Öljyssä upotetun muuntajan suojaus: Buchholzin rele, ylivirta- ja erotusvirransuojaus – ostajien tulee tuntea näiden ominaisuudet

Chileläisen kaivosteollisuuden urakoitsijan hankintapäällikkö soitti meille heinäkuussa kysymällä jotain, mitä kuulemme useammin kuin ostajat odottavat: jos hän tilaisi 15 MVA:n öljyyn Upotettu Muuntaja tehtaaltamme, sisältyisikö suojauksellinen varustus siihen vai pitäisikö sen hankkia erikseen? Lyhyt vastaus on, että molemmat vaihtoehdot ovat mahdollisia. Astiakokoonpanoihin asennetut laitteet toimitetaan yhdessä laitteen kanssa, mutta releasetukset, virtamuuntajien suhteet ja katkaisulogiikka määritetään yhdessä ostajan suojauksen insinöörin kanssa – ja useimmat kenttävialit, joihin meitä soitetaan, johtuvat juuri tästä siirrosta eikä itse muuntajasta.

Suojauksen tarkoitus on yksinkertainen: sisäinen vika tuottaa energiaa, jota säiliö ei ole suunniteltu kestämään ikuisesti. Tyypillisellä 7 %:n impedanssilla liitinten välillä tapahtuva oikosulku voi aiheuttaa virran nousemisen yli neljätoista kertaa nimellisarvoon verrattuna. Käämin sisäinen oikosulku siirtää kyseisen energian öljyyn millisekunneissa. Suojajärjestelmän tehtävänä on havaita tapahtuma mahdollisimman varhain — sähköisesti, hydraulisesti tai lämpötilan perusteella — ja katkaista laite ennen kuin säiliö räjähtää tai öljy syttyy.

 

Mitä suojauksia todellisuudessa toimitetaan öljyssä käytettävään muuntajaan

Muuntajasuojaus kierteisellä kotelolla se toimii sekä öljyyn Upotettu Muuntaja jakautuu kahteen ryhmään. Ensimmäiseen kuuluvat laitteet, jotka on asennettu säiliöön itseensä: Buchholzin kaasurele pääsäiliön ja säilytysastian välistä putkea pitkin, painonsäätölaite säiliön kanteen, öljyn lämpötilan ja käämien lämpötilan indikaattorit hälytyskoskettimilla sekä öljytason mittari. Toiseen ryhmään kuuluvat ulkoiset suojareleet kytkentäkaapissa tai sähköaseman paneelissa: ylikuormitus-, erotus- ja maasulkufunktiot, jotka katkaisevat ensisijaisen puolen katkaisijan.

Tämä jakautuminen on tärkeää ostajille. Säiliöön asennetut laitteet kuuluvat muuntajan toimitusalueeseen – tehdas asentaa ne, kytkentää ne ja testaa ne. Ulkoisen suojarelejärjestelmän määrittelee yleensä projektin suojafilosofia, ja sen asetukset kuuluvat sähköverkon haltijalle tai EPC:n suojasuunnittelijalle. Yleisin aukko, jonka havaitsemme: ostaja olettaa, että tehtaan toimitusalue kattaa relekoordinoinnin, ja suojasuunnittelija olettaa, että muuntaja saapui valmiiksi kytketyllä suojapaneelilla. Molemmat ovat väärässä, ja käyttöönotto jää kesken.

 

Buchholzin rele: Ainoa laite, joka katsoo säiliön sisään

Tämä Buchholzin releen sijaitsee pääsäiliön ja säiliöntäytin välisessä putkessa, joka on normaalissa käytössä täynnä öljyä. Se havaitsee kahden eri tyypin vioittumisen merkit. Hidas vika — esimerkiksi eristeen ikääntyminen, löysä liitos tai pienet osittaispurkaukset — tuottaa kaasua, joka nousee ylöspäin ja kertyy relekammioon. Kun kaasun tilavuus saavuttaa ensimmäisen vaiheen kynnystason, kellukkeen taso laskee ja sulkee hälytyskosketuksen. Voimakkaita vikoja, kuten käämien välillä tapahtuvaa vaihe-vaihe-lyhensettä, aiheuttaa öljyn voimakas virtaus putkessa. Tämä virtaus kallistaa estelevyn ja sulkee poiskytkintäkosketuksen lähes heti — paljon nopeammin kuin mikään sähköinen mittaus alapuolella voisi reagoida.

Testauslaboratoriossamme jokainen Buchholzin releen se testataan penkkitestillä ennen asennusta. Puhallamme ilmaa öljyliitäntään varmistaaksemme, että hälytys kellukkeen toiminta alkaa määritellyllä kaasumäärällä, ja suoritamme sitten ylikuormitustestin varmistaaksemme, että katkaisukosketin sulkeutuu ja että johdotus saavuttaa jakopisteen. Koskettimen johdotuksesta otetaan valokuvat ja ne arkistoidaan FAT-dokumentaatioon, koska kaukana sijaitsevalla kohteella väärin kytketty hälytyskosketin aiheuttaa teknikolle koko päivän kestävän virheenjäljitystyön. Se kuulostaa pieneltä asialta. Se on juuri sellainen pieni asia, joka ratkaisee, johtaako ensimmäinen vika hälytykseen vai tarpeettomaan katkaisuun.

Asennusyksityiskohta on se paikka, jossa kaasureleiden maine muodostuu. Rele on asennettava tasaiselle alustalle siten, että sen nuoli osoittaa säiliöä kohti – öljy virtaa normaalissa käytössä tähän suuntaan, ja kaasu kulkee saman reitin. Vierailimme kerran paikassa, jossa rele oli asennettu tiivistepinnoilla, jotka olivat jäädyttäneet näkyvän ilmakuplan; hälytys aktivoitui viikossa kerääntyneestä kaasusta, joka ei ollut peräisin mistään vioista. Öljynottopiste ja releen testiventtiili ovat kaksi liitintä, joiden sijainti kannattaa selvittää ennen kuin laite pakataan, koska molempia käytetään ensimmäisen vuoden aikana.

 

Ylikuormitus- ja erotuspuolustus: Mitä laiteluvut tarkoittavat

Ulkoisen relepuolustuksen kielenä ovat ANSI/IEEE-laiteluvut, ja kolme laitetta, joihin törmäät lähes jokaisessa jakeluverkkoluokan tilauksessa, ovat 50, 51 ja 87T. 50on hetkellinen ylikuormitus: se laukaisee nopeasti virran vikatilanteessa, joka on huomattavasti suurempi kuin kuormavirta. 51on viivästetty ylikuormitussuojaus: se koordinoi alapuolella olevien laitteiden kanssa, jotta syöttölinjan vika poistetaan syöttölinjalla eikä muuntajalla. 87T on muuntajan erottelusuojaus: se vertaa ensiökäämitykseen tulevaa virtaa toisiokäämityksestä poistuvan virran kanssa, mitattuna molemmilla puolilla asennettujen virtamuuntajien avulla, ja laukaisee katkaisun, kun kaksi arvoa eivät enää täsmää – tämä on nopein luotettava tapa havaita käämitysviat muuntajakotelossa.

Tämä IEEE:n ohje muuntajien suojaamiseksi (IEEE C37.91-2021) määrittelee soveltamisalan kolmivaiheisille yksiköille, joiden nimellisteho ylittää 5 MVA ja jotka toimivat yli 10 kV:n jännitteellä, ja suosittelee täydellistä suojausjärjestelmää – mukaan lukien erottelusuojaus – tällä tehotasolla. Alempaa tehotasoa alapuolella sulakkeet tai koordinoitu ylikuormitussuojaus ovat yleinen käytäntö, mikä selittää, miksi pieni jakeluun tarkoitettu muuntaja harvoin sisältää erottelusuojausta, kun taas 15 MVA:n tehoista voimamuuntajaa pitäisi aina suojata erottelusuojausjärjestelmällä. Jos suojauksen suunnittelija ei ole vaatinut erottelusuojausta yksikölle, jonka koko ylittää kyseisen rajan, kysy syytä. Ohje on julkinen viitemateriaali, ja sitä kannattaa lukea ennen seuraavaa tarjouspyyntöä.

Asetusfilosofia on oma aiheensa, mutta yksi luku kuuluu jokaisen ostajan sanavarastoon: muuntajan käynnistysvirta. Kun öljyyn Upotettu Muuntaja kytketään päälle, magneettivirta voi saavuttaa kahdeksan–kaksitoista kertaa nimellisvirran ensimmäisten jaksojen aikana ennen vaimenemistaan. Hetkellisen ylivirtaelementin asetusarvo, joka on asetettu tätä tasoa alapuolelle, laukaisee laitteen joka kerta normaalissa käynnistyksessä. Siksi 50-elementtien asetusarvot on asetettu yläpuolelle käynnistysvirran tasoa tai niitä estetään lyhyeksi ajaksi kytkennän hetkellä, 51-elementit koordinoituvat alapuolella olevan syöttölinjan suojauksen kanssa ja erottelureleissä käytetään harmonisen eston menetelmää – ne jättävät käynnistysvirran huomiotta, mutta havaitsevat silti todellisen sisäisen vian. Näitä asetuksia ei valitse muuntajatoimittaja; niitä valitsee suojausinsinööri. Muuntajatehdas on toimitettava testitiedot – impedanssi, kyllästyskäyrä, tyhjäkäyntihäviö – jotka mahdollistavat koordinaatiotutkimuksen.

 

Painevapautus, lämpötila ja öljytaso: Muut osat suojaketjua

Kolme lisälaiteetta, jotka asennetaan säiliöön, ansaitsevat maininnan teknisessä eritelmässä. Paineventtiilin tehtävä on purkaa säiliön sisäinen paine, jos se nousee nopeammin kuin kaasurele kykenee reagoimaan – ajattele sitä mekaanisena turvaventtiilinä koko järjestelmässä. Öljyn lämpötilan ilmaisin ja käämien lämpötilan ilmaisin ovat varustettu hälytys- ja katkaisukytkimillä, jotka yleensä asetetaan vastaamaan yläöljyn lämpötilaa, joka vastaa 65 K:n keskimääräistä käämien lämpötilan nousua suunnittelussa. Öljytason mittari, jossa on alhaisen tason hälytys, havaitsee hitaat vuodot, joita kaasurele ei pysty tunnistamaan, koska tyhjenemässä oleva säiliö on yleensä huoltokysymys ennen kuin se muodostuu suojatoiminnon aiheuttajaksi.

Yksi tarjouspyyntöpiste tässä: pyydä yhteystietoluetteloa. Määrittele, kuinka monta varoitus- ja katkaisukontaktia kussakin laitteessa tulee olla, ovatko kontaktit suunniteltu käytettäviksi hallintapaneelisi DC-jännitteellä (yleisimmät ovat 24, 48, 110 tai 220 V DC) ja sisältääkö johdinkotelo liittimistä, lämmittimen ja tiukennuslevyjä. Kontaktien jälkiasennus toimituksen jälkeen on epäsuhtaisen kallista. Niiden määrittäminen vaatii vain yhden rivin tarjouspyyntöön.

 

Tehtaalla suoritettavat testit, jotka todistavat suojauksen toiminnan

Suojaus on yhtä hyvä kuin sen takana oleva johdotus, joten testaamme kahdesti. Ensimmäiseksi suoritamme tavallisesti tehtävät sähköiset testit IEEE C57.12.00 : muuntosuhde, napaisuus, käämien vastus, tyhjäkäyntihäviö ja kuormitushäviö, impedanssi sekä eristystestit. Tämän jälkeen suoritamme suojauksen tarkistukset, joita ei koskaan esiinny standardissa tavallisessa testiluettelossa: CT:n napaisuuden ja muuntosuhteen tarkistus, jokaisen varoituskontaktin jatkuvuustarkistus johdinkotelon liittimiin saakka sekä ensisijainen injektio-testi, jossa ohjaamme virtaa CT:n läpi todistaaksemme, että rele havaitsee oikean suuruuden ja suunnan.

 

 

Viime vuonna asiakkaan kolmannen osapuolen tarkastaja pyysi olla paikalla ensisijaisen kytkentätestin aikana 20 MVA:n laitteistossa, joka oli tilattu Kaakkois-Aasiaan. Testissä havaittiin yhden virtamuuntajan (CT) toissijaisen piirin olevan väärinpäin kytketty jakokotelossa. Virhe havaittiin tehtaalla, ja sen korjaaminen kesti kaksi tuntia. Jos virhe olisi havaittu asennuspaikalla, se olisi johtanut differentiaalisuojan vääriin toimintoihin ensimmäisellä kytkennällä – ja kaikki haluavat välttää sellaisen vaatimuskeskustelun. Siksi FAT-suojauksen osiota tulee kiinnittää yhtä paljon huomiota kuin testiraportin häviöarvoihin.

Numeeriset suojareleet hoitavat nyt työn, johon aiemmin vaadittiin koko seinä elektromekaanisia yksiköitä, ja monet hankkeet hakevat releiden tietoja Modbus- tai IEC 61850-protokollan kautta sen sijaan, että käytettäisiin pelkästään kuivaa kosketinta. Valitsemmepa minkä tahansa protokollan, tehdaskysymys pysyy samana: onko suojapiiri testattu kokonaisuudessaan – alkaen virtamuuntimen (CT) liittimistä ja päättyen katkaisimen kytkentäkelaan? Rele voi olla täydellisesti konfiguroitu, mutta silti epäonnistua kytkentäkelaan kytkemisessä, jos virtamuuntimen toissijainen piiri on avoin tai kytkentäjohto on liitetty väärään liittimeen – siksi kokonaisuuden läpi suoritettava testaus tehtaassa (FAT) on kertaluokkaa halvempaa kuin vastaava testaus kohteessa.

 

Kuusi kysymystä, jotka tulee sisällyttää tarjouspyyntöön (RFQ)

1. Mitkä suojalaitteet on asennettu ja kytketty tehtaalla, ja mitkä toimitetaan irroittamattomina?
2. Buchholzin rele: merkki ja malli; ovatko hälytys- ja kytkentävaiheet testattu pöydällä, ja onko FAT-tiedostossa valokuvia?
3. Virtamuuntimet (CT): muuntosuhde, tarkkuusluokka (esimerkiksi suojaluokka 5P20) ja napaisuuskaavio sisällytetty piirustuksiin?
4. Kuljetetaanko lämpötilan, öljytason ja paineen mittauslaitteissa varakoskettimia tulevaa SCADA-yhteyttä varten?
5. Sisältääkö tehtaan testiraportti CT:n ensisijaisen injektion ja koskettimien jatkuvuuden testit vai ainoastaan tavalliset sähkötestit?
6. Mitä suojaukseen liittyvää dokumentaatiota toimitetaan yksikön mukana – kytkentäkaaviot, releiden käyttöohjeet, testitodistukset?

Tässä on käytännön merkitys. Työskentelemämme keskisen Lähi-idän hyötyverkkoyrityksen ostaja standardoi kaikki alaasematoimitukset yhden relealustan ja yhden koskettimen eritelmäjoukon perusteella. Meidän puolestamme tämä standardointi tarkoittaa samaa kytkentäsuunnitelmaa, samaa testimenettelyä ja samaa varaosaluetteloa jokaiselle yksikölle, mikä lyhentää FAT-testausta ja tekee siirron hänen käynnistystiiminsä vastuulle ennustettavaksi.

Ryan Electric on valmistanut jakelu- ja voimamuuntajia vuodesta 2007 lähtien 120 000 neliömetrin laitoksessa, ja Eatonin kanssa vuonna 2023 aloitettu kumppanuus varmistaa komponenttien hankinnan ja FAT-tarkastusten yhdenmukaisuuden maailmanlaajuisten sähköverkkoyhtiöiden odotusten kanssa. Yllä mainitut toimet perustuvat 37 patenttiin sekä UL-, CSA-, IEEE-, DEKRA- ja CNAS-sertifikaatteihin – mikään näistä ei korvaa suojauksentekijän asetuksia, mutta kaikki tekevät hänen työstään helpompaa.

Jos määrittelet öljyyn Upotettu Muuntaja sähköverkkoyhtiölle, kaivosteollisuudelle tai teollisuusprojektille, lähetä meille kyselyssäsi kuormatiedot, järjestelmän jännite ja suojauksentavoitteet. Insinöörimme vahvistavat suojauksen laajuuden, testiohjelman ja dokumentaatiopaketin ennen kuin teet ostotilauksen. Käytä yhteystietosivuamme tai pyydä tarjousta suoraan, ja vastaamme kysymyksiisi, emmekä lähetä brošuuria.

Kirjoittajasta tämä opas on laatinut Ryan Electricin insinööri- ja viennin tiimi. Ryan Electric on Kiinassa vuonna 2007 perustettu muuntajavalmistaja. Tiimi tukee hyötyverkkoja, EPC-yrityksiä sekä teollisuuden ostajia Pohjois-Amerikassa, Kaakkois-Aasiassa, Lähi-idässä ja Afrikassa sovellusinsinöörituesta, sertifiointituesta ja tehdastestausdokumentaatiosta.