резервоара, заслужават внимание в техническата спецификация. Устройството за релевантно отпускане на налягането изпуска налягането от резервоара, ако вътрешното налягане нараства по-бързо, отколкото газовият реле може да реагира — представете си го като механичен предпазен клапан на схемата. Индикаторът на температурата на маслото и индикаторът на температурата на намотките имат контакти за аларма и изключване, обикновено зададени спрямо температурата на горната част на маслото, която съответства на проектното повишаване на средната температура на намотките с 65 K. А показателят на нивото на маслото с аларма за ниско ниво открива бавни течове, които газовият реле не може да регистрира, тъй като изпразването на консерватора до празно състояние обикновено е проблем, свързан с поддръжката, преди да стане събитие, изискващо защита.

Един въпрос за цитиране на цена тук: поискайте списъка с контактите. Уточнете колко резервни алармени и аварийни контакти трябва да има всяко устройство, дали контактите са оценени за постоянното напрежение на вашата панелна система (24, 48, 110 или 220 V DC са най-често срещаните), и дали разпределителната кутия включва клемни блокове, нагревател и кабелни втулки. Добавянето на контакти след доставката е несъразмерно скъпо. Указването им струва само един ред в заявката за цитиране на цена.

 

Фабрични изпитания, които потвърждават работоспособността на защитата

Защитата е толкова добра, колкото е и монтажът ѝ, затова извършваме два вида изпитания. Първо са рутинните електрически изпитания според IEEE C57.12.00 : съотношение, полярност, съпротива на намотките, загуби при празен ход и при натоварване, импеданс и диелектрични изпитания. След това идват проверките на защитата, които никога не се появяват в стандартния списък на рутинни изпитания: проверка на полярността и съотношението на трансформаторите за ток (CT), проверка на непрекъснатостта от всеки алармен контакт до клемните блокове на разпределителната кутия и изпитание с първична инжекция, при което подаваме ток през трансформаторите за ток, за да докажем, че релето регистрира правилната величина и посока.

 

 

Миналата година трета страна, инспектор на клиент, поиска да присъства на първична инжекция върху един 20 MVA агрегат, предназначен за Югоизточна Азия. Тестът разкри, че една вторична трансформаторна намотка за ток (CT) е свързана с обратна полярност в разпределителната кутия. Забелязано в завода, поправката отне само два часа. Ако беше открито на обекта, при първото включване щеше да се получи неправилно действие на диференциалната защита — и последващ разговор за претенция, който никой не желае да води. Затова разделът за заводски изпитания (FAT) по защита заслужава същото внимание като показателите за загуби в изпитателния протокол.

Числените реле сега извършват работата, която преди изискваше стена от електромеханични устройства, а много проекти извличат данните от релето чрез Modbus или IEC 61850 вместо само чрез сух контакт. Независимо от избрания протокол, въпросът на производителя остава един и същ: дали защитната верига е тествана от край до край — от терминалите на трансформатора за ток (CT) до намотката за задействане на прекъсвача? Едно реле може да е перфектно конфигурирано, но все пак да не задейства прекъсвача, ако вторичната верига на CT е отворена или ако жицата за задействане е свързана към грешен терминал — затова тестването от край до край по време на FAT е по-евтино с порядък от същото тестване на място.

 

Шест въпроса за вашата RFQ

1. Кои защитни устройства са монтирани и свързани на завода, а кои се доставят отделно?
2. Реле Буххолц: марка и модел; дали стадиите за аларма и задействане са тествани на маса, със снимки във файла за FAT?
3. Трансформатори за ток (CT): съотношение, клас на точност (защитен клас, напр. 5P20) и диаграма на полярността включени ли са в чертежите?
4. Дали устройствата за температура, ниво на масло и налягане разполагат с резервни контакти за бъдеща връзка с SCADA?
5. Дали докладът от фабричните изпитания включва първична инжекция на трансформатора за ток и проверка на непрекъснатостта на контактите или само рутинни електрически изпитания?
6. Каква документация за защита се доставя заедно с уреда — електрически схеми, ръководства за реле, сертификати за изпитания?

Ето защо това има практическо значение. Купувач от енергийна компания, с когото работим в Близкия изток, стандартизира всички поръчки за подстанции върху един и същи платформен тип реле и един и същи набор спецификации за контакти. От наша страна тази стандартизация означава една и съща графика за свързване, една и съща процедура за изпитания и един и същи списък с резервни части за всеки уред, което намалява времето за фабрични приемни изпитания (FAT) и прави предаването на проекта на неговия екип за пускане в експлоатация предсказуемо.

Ryan Electric произвежда разпределителни и силови трансформатори от 2007 г. в производствен обект с площ 120 000 м², а партньорството ни с Eaton, започнало през 2023 г., гарантира, че източниците ни на компоненти и дисциплината ни за FAT са съгласувани с очакванията на световните електрически компании. Гореспоменатите процедури са потвърдени от тридесет и седем патента и сертификати на UL, CSA, IEEE, DEKRA и CNAS — нито едно от тях не замества настройките на вашия инженер по защита, но всички те улесняват неговата работа.

Ако определяте маслен трансформатор за електрическа компания, минно предприятие или промишлен проект, изпратете ни данните за вашата товарна мощност, системното напрежение и философията ви за защита заедно със заявката си. Инженерите ни ще потвърдят обхвата на защитата, програмата за изпитания и пакета документация, преди да сте подали поръчка. Използвайте нашата страница за контакт или направете директна заявка за оферта, и ние ще ви отговорим с конкретни решения, а не с брошура.

За автора това ръководство е съставено от инженерния и експортен екип на Ryan Electric, производител на трансформатори със седалище в Китай, основан през 2007 г. Екипът поддържа доставчици на електроенергия, EPC и промишлени купувачи в Северна Америка, Югоизточна Азия, Близкия изток и Африка чрез инженерна поддръжка за приложения, поддръжка за сертифициране и документация за фабрични изпитания.