Olajban merülő transzformátorok védelme: Buchholz-relé, túláram- és differenciálvédelem – a vásárlóknak ismerniük kellő műszaki adatok

Egy chilei bányászati vállalkozó beszerzési menedzsere júliusban hívott minket egy olyan kérdéssel, amelyre gyakrabban kerül sor, mint ahogy a vásárlók gondolnák: ha 15 MVA-es olajimmersziós transzformátor egységet rendel a gyárunkból, akkor a védelem is tartozik hozzá, vagy külön kell beszerezni? A rövid válasz: mindkettő. A tartályra szerelt eszközök az egységgel együtt szállíthatók, de a relék beállításait, a CT-arányokat és a lekapcsolási logikát a vevő védelmi mérnöke és mi együtt határozzuk meg – és a mezőn bekövetkező legtöbb hibánál, amelyek miatt hívunk, éppen ezen átadás a probléma forrása, nem maga a transzformátor.

A védőrendszer egyetlen oka van: egy belső hiba olyan energiát termel, amelyet a tartály nem képes örökké elviselni. Tipikus 7 százalékos impedanciánál egy rövidzárlat a kivezetéseknél több mint tizennégyszeresére növelheti a névleges áramot. Egy tekercsrövidzárlat a tartály belsejében ezt az energiát millisekundumok alatt a hűtőolajba juttatja. A védőrendszer feladata, hogy minél korábban észlelje az eseményt – elektromosan, hidraulikusan vagy hőmérsékleti úton –, és lekapcsolja az egységet, mielőtt a tartály felrobbanna vagy az olaj meggyulladna.

 

Milyen védőrendszer kerül ténylegesen szállításra olajban ültetett transzformátoron

Transzformátorvédelem egy olajimmersziós transzformátor két csoportra oszlik. Először is a tartályra szerelt eszközök: a Buchholz-gázrelé a főtartály és a kiegyenlítőtartály közötti csővezetéken, a nyomáskiegyenlítő eszköz a tartály fedelén, az olajhőmérséklet- és tekercshőmérséklet-mutatók riasztó érintkezőkkel, valamint az olajszintmérő. Másodszor az extern védőrelék egy kabinettben vagy alállomási panelen: túláram-, differenciál- és földzárlati funkciók, amelyek kikapcsolják a primer oldali megszakítót.

Ez a megosztás fontos a vásárlók számára. A tartályra szerelt eszközök a transzformátor szállítási körébe tartoznak – a gyár telepíti, beköti és teszteli őket. Az extern relés rendszert általában a projekt védőfilozófiája határozza meg, és beállításai a villamosenergia-szolgáltatóhoz vagy az EPC védőmérnökéhez tartoznak. A leggyakoribb hiányosság, amit észlelünk: a vásárló feltételezi, hogy a gyári szállítási kör magában foglalja a relék koordinációját, míg a védőmérnök feltételezi, hogy a transzformátor teljesen bekötött védőpanellel érkezett. Mindkét fél téved, és a üzembe helyezés leáll.

 

A Buchholz-relé: az egyetlen eszköz, amely a tartály belsejébe tekint

A Buchholz relé a főtartályt a kiegyenlítő tartályhoz csatlakoztó csőben helyezkedik el, és normál üzemben olajjal van telepítve. Két különböző hibajelenséget észlel. Lassú hibák – például szigetelés öregedése, laza kapcsolat vagy kis mértékű részleges kisülések – gázt képeznek, amely felfelé emelkedik és a relé kamrájában gyűlik össze. Amikor a gáz térfogata eléri az első fokozat küszöbértékét, egy úszó leereszkedik, és zárja az riasztási érintkezőt. Erőteljes hibák – például tekercsek közötti fázis–fázis rövidzárlat – olajhullámot indítanak el a csőben. A hullám megdönt egy elnyelőlapátot, és majdnem azonnal zárja a lekapcsolási érintkezőt, sokkal gyorsabban, mint bármelyik lefelé irányuló elektromos mérés reagálni tudna.

Tesztműhelyünkben minden Buchholz relé a felszerelés előtt asztali teszten vizsgáljuk. A levegőt az olajbevezetőn keresztül juttatjuk be, hogy ellenőrizzük: a riasztó úszó a megadott gáztérfogatnál működik-e, majd egy túlfeszültség-tesztet is végzünk, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a kikapcsoló érintkező záródik, és a vezetékek elérnek a gyűjtődobozig. Az érintkezővezetékek fényképét készítjük, és a FAT-dokumentációba helyezzük, mert egy távoli helyszínen egy rosszul bekötött riasztóérintkező egy teljes munkanapot vesz igénybe a szakember számára a hibakereséshez. Kis dolognak tűnik. Éppen ilyen apró dolgok döntik el, hogy egy első hiba riasztást vagy felesleges kikapcsolódást eredményez.

A felszerelés részletei azok a pontok, ahol a gázrelék hírnevüket szerezik. A relét vízszintesen kell felszerelni úgy, hogy a nyíl a konzervátor felé mutasson – normál üzemelés során az olaj ebben az irányban áramlik, és a gáz is ugyanezen az útvonalon halad. Egyszer egy olyan helyszínre látogattunk el, ahol a relét olyan flange-tömítésekkel szerelték fel, amelyek látható levegőzsebet zártak be; az érzékelő riasztása egy hét alatt aktiválódott a felhalmozódott gáz miatt, amely soha nem származott hibából. Az olajmintavételi pont és a relé tesztcsapja a két szerelvény, amelyeket érdemes megtalálni még a berendezés dobozolása előtt, mert mindkettőt az üzemelés első évében használják.

 

Túláram- és differenciálvédelem: Mit jelentenek az eszközkódok

A külső relévédelem az ANSI/IEEE eszközkódok nyelvén beszél, és a három leggyakoribb kód minden elosztási osztályú rendelésnél a 50, a 51 és a 87T. 50az azonnali túláramvédelem: nagyon gyorsan kikapcsol, ha a hibáram lényegesen meghaladja a terhelési áramot. 51késleltetett túramenet: koordinál a lefelé irányuló eszközökkel, így egy elosztóvezetéken fellépő hibát az elosztóvezeték, nem pedig a transzformátor szakítja meg. 87T transzformátor-differenciálvédelem: összehasonlítja a primer tekercsbe belépő áramot a másodlagos tekercsből kilépő árammal, amelyeket mindkét oldalon áramváltókon (CT) keresztül mérnek, és kiold, ha a két érték eltér – ez a leggyorsabb megbízható módszer a tartályon belüli tekercshibák észlelésére.

A Az IEEE útmutatója a teljesítménytranszformátorok védelmére (IEEE C37.91-2021) hatókörét háromfázisú, 5 MVA-nál nagyobb névleges teljesítményű, 10 kV-nál magasabb feszültségen üzemelő egységekre határozza meg, és ajánlja a teljes védelmi rendszer – beleértve a differenciálvédelmet – alkalmazását ezen a szinten. Alatta gyakori gyakorlat a biztosítékok vagy a koordinált túramenetrelék használata, ezért egy kisebb elosztótranszformátor ritkán rendelkezik differenciálvédelemmel, míg egy 15 MVA-os teljesítménytranszformátornak szüksége van rá. Ha a védelmi mérnök nem kérte a differenciálvédelmet egy ennél nagyobb méretű egységnél, kérdezze meg, miért. Az útmutató nyilvános hivatkozási anyag, és érdemes átnézni, mielőtt következő RFQ-ját elküldi.

A beállítási filozófia önálló tárgykör, de minden vásárlónak ismernie kell egy számot: a transzformátor bekapcsolási árama. Amikor egy olajimmersziós transzformátor transzformátort bekapcsolnak, a gerjesztő áram az első néhány ciklusban elérheti a névleges áram nyolc–tizenkétszeresét, mielőtt lecseng. Ha egy pillanatnyi túláramvédelmi elemet e szint alatt állítanak be, akkor a berendezés minden normál bekapcsoláskor kikapcsol. Ezért állítják a 50-es típusú védelmi elemeket a bekapcsolási áram fölé, vagy rövid ideig blokkolják őket a zárás pillanatában; ezért koordinálják a 51-es típusú elemeket a lefelé irányuló táplálóvédésekkel; és ezért használnak harmonikus fékezést differenciálvédelmi relékben – így figyelmen kívül hagyják a bekapcsolási áramot, ugyanakkor érzékelik a valódi belső hibát. A transzformátor szállítója nem választja meg ezeket a beállításokat; azt a védelmi mérnök végzi. A transzformátorgyárnak azonban szállítania kell a vizsgálati adatokat – impedanciát, telítési görbét, üresjárási veszteséget –, amelyek lehetővé teszik a koordinációs tanulmány elkészítését.

 

Nyomáscsökkentés, hőmérséklet és olajszint: A rendszer további elemei

Három további, a tartályra szerelt eszköz érdemel helyet a specifikációban. A nyomáscsökkentő eszköz akkor engedi ki a tartályból a gázt, ha a belső nyomás gyorsabban emelkedik, mint ahogy a gázrelé reagálni tud – ezt tekinthetjük a rendszer mechanikus biztonsági szelepének. Az olajhőmérséklet-mutató és a tekercshőmérséklet-mutató riasztó- és lekapcsoló érintkezőkkel rendelkezik, amelyeket általában a felső olajhőmérsékletre állítanak be, amely 65 K-os átlagos tekercshőmérséklet-emelkedés tervezési értéknek felel meg. Az olajszintmérő pedig alacsony szintű riasztással észleli azokat a lassú szivárgásokat, amelyeket a gázrelé nem tud érzékelni, mivel egy üresre fogyó konzervátor általában karbantartási probléma, mielőtt védelemmel kapcsolatos eseménnyé válna.

Egy RFQ-pont itt: kérje a kapcsolatfelvételi listát. Határozza meg, hogy az egyes eszközöknek hány tartalék riasztó- és induláskapcsoló-kapcsolatot kell tartalmazniuk, illetve hogy a kapcsolatok megfelelnek-e a vezérlőpanelje DC vezérlőfeszültségének (a leggyakoribbak: 24, 48, 110 vagy 220 V DC), továbbá hogy a kábelvezetéki doboz tartalmaz-e csatlakozóblokkokat, fűtőelemet és kábelbefogó lemezeket. A kapcsolatok utólagos felszerelése a szállítás után aránytalanul drága. Meghatározásuk csak egy sorba kerül az RFQ-ban.

 

Gyári tesztek, amelyek bizonyítják a védőrendszer működését

A védőrendszer csak annyira jó, amennyire jó mögötte a vezetékezés, ezért kétszer is teszteljük. Először az általános elektromos vizsgálatok következnek IEEE C57.12.00 : áttétel, polaritás, tekercellenállás, üresjárási és terhelési veszteség, impedancia és dielektromos vizsgálatok. Ezután a védőrendszerrel kapcsolatos ellenőrzések következnek, amelyek soha nem szerepelnek a szokásos rutinvizsgálati listán: CT polaritásának és áttételének ellenőrzése, minden riasztókapcsolat folytonosságának ellenőrzése a kábelvezetéki doboz csatlakozóin keresztül, valamint primer bevezetéses teszt, amely során áramot vezetünk a CT-kön keresztül annak igazolására, hogy a relé a megfelelő nagyságú és irányú jelet érzékeli.

 

 

Tavaly egy ügyfél harmadik félként eljáró ellenőre kérte, hogy jelen lehessen egy 20 MVA-os egység elsődleges bevezetési tesztjén, amely Délkelet-Ázsiába szállítandó. A teszt során észlelték, hogy egy CT másodlagos tekercs polaritása fordítva van bekötve a vezetékezési dobozban. Gyári szinten észlelve ez két órás javítást igényelt. Ha a helyszínen derül fel, akkor az első feszültségalállításkor differenciális működési hiba következett volna be – és egy olyan kártérítési tárgyalás, amelyet senki sem szeretne megkezdeni. Ezért a FAT védőszakasznak ugyanolyan figyelmet kell kapnia, mint a tesztjelentés veszteségadatainak.

A numerikus relék ma már olyan feladatokat látnak el, amelyek korábban elektromechanikus egységek egész falát igényelték, és számos projekt a relék adatait Modbus vagy IEC 61850 protokollon keresztül gyűjti be, nem csupán száraz érintkezőn keresztül. Bármely protokollt választja is, a gyári kérdés ugyanaz marad: tesztelték-e végponttól végpontig a védelmi hurkot, a CT-klemmáktól kezdve a megszakító kioldótekercsig? Egy relé tökéletesen konfigurálható, mégis kudarcot vallhat a kioldásban, ha a CT-másodlagos oldal nyitott, vagy a kioldóvezeték rossz klemmára kerül – ezért a FAT során végzett végponttól végpontig tartó teszt egy nagyságrenddel olcsóbb, mint ugyanez a teszt helyszínen.

 

Hat kérdés az ajánlatkérő levélbe

1. Mely védelmi eszközök vannak gyárilag felszerelve és bekötve, és melyeket laza állapotban szállítanak?
2. Buchholz-relé: márkája és típusa; az ébresztő- és kioldófokozatokat laborban tesztelték-e, és szerepelnek-e fényképek a FAT-fájlban?
3. CT-k: áttétel, pontossági osztály (pl. 5P20 védelmi osztály), valamint polaritási rajz szerepel-e a tervrajzokon?
4. A hőmérséklet-, olajszint- és nyomásmérő eszközök rendelkeznek-e tartalék érintkezőkkel jövőbeli SCADA-kapcsolódáshoz?
5. A gyári vizsgálati jelentés tartalmazza-e a CT elsődleges bevezetését és az érintkezők folytonosságát, vagy csak a szokásos villamos vizsgálatokat?
6. Milyen védődokumentáció szállítása történik a készülékkel együtt – vezetékezési rajzok, relék kezelési útmutatói, vizsgálati tanúsítványok?

Ez itt gyakorlati szempontból miért fontos. Egy közeli partnereként működő közművek beszerzője a Közel-Keleten minden alállomás-rendelést egyetlen reléplatformra és egyetlen érintkezőspecifikáció-készletre szabott le. Mi oldalunkról ez a szabványosítás azt jelenti, hogy minden készülékhez ugyanaz a vezetékezési ütemterv, ugyanaz a vizsgálati eljárás és ugyanaz a pótalkatrész-lista tartozik, amely rövidíti a FAT-t (gyári elfogadási tesztet) és előrejelezhetővé teszi a kiszállítást a felhasználó üzembe helyező csapatának.

A Ryan Electric 2007 óta gyárt elosztó- és teljesítménytranszformátorokat egy 120 000 m²-es létesítményben, és az Eaton-nal 2023-ban megkezdett partnerség biztosítja, hogy alkatrészbeszerzési és FAT-folyamataink összhangban legyenek a világ szerte működő közművek elvárásaival. A fentiek mögött 37 szabadalom és UL-, CSA-, IEEE-, DEKRA- és CNAS-tanúsítvány áll – egyik sem helyettesíti a védőmérnök beállításait, de mindegyik megkönnyíti a munkáját.

Ha egy olajimmersziós transzformátor -t határoz meg közmű-, bányászati vagy ipari projekt számára, küldje el nekünk terhelési adatait, rendszerfeszültségét és védőfilozófiáját a megkereséssel együtt. Mérnökeink megerősítik a védőterületet, a vizsgálati programot és a dokumentációs csomagot, mielőtt megadná a megrendelést. Használja elérhetőségeink oldalát, vagy kérjen közvetlen árajánlatot – válaszokkal, nem brosúrával térünk vissza.

A szerzőről ez az útmutató a Ryan Electric mérnöki és exportcsapatának a munkája, egy 2007-ben alapított, Kínában székhellyel rendelkező transzformátor-gyártó vállalaté. A csapat támogatja az észak-amerikai, délkelet-ázsiai, közép-keleti és afrikai közmű-, EPC- és ipari vásárlókat alkalmazásmérnöki szolgáltatásokkal, tanúsítási támogatással és gyári tesztdokumentációval.