Bescherming van oliegeïmmersiveerde transformatoren: Buchholz-relais, overstroom- en differentiële specificaties die kopers moeten kennen

Een inkoopmanager van een Chileense mijnbouwcontractant belde ons in juli met een vraag die vaker voorkomt dan kopers verwachten: als hij een 15 MVA olie-ondergedompelde transformator bij onze fabriek bestelde, was de bescherming dan inbegrepen of moest hij die afzonderlijk inkopen? Het korte antwoord is: beide. Op de tank gemonteerde apparaten worden meegeleverd met de eenheid, maar de instellingen van het relais, de stroomtransformatorverhoudingen (CT-ratio’s) en de uitschakellogica worden gezamenlijk bepaald met de beschermingsengineer van de koper — en de meeste storingen ter plaatse waar wij om worden gevraagd, zijn terug te voeren op die overdracht, niet op de transformator zelf.

Bescherming bestaat om één reden: een interne fout genereert energie die de tank niet is ontworpen om eeuwig te bevatten. Bij een typische impedantie van 7 procent kan een kortsluiting met lage weerstand aan de aansluitklemmen de stroom doen oplopen tot meer dan veertien keer de nominale waarde. Een wikkelingskortsluiting binnen de tank voert die energie in milliseconden aan de olie toe. De taak van het beschermingssysteem is om het incident vroegtijdig te detecteren — elektrisch, hydraulisch of thermisch — en de eenheid te isoleren voordat de tank barst of de olie ontbrandt.

 

Welke bescherming wordt daadwerkelijk geleverd bij een oliegeïmmersiveerde transformator

Transformatorbeveiliging op een olie-ondergedompelde transformator verdeelt zich in twee groepen. Ten eerste apparaten die op de tank zelf zijn gemonteerd: de Buchholz-gasrelais op de pijp tussen de hoofdtank en de conservator, een drukontlastingsinrichting op het tankdek, indicatoren voor olie- en wikkelingstemperatuur met alarmcontacten, en een oliepeilindicator. Ten tweede externe beveiligingsrelais in een kast of een substationpaneel: overstromings-, differentiële- en aardfoutfuncties die de stroomonderbreker aan de primaire zijde uitschakelen.

Die splitsing is van belang voor kopers. De op de tank gemonteerde apparaten vallen onder de leveringsomvang van de transformator — de fabriek installeert, verbindt en test ze. Het externe relaisschema wordt meestal gedefinieerd in de projectbeveiligingsfilosofie, en de instellingen daarvan vallen onder de verantwoordelijkheid van de nutsmaatschappij of de beveiligingsingenieur van de EPC. De meest voorkomende kloof die wij tegenkomen: de koper neemt aan dat de fabrieklevering coördinatie van de relais omvat, terwijl de beveiligingsingenieur ervan uitgaat dat de transformator geleverd wordt met een volledig bedrade beveiligingskast. Beiden hebben het mis, en de inbedrijfstelling komt stil te liggen.

 

De Buchholz-relais: het enige apparaat dat naar binnen kijkt in de tank

De Buchholz-relais is geïnstalleerd in de pijp die de hoofdtank met de expansietank verbindt en is tijdens normaal bedrijf vol olie. Het detecteert twee verschillende soorten storingen. Langzame storingen — zoals veroudering van de isolatie, een losse verbinding of kleine gedeeltelijke ontladingen — genereren gas dat opstijgt en zich in de relaiskamer verzamelt. Zodra het gasvolume de drempelwaarde van de eerste fase bereikt, daalt een drijver en sluit het alarmcontact. Gewelddadige storingen, zoals een kortsluiting tussen fasen in de wikkelingen, veroorzaken een oliegolf die door de pijp stroomt. Deze golf kantelt een klep en sluit bijna onmiddellijk het uitschakelcontact, veel sneller dan welke elektrische meting stroomafwaarts ook kan reageren.

In onze testruimte wordt elke Buchholz-relais wordt op de bank getest voordat het wordt gemonteerd. We blazen lucht via de olie-inlaat om te verifiëren dat de alarmdrijver bij het gespecificeerde gasvolume in werking treedt, waarna een piektest wordt uitgevoerd om te bevestigen dat het uitschakelcontact sluit en de bedrading de marshalling box bereikt. De bedrading van het contact wordt gefotografeerd en opgenomen in de FAT-documentatie, omdat op een afgelegen locatie een verkeerd aangesloten alarmcontact een technicus een volledige dag kost om terug te traceren. Het klinkt als een klein detail. Het is precies zo’n klein detail dat bepaalt of een eerste storing leidt tot een alarm of tot een onnodige uitschakeling.

Het installatiedetail is waar gasrelais hun reputatie op bouwen. Het relais moet horizontaal worden gemonteerd, met de pijl gericht naar de oliecompensator — in normale bedrijfsomstandigheden stroomt de olie in die richting, en gas reist dezelfde route. Op een bepaalde locatie zagen we ooit een relais dat was geïnstalleerd met flenspakkingen waardoor een zichtbaar luchtzakje werd opgesloten; het alarm ging binnen een week af door opgehoopt gas dat nooit uit een storing was ontstaan. Het oliebemonsteringspunt en de testklep van het relais zijn de twee aansluitingen die het waard zijn om te lokaliseren voordat de unit wordt ingepakt, omdat beide binnen het eerste jaar van bedrijf worden gebruikt.

 

Overstroom- en differentiële bescherming: wat de apparaatnummers betekenen

Externe relaisbescherming maakt gebruik van ANSI/IEEE-apparaatnummers, en de drie nummers die u bij vrijwel elke distributieklassige bestelling tegenkomt, zijn 50, 51 en 87T. 50is een directe overstroombeveiliging: deze schakelt snel uit bij storingsstromen die ver boven de belastingsstroom liggen. 51is een tijdsvertraagde overstroombeveiliging: deze coördineert met downstream-apparatuur, zodat een fout op een aftakking wordt geïsoleerd op de aftakking zelf, niet bij de transformator. 87T is differentiële transformatorbeveiliging: deze vergelijkt de stroom die de primaire wikkeling binnenkomt met de stroom die de secundaire wikkeling verlaat, gemeten via stroomtransformatoren (CT’s) aan beide zijden, en activeert een uitschakeling zodra deze twee stromen niet langer overeenkomen — de snelste betrouwbare manier om wikkelingsfouten binnen de behuizing te detecteren.

De IEEE-richtlijn voor de beveiliging van vermogenstransformatoren (IEEE C37.91-2021) stelt als toepassingsgebied driefasige eenheden met een nominaal vermogen boven 5 MVA die werken boven 10 kV, en beveelt een volledig beveiligingsschema — inclusief differentiële beveiliging — aan voor dergelijke eenheden. Onder dat vermogensniveau zijn zekeringen of gecoördineerde overstroomrelais gangbaar, wat verklaart waarom een kleine distributietransformator zelden differentiële beveiliging heeft, terwijl een 15 MVA-krachttransformator die wel zou moeten hebben. Als uw beveiligingsingenieur geen differentiële beveiliging heeft gevraagd voor een eenheid boven deze grootte, vraag dan waarom. De richtlijn is openbaar referentiemateriaal en verdient aandacht vóór uw volgende RFQ.

De instelfilosofie is een onderwerp op zich, maar één getal behoort tot de woordenschat van elke koper: de inschakelstroom van de transformator. Wanneer een olie-ondergedompelde transformator wordt ingeschakeld, kan de magnetiseringsstroom in de eerste cycli acht tot twaalf maal de nominale stroom bereiken, alvorens af te nemen. Een direct werkend overstroomelement dat lager is ingesteld dan dit niveau, laat het apparaat bij elke normale inschakeling uitschakelen. Daarom worden 50-elementen hoger ingesteld dan de inschakelstroom of tijdelijk geblokkeerd bij het sluiten, waarom 51-elementen gecoördineerd zijn met de downstream voedingsbeveiliging, en waarom differentiële relais harmonische blokkering gebruiken — zij negeren de inschakelstroom, maar detecteren wel een echte interne fout. Uw leverancier kiest deze instellingen niet; uw beveiligingsingenieur doet dat. Wat de transformatorfabriek wel moet leveren, zijn de testgegevens — impedantie, verzadigingskarakteristiek, leegloopverlies — die de coördinatiestudie mogelijk maken.

 

Drukontlasting, temperatuur en oliepeil: de rest van het schema

Drie extra, op de transformator gemonteerde apparaten verdienen een vermelding in uw specificatie. Het drukontlastingsapparaat ontlucht de tank wanneer de interne druk sneller stijgt dan de gasrelais kan reageren — u kunt het beschouwen als de mechanische veiligheidsklep van het systeem. De olie-temperatuurindicator en de wikkelingstemperatuurindicator zijn voorzien van alarm- en uitschakelcontacten, meestal ingesteld op basis van de bovenste olie-temperatuur die overeenkomt met een ontwerpwaarde van 65 K voor de gemiddelde temperatuurstijging in de wikkelingen. En de oliepeilindicator met laag-peilalarm detecteert langzame lekkages die een gasrelais niet opmerkt, omdat een leeglopende conservatortank meestal een onderhoudsprobleem is voordat het een beveiligingsgebeurtenis wordt.

Eén RFQ-punt hier: vraag de contactlijst op. Geef aan hoeveel extra alarm- en uitschakelcontacten elk apparaat moet hebben, of de contacten geschikt zijn voor de gelijkstroombedrijfsspanning van uw paneel (24, 48, 110 of 220 V DC zijn de meest voorkomende waarden) en of de marshallingbox klemmenblokken, een verwarmingselement en kabeldoorvoeren bevat. Het nabouwen van contacten na levering is onevenredig duur. Het specificeren ervan kost slechts één regel in de RFQ.

 

Fabriekstests die aantonen dat de beveiliging werkt

Beveiliging is slechts zo goed als de bedrading erachter, dus wij testen tweemaal. Eerst volgen de standaard elektrische tests onder IEEE C57.12.00 : verhouding, polariteit, wikkelweerstand, leegloop- en belastingsverlies, impedantie en diëlektrische tests. Daarna volgen de beveiligingstests die nooit op een standaard routine-testlijst staan: CT-polariteits- en verhoudingscontrole, continuïteit van elk alarmcontact tot aan de klemmen van de marshallingbox en een primaire injectietest waarbij wij stroom door de CT’s sturen om te bewijzen dat de relais de juiste grootte en richting detecteren.

 

 

Vorig jaar vroeg een externe inspecteur van een klant om getuige te zijn van een primaire injectietest op een 20 MVA-unit die bestemd was voor Zuidoost-Azië. De test onthulde dat één secundaire stroomtransformator (CT) met omgekeerde polariteit was aangesloten in de marshallingbox. Omdat dit in de fabriek werd ontdekt, kon het probleem binnen twee uur worden opgelost. Had men het pas ter plaatse ontdekt, dan zou bij de eerste inschakeling een differentiële bescherming onjuist hebben ingegrepen — en zou er een claimgesprek zijn gevolgd waar niemand mee in aanraking wil komen. Daarom verdient het FAT-beschermingsgedeelte dezelfde aandacht als de verliescijfers in het testrapport.

Numerieke relais doen nu het werk dat vroeger een muur van elektromechanische eenheden vereiste, en vele projecten halen relaisgegevens via Modbus of IEC 61850 in plaats van uitsluitend via een droog contact. Welk protocol u ook kiest, de fabrieksvraag blijft hetzelfde: is de beveiligingslus volledig getest vanaf de CT-aansluitingen tot aan de onderbreker-uitschakelspoel? Een relais kan perfect geconfigureerd zijn en toch niet uitschakelen als de secundaire zijde van een CT openstaat of als een uitschakeldraad op de verkeerde aansluiting is aangesloten — daarom is eind-tot-eindtesten tijdens de FAT een orde van grootte goedkoper dan dezelfde test ter plaatse.

 

Zes vragen om op te nemen in uw RFQ

1. Welke beveiligingsapparaten zijn in de fabriek gemonteerd en aangesloten, en welke worden los geleverd?
2. Buchholz-relais: merk en model; zijn de alarm- en uitschakeltrappen getest op de bank, met foto’s in het FAT-dossier?
3. CT’s: transformatieverhouding, nauwkeurigheidsklasse (een beveiligingsklasse zoals 5P20) en polariteitsdiagram opgenomen in de tekeningen?
4. Hebben temperatuur-, oliepeil- en drukapparaten reservecontacten voor toekomstige SCADA-aansluiting?
5. Bevat het fabrieksproefrapport primaire CT-injectie- en contactcontinuïteitstests, of alleen standaard elektrische tests?
6. Welke beschermingsdocumentatie wordt meegeleverd met de eenheid — bedradingsschema’s, relaishandleidingen, testcertificaten?

Dit is waarom dit in de praktijk van belang is. Een nutsbedrijfskoper waarmee wij in het Midden-Oosten samenwerken, stelt voor elke onderstationbestelling één relaisplatform en één set contactspecificaties als standaard. Aan onze kant betekent die standaardisatie hetzelfde bedradingsoverzicht, dezelfde testprocedure en dezelfde reserveonderdelenlijst voor elke eenheid, wat de FAT verkort en de oplevering aan zijn inbedrijfstellingsteam voorspelbaar maakt.

Ryan Electric bouwt sinds 2007 distributie- en vermogenstransformatoren in een faciliteit van 120.000 m², en het partnerschap met Eaton dat in 2023 van start ging, zorgt ervoor dat onze componenteninkoop en FAT-discipline afgestemd blijven op wat wereldwijde nutsbedrijven verwachten. Zeventienendertig octrooien en certificaten van UL, CSA, IEEE, DEKRA en CNAS ondersteunen de bovengenoemde procedures — waarbij geen enkele ervan de instellingen van uw beschermingsingenieur vervangt, maar allemaal zijn werk vergemakkelijken.

Als u een olie-ondergedompelde transformator voor een nutsbedrijf, mijnbouwproject of industrieel project specificeert, stuur ons dan bij uw aanvraag uw belastingsgegevens, systeemspanning en beschermingsfilosofie. Onze ingenieurs bevestigen het beschermingsbereik, het testprogramma en het documentatiepakket voordat u een aankooporder plaatst. Gebruik onze contactpagina of vraag direct een offerte aan, en wij geven u antwoorden, geen brochure.

Over de auteur deze handleiding is opgesteld door het technische en exportteam van Ryan Electric, een in China gevestigde transformatorfabrikant die in 2007 werd opgericht. Het team ondersteunt nutsbedrijven, EPC-bedrijven en industriële kopers in Noord-Amerika, Zuidoost-Azië, het Midden-Oosten en Afrika met toepassingsengineering, certificatieondersteuning en fabriekstestdocumentatie.