Protecția transformatorului cu ulei: relee Buchholz, curent excesiv și diferențial – specificațiile pe care cumpărătorii ar trebui să le cunoască

Un manager al achizițiilor pentru un contractant minier chilian ne-a contactat în iulie cu o întrebare pe care o auzim mai des decât se așteaptă cumpărătorii: dacă comandă un transformator de 15 MVA transformator Imers în Ulei din fabrica noastră, protecția este inclusă sau trebuie achiziționată separat? Răspunsul scurt este că ambele variante sunt valabile. Dispozitivele montate pe rezervor sunt livrate împreună cu unitatea, dar setările releelor, raporturile transformatoarelor de curent (CT) și logica de declanșare sunt stabilite împreună cu inginerul de protecție al cumpărătorului — iar majoritatea defecțiunilor din teren despre care ne contactează se datorează acestei etape de predare, nu transformatorului în sine.

Protecția există dintr-un singur motiv: o defectare internă generează energie pe care rezervorul nu a fost conceput să o conțină în mod indefinit. Cu o impedanță tipică de 7%, un scurtcircuit între borne poate determina un curent de peste paisprezece ori valoarea nominală. Un scurtcircuit între spire din interiorul rezervorului direcționează această energie în ulei în milisecunde. Rolul schemei de protecție este de a detecta evenimentul cât mai devreme — electric, hidraulic sau termic — și de a deconecta unitatea înainte ca rezervorul să cedeze sau uleiul să se aprindă.

 

Ce protecție este efectiv livrată împreună cu un transformator cu ulei

Protecția transformatoarelor împreună cu un transformator Imers în Ulei se împarte în două grupuri. În primul rând, dispozitivele montate pe rezervorul în sine: releele de gaze Buchholz pe conducta dintre rezervorul principal și conservator, un dispozitiv de eliberare a presiunii pe capacul rezervorului, indicatoare de temperatură a uleiului și a înfășurărilor cu contacte de alarmă, precum și un indicator al nivelului de ulei. În al doilea rând, releele externe de protecție dintr-un tablou sau un panou de substație: funcții de supracurent, diferențiale și de defect la pământ care declanșează întrerupătorul de pe partea primară.

Această împărțire este importantă pentru cumpărători. Dispozitivele montate pe rezervor fac parte din domeniul de aplicare al transformatorului — fabrica le instalează, le conectează electric și le testează. Schema de relee externe este de obicei definită în filosofia de protecție a proiectului, iar parametrii săi aparțin operatorului de rețea sau inginerului de protecție al EPC. Cea mai frecventă discrepanță pe care o observăm: cumpărătorul presupune că domeniul de aplicare al fabricii acoperă coordonarea releelor, iar inginerul de protecție presupune că transformatorul a fost livrat cu un panou de protecție complet cablat. Ambele presupuneri sunt greșite, iar punerea în funcțiune se blochează.

 

Releul Buchholz: Singurul dispozitiv care examinează interiorul rezervorului

The Releu Buchholz este montat în conducta care leagă rezervorul principal de conservator, fiind umplut cu ulei în condiții normale de funcționare. Detectează două tipuri diferite de defecțiuni. Defecțiunile lente — îmbătrânirea izolației, o conexiune slabă, descărcări parțiale mici — generează gaz care urcă și se acumulează în camera releului. Când volumul de gaz atinge pragul primei trepte, o plutitoare coboară și închide contactul de alarmă. Defecțiunile violente, cum ar fi un scurtcircuit între faze în înfășurări, provoacă un jet brusc de ulei prin conductă. Jetul înclină o tablă deflectoare și închide contactul de declanșare aproape instantaneu, mult mai rapid decât orice măsurătoare electrică ulterioară ar putea răspunde.

În cabina noastră de testare, fiecare Releu Buchholz este testat pe banc înainte de montare. Injectăm aer prin orificiul de umplere cu ulei pentru a verifica funcționarea plutitorului de alarmă la volumul specificat de gaz, apoi efectuăm un test de suprasarcină pentru a confirma închiderea contactului de declanșare și ajungerea cablurilor la cutia de distribuție. Cablurile contactului sunt fotografiate și arhivate în documentația FAT, deoarece, pe un site îndepărtat, o conectare greșită a contactului de alarmă costă unui tehnician o zi întreagă de urmărire. Sună ca o chestiune nesemnificativă. Este exact tipul de detaliu care decide dacă prima defecțiune se manifestă ca o alarmă sau ca un declanșare inutilă.

Detaliul instalării este locul în care releele de gaze își câștigă reputația. Releul trebuie montat în poziție orizontală, cu săgeata sa orientată spre conservator — uleiul curge în această direcție în regim normal de funcționare, iar gazele parcurg același traseu. Am vizitat odată un site unde releul fusese montat cu garnituri de flanșă care rețineau o buclă vizibilă de aer; alarmă a fost declanșată într-o săptămână datorită acumulării de gaze care nu proveneau deloc dintr-o defectare. Punctul de eșantionare a uleiului și supapa de testare a releului sunt cele două racorduri pe care merită să le localizați înainte ca unitatea să fie închisă în carcasă, deoarece ambele sunt utilizate în primul an de funcționare.

 

Protecția la supracurent și protecția diferențială: Ce înseamnă numerele dispozitivelor

Protecția prin relee externe folosește numerele dispozitivelor conform standardelor ANSI/IEEE, iar cele trei numere pe care le veți întâlni în aproape fiecare comandă de clasă distribuție sunt 50, 51 și 87T. 50este supracurent instantaneu: declanșează imediat la curenți de defect mult mai mari decât cei de sarcină. 51este o protecție contra curentului de suprasarcină cu întârziere de timp: coordonează funcționarea dispozitivelor situate în aval, astfel încât o defectare pe o ramură să fie eliminată la nivelul acelei ramuri, nu la nivelul transformatorului. 87T este o protecție diferențială pentru transformator: compară curentul care intră în înfășurarea primară cu cel care iese din înfășurarea secundară, măsurat prin transformatoare de curent (CT) montate pe ambele părți, declanșându-se atunci când cele două valori încetează să corespundă — cea mai rapidă metodă fiabilă de detectare a defectelor în înfășurări, în interiorul carcasei.

The Ghidul IEEE privind protejarea transformatorilor de putere (IEEE C37.91-2021) specifică domeniul său de aplicare ca fiind unitățile trifazate cu o capacitate nominală superioară lui 5 MVA, care funcționează la tensiuni superioare lui 10 kV, și recomandă implementarea unui sistem complet de protecție — inclusiv protecția diferențială — la acest nivel. Sub acest prag, se folosesc în mod obișnuit siguranțe sau relee de supracurent coordonate, motiv pentru care un transformator de distribuție de mică putere rareori este echipat cu protecție diferențială, în timp ce un transformator de putere de 15 MVA ar trebui să aibă una. Dacă inginerul dumneavoastră de protecție nu a cerut protecție diferențială pentru o unitate de dimensiune superioară acestei limite, întrebați-l de ce. Ghidul este un material de referință public și merită citit înainte de următoarea comandă.

Filozofia setărilor este un domeniu în sine, dar există un parametru pe care fiecare cumpărător trebuie să îl cunoască: curentul de pornire al transformatorului. Atunci când un transformator Imers în Ulei transformator este alimentat, curentul de magnetizare poate atinge de opt până la doisprezece ori valoarea curentului nominal în primele câteva perioade, înainte de a scădea. Un element de supracurent instantaneu reglat sub această valoare declanșează aparatul la fiecare alimentare normală. De aceea, elementele 50 sunt reglate deasupra curentului de pornire sau sunt blocate temporar la închidere, elementele 51 se coordonează cu protecția ramurilor de jos, iar releele diferențiale folosesc blocarea armonică — ignoră curentul de pornire, dar detectează totuși o defectare internă reală. Furnizorul dumneavoastră nu alege aceste setări; le alege inginerul dumneavoastră de protecție. Ceea ce fabrica de transformatoare trebuie să furnizeze sunt datele de testare — impedanța, curba de saturație, pierderile în gol — care fac posibilă studiul de coordonare.

 

Supapă de descărcare a presiunii, termometru și indicator de nivel al uleiului: restul schemei

Trei dispozitive suplimentare montate pe rezervor merită menționate în specificații. Dispozitivul de descărcare a presiunii evacuează rezervorul dacă presiunea internă crește mai rapid decât poate răspunde releul de gaze — puteți considera acesta ca fiind supapa de siguranță mecanică a schemei. Indicatorul de temperatură al uleiului și indicatorul de temperatură al înfășurărilor sunt echipate cu contacte de alarmă și de declanșare, de obicei setate în funcție de temperatura uleiului de la partea superioară, corespunzătoare unei creșteri medii de temperatură a înfășurărilor de 65 K. În plus, indicatorul de nivel al uleiului, dotat cu o alarmă pentru nivel scăzut, detectează scurgerile lente pe care releul de gaze nu le poate identifica, deoarece golirea progresivă a conservatorului este, de regulă, un problemă de întreținere înainte de a deveni un eveniment de protecție.

Un punct RFQ aici: cereți lista de contacte. Specificați câte contacte suplimentare de alarmă și declanșare trebuie să aibă fiecare dispozitiv, dacă aceste contacte sunt dimensionate pentru tensiunea de comandă în curent continuu (CC) a panoului dumneavoastră (24, 48, 110 sau 220 V CC sunt cele mai frecvente), și dacă cutia de racordare include blocuri de borne, un încălzitor și plăci de etanșare. Montarea ulterioară a contactelor după livrare este excesiv de costisitoare. Specificarea lor necesită doar o singură linie în RFQ.

 

Teste de fabrică care dovedesc funcționarea protecției

Protecția este la fel de bună ca și cablajul care stă în spatele ei, așadar efectuăm două teste. În primul rând, testele electrice de rutină conform IEEE C57.12.00 : raport, polaritate, rezistență a înfășurărilor, pierderi în gol și sub sarcină, impedanță și teste dielectrice. Apoi, verificările specifice protecției, care nu apar niciodată pe o listă standard de teste de rutină: verificarea polarității și a raportului transformatorilor de curent (TC), continuitatea de la fiecare contact de alarmă până la bornele cutiei de racordare și un test de injectare primară, în care introducem curent prin TC-uri pentru a dovedi că releul detectează mărimea și sensul corecte.

 

 

Anul trecut, un inspector terț angajat de un client a cerut să asiste la o injectare primară pe un transformator de 20 MVA destinat Asiei de Sud-Est. Testul a evidențiat o înfășurare secundară de transformator de curent (CT) conectată cu polaritate inversă în interiorul cutiei de distribuție. Descoperită în fabrică, problema a fost rezolvată în doar două ore. Dacă ar fi fost descoperită pe amplasament, ar fi condus la o funcționare incorectă a protecției diferențiale la prima punere sub tensiune — și la o discuție privind reclamația, pe care nimeni nu dorește să o aibă. De aceea, secțiunea de testare în fabrică (FAT) privind protecția merită aceeași atenție ca și valorile pierderilor din raportul de încercări.

Relaiele numerice efectuează acum lucrarea care în trecut necesita un perete întreg de unități electromecanice, iar multe proiecte preiau datele de la relee prin Modbus sau IEC 61850, nu doar prin contact uscat. Indiferent de protocolul ales, întrebarea fabricii rămâne aceeași: a fost testat întregul lanț de protecție, de la bornele transformatorului de curent (CT) până la bobina de declanșare a întrerupătorului? Un releu poate fi configurat perfect și totuși să nu declanșeze, dacă secundarul unui CT este deschis sau dacă un fir de declanșare este conectat la borna greșită — motiv pentru care testarea end-to-end în cadrul testului de acceptare la fabrică (FAT) este cu un ordin de mărime mai ieftină decât același test efectuat pe teren.

 

Șase întrebări de inclus în cererea de ofertă (RFQ)

1. Care dispozitive de protecție sunt montate și cablate la fabrică, iar care sunt livrate separat?
2. Releul Buchholz: marcă și model; etapele de alarmă și de declanșare sunt testate pe banc, cu fotografii incluse în dosarul FAT?
3. Transformatorii de curent (CT): raport de transformare, clasă de precizie (o clasă de protecție, de exemplu 5P20) și diagramă de polaritate incluse în desene?
4. Dispozitivele de măsurare a temperaturii, nivelului de ulei și a presiunii dispun de contacte suplimentare pentru o viitoare conectare la sistemul SCADA?
5. Raportul de testare al fabricii include injectarea primară CT și verificarea continuității contactelor sau doar testele electrice de rutină?
6. Ce documentație de protecție este livrată împreună cu unitatea — diagrame de cablare, manuale pentru relee, certificate de testare?

Iată de ce acest lucru are importanță în practică. Un cumpărător din domeniul utilităților, cu care colaborăm în Orientul Mijlociu, standardizează fiecare comandă de stație de transformare pe o singură platformă de relee și un singur set de specificații privind contactele. Pentru noi, această standardizare înseamnă același program de cablare, aceeași procedură de testare și aceeași listă de piese de schimb pentru fiecare unitate, ceea ce scurtează testul de acceptare la fabrică (FAT) și face predarea echipei sale responsabile cu punerea în funcțiune previzibilă.

Ryan Electric produce transformatori de distribuție și de putere din 2007, într-o instalație de 120.000 m², iar parteneriatul cu Eaton, început în 2023, menține alinierea sursei componentelor și a disciplinei FAT cu așteptările utilităților globale. Cele 37 de brevete și certificatele UL, CSA, IEEE, DEKRA și CNAS susțin procedurile de mai sus — niciuna dintre acestea nu înlocuiește setările inginerului dumneavoastră de protecție, dar toate facilitează executarea sarcinii acestuia.

Dacă specificați un transformator Imers în Ulei pentru un proiect de utilități, minerit sau industrial, trimiteți-ne datele privind sarcina, tensiunea sistemului și filosofia de protecție împreună cu cererea dumneavoastră. Inginerii noștri vor confirma domeniul de protecție, programul de teste și pachetul de documentație înainte ca dumneavoastră să vă angajați într-un ordin de achiziție. Folosiți pagina noastră de contact sau solicitați direct o ofertă, iar noi vă vom răspunde cu informații concrete, nu cu un broșură.

Despre autor : Acest ghid a fost scris de echipa de inginerie și export a companiei Ryan Electric, un producător chinez de transformatoare înființat în 2007. Echipa oferă sprijin cumpărătorilor din domeniul utilităților, al EPC și al industriei din America de Nord, Asia de Sud-Est, Orientul Mijlociu și Africa, în domeniul ingineriei aplicațiilor, al sprijinului pentru obținerea certificărilor și al documentației privind testele efectuate în fabrică.