Защита маслонаполненного трансформатора: реле Бухгольца, параметры защиты от перегрузки по току и дифференциальной защиты, которые должны знать покупатели

Менеджер по закупкам чилийского подрядчика в горнодобывающей отрасли связался с нами в июле с вопросом, который звучит чаще, чем ожидают покупатели: если он закажет 15 МВА масляный трансформатор с нашего завода, входит ли защита в комплект поставки или её необходимо приобретать отдельно? Краткий ответ — и то, и другое. Устройства, устанавливаемые на баке, поставляются вместе с трансформатором, однако настройки реле, коэффициенты трансформации трансформаторов тока и логика отключения определяются совместно с инженером по защите заказчика — и большинство отказов на месте, по поводу которых нас вызывают, связаны именно с этим этапом передачи ответственности, а не с самим трансформатором.

Защита существует по одной причине: внутренняя неисправность выделяет энергию, которую бак не способен удерживать вечно. При типичном импедансе 7 % ток короткого замыкания на выводах может превысить номинальное значение более чем в четырнадцать раз. Межвитковое замыкание в обмотке внутри бака передаёт эту энергию маслу за миллисекунды. Задача системы защиты — как можно раньше обнаружить такое событие — электрическим, гидравлическим или термическим способом — и отключить устройство до того, как бак разрушится или масло воспламенится.

 

Какая защита фактически поставляется с маслонаполненным трансформатором

Реле защиты трансформаторов на резьбовом корпусе, он работает как масляный трансформатор делится на две группы. Во-первых, устройства, установленные непосредственно на баке: газовое реле Бухгольца на трубопроводе между основным баком и расширительным баком, предохранительное устройство сброса давления на крышке бака, указатели температуры масла и обмоток с контактами сигнализации, а также указатель уровня масла. Во-вторых, внешние защитные реле в шкафу или на панели подстанции: функции токовой защиты, дифференциальной защиты и защиты от замыканий на землю, отключающие выключатель на стороне высшего напряжения.

Это разделение имеет значение для заказчиков. Устройства, смонтированные на баке, входят в состав поставки трансформатора — их устанавливает, подключает и проверяет завод. Внешняя схема реле, как правило, определяется в проектной концепции защиты, а её уставки задаёт либо энергоснабжающая организация, либо инженер по защите компании EPC. Наиболее распространённый пробел, который мы наблюдаем: заказчик предполагает, что объём поставки завода включает согласование уставок реле, а инженер по защите считает, что трансформатор поставляется с полностью смонтированной и подключённой панелью защиты. Обе стороны ошибаются, и пусконаладочные работы приостанавливаются.

 

Реле Бухгольца: единственное устройство, которое «заглядывает» внутрь бака

Трубы Реле Бухгольца устанавливается в трубе, соединяющей основной бак с расширительным баком, и заполняется маслом при нормальной эксплуатации. Оно фиксирует два различных признака неисправности. Медленные неисправности — старение изоляции, ослабленное соединение, незначительные частичные разряды — приводят к выделению газа, который поднимается вверх и накапливается в камере реле. Когда объём газа достигает порогового значения первой ступени, поплавок опускается и замыкает контакт сигнализации. Резкие неисправности, например короткое замыкание между обмотками фаза–фаза, вызывают масляный выброс через трубу. Этот выброс поворачивает заслонку и практически мгновенно замыкает контакт отключения — значительно быстрее, чем любое электрическое измерение ниже по цепи может отреагировать.

В нашем испытательном стенде каждый Реле Бухгольца проходит испытания на стенде перед установкой. Мы подаём воздух через масляный вход, чтобы проверить, срабатывает ли поплавковый сигнализатор при заданном объёме газа, а затем проводим испытание на всплеск тока, чтобы убедиться, что контакт отключения замыкается и проводка достигает распределительной коробки. Фотографии проводки контактов включаются в документацию по заводским испытаниям (FAT), поскольку на удалённой площадке неправильно подключённый сигнальный контакт может заставить техника потратить целый день на поиск неисправности. Это кажется мелочью. Но именно такие мелочи определяют, будет ли первая неисправность вызывать лишь предупреждение или приведёт к ненужному отключению.

Детали установки — это то, что формирует репутацию газовых реле. Реле должно быть установлено строго горизонтально, а стрелка на его корпусе должна быть направлена в сторону расширительного бака: в нормальном режиме масло течёт именно в этом направлении, и газ также движется по тому же пути. Мы однажды посетили объект, где при монтаже реле между фланцами были установлены прокладки, в результате чего образовался видимый воздушный карман; спустя неделю сработала сигнализация из-за скопившегося газа, который не был вызван аварийным повреждением. Точка отбора масла для проб и испытательный клапан реле — два элемента, которые стоит заранее найти до того, как оборудование будет закрыто в корпус, поскольку оба используются в течение первого года эксплуатации.

 

Токовая защита и дифференциальная защита: что означают цифровые обозначения устройств

Внешняя релейная защита использует цифровые обозначения устройств по стандартам ANSI/IEEE; три наиболее распространённых обозначения, встречающихся практически в каждом заказе на распределительное оборудование, — это 50, 51 и 87T. 50— это мгновенная токовая защита: она срабатывает быстро при токе короткого замыкания, значительно превышающем рабочий ток нагрузки. 51является токовой защитой с выдержкой времени: она согласована с нижестоящими устройствами, поэтому повреждение на фидере устраняется на фидере, а не на трансформаторе. 87T является дифференциальной защитой трансформатора: она сравнивает ток, поступающий в первичную обмотку, с током, выходящим из вторичной обмотки, измеряемыми с помощью ТТ с обеих сторон, и срабатывает при нарушении их соответствия — это самый быстрый и надёжный способ обнаружения повреждений обмоток внутри бака.

Трубы Руководство IEEE по защите силовых трансформаторов (IEEE C37.91-2021) определяет сферу применения как трёхфазные устройства номинальной мощностью свыше 5 МВА, работающие при напряжении выше 10 кВ, и рекомендует полную схему защиты — включая дифференциальную — для таких устройств. При меньших мощностях обычно применяют предохранители или согласованные реле максимального тока, поэтому небольшой распределительный трансформатор редко оснащается дифференциальной защитой, тогда как силовой трансформатор мощностью 15 МВА должен иметь такую защиту. Если ваш инженер по защите не запросил дифференциальную защиту для устройства указанной мощности, уточните причину. Данное руководство является общедоступным справочным материалом и заслуживает внимательного ознакомления до следующего запроса коммерческого предложения.

Философия настройки — это отдельная дисциплина, однако одно значение должно присутствовать в словаре каждого покупателя: бросок тока намагничивания при включении трансформатора. При подаче напряжения на масляный трансформатор трансформатор ток намагничивания может достигать восьми–двенадцати кратного значения номинального тока в течение первых нескольких периодов, после чего постепенно затухает. Мгновенный элемент максимального тока, уставки которого заданы ниже этого уровня, будет срабатывать при каждом нормальном включении. Именно поэтому уставки элементов 50 устанавливаются выше уровня броска тока намагничивания или временно блокируются при замыкании контактов, почему элементы 51 согласуются с защитой нижестоящих фидеров, а дифференциальные реле используют гармоническую блокировку — они игнорируют бросок тока намагничивания, но при этом надёжно реагируют на внутренние повреждения. Эти уставки определяет не поставщик трансформатора, а инженер по релейной защите заказчика. Завод-изготовитель трансформатора обязан предоставить лишь данные испытаний — значения импеданса, кривую насыщения, потери холостого хода — необходимые для проведения расчёта согласования защит.

 

Реле сброса давления, термозащита и контроль уровня масла: остальная часть схемы

Ещё три устройства, установленные на баке, заслуживают упоминания в вашей спецификации. Предохранительное устройство сброса давления сбрасывает давление из бака, если внутреннее давление растёт быстрее, чем может отреагировать газовый реле — можно представить его как механический предохранительный клапан данной схемы. Индикатор температуры масла и индикатор температуры обмотки оснащены контактами для подачи сигнала тревоги и отключения; их обычно настраивают относительно температуры верхнего слоя масла, соответствующей проектному повышению средней температуры обмотки на 65 К. Уровнемер масла с сигнализацией низкого уровня выявляет медленные утечки, которые газовый реле не способен зафиксировать, поскольку постепенное опорожнение расширительного бака, как правило, является вопросом технического обслуживания задолго до того, как превратится в событие, требующее срабатывания защиты.

Один пункт в запросе коммерческого предложения (RFQ): запросить список контактов. Уточнить, сколько резервных аварийных и сигнальных контактов должен иметь каждый прибор, рассчитаны ли контакты на постоянное напряжение управления вашей панели (распространённые значения: 24, 48, 110 или 220 В постоянного тока), а также оснащена ли распределительная коробка клеммными колодками, нагревателем и проходными плитами. Доработка контактов после поставки обходится непропорционально дорого. Их указание требует всего одной строки в RFQ.

 

Заводские испытания, подтверждающие работоспособность защиты

Эффективность защиты определяется качеством монтажа проводки, поэтому мы проводим двойную проверку. Сначала — стандартные электрические испытания при IEEE C57.12.00 : коэффициент трансформации, полярность, сопротивление обмоток, потери холостого хода и нагрузки, импеданс и диэлектрические испытания. Затем — проверки защиты, которые никогда не включаются в стандартный перечень рутинных испытаний: проверка полярности и коэффициента трансформации ТТ, проверка целостности цепи от каждого аварийного контакта до клемм распределительной коробки, а также первичное вводное испытание, при котором через ТТ пропускается ток для подтверждения того, что реле регистрирует правильную величину и направление тока.

 

 

В прошлом году инспектор третьей стороны от клиента попросил присутствовать при первичном вводе на блоке мощностью 20 МВА, предназначенном для Юго-Восточной Азии. В ходе испытания было выявлено, что одна вторичная обмотка трансформатора тока в распределительной коробке подключена с обратной полярностью. Обнаруженный на заводе дефект был устранён за два часа. Если бы он был выявлен на месте, при первом включении возникла бы ложная сработка дифференциальной защиты — и последовавший за этим разговор о претензиях никому не хотелось бы вести. Именно поэтому раздел отчётного протокола о заводских испытаниях (FAT), касающийся релейной защиты, заслуживает такого же внимания, как и показатели потерь.

Сейчас числовые реле выполняют работу, для которой раньше требовалась целая стена электромеханических устройств, и во многих проектах данные реле передаются по протоколу Modbus или IEC 61850 вместо использования только сухого контакта. Какой бы протокол вы ни выбрали, вопрос на заводе остаётся неизменным: был ли проверен контур защиты «от начала до конца» — от выводов трансформаторов тока (CT) до катушки отключения выключателя? Реле может быть идеально настроено, но всё равно не сработать при открытом вторичном контуре CT или при подключении провода отключения к неправильному зажиму — именно поэтому комплексное испытание на FAT обходится в десять раз дешевле, чем аналогичное испытание на месте.

 

Шесть вопросов для включения в ваш запрос предложений (RFQ)

1. Какие устройства защиты установлены и подключены на заводе, а какие поставляются отдельно?
2. Реле Бухгольца: марка и модель; проходят ли ступени сигнализации и отключения проверку на стенде с фотографиями в файле FAT?
3. Трансформаторы тока (CT): коэффициент трансформации, класс точности (например, класс защиты 5P20), а также схема полярности включены в чертежи?
4. Имеют ли устройства контроля температуры, уровня масла и давления резервные контакты для будущего подключения к системе SCADA?
5. Включает ли отчёт о заводских испытаниях первичную инжекцию по току (CT) и проверку непрерывности контактов или только рутинные электрические испытания?
6. Какая документация по защите поставляется вместе с устройством — схемы подключения, руководства по реле, сертификаты испытаний?

Вот почему это имеет практическое значение. Покупатель из энергосистемы, с которым мы работаем на Ближнем Востоке, стандартизирует все заказы на подстанции на одной платформе реле и одном наборе спецификаций контактов. С нашей стороны такая стандартизация означает одинаковое расписание подключений, одну и ту же процедуру испытаний и один и тот же перечень запасных частей для каждого устройства, что сокращает продолжительность FAT и делает передачу оборудования его команде по вводу в эксплуатацию предсказуемой.

Компания Ryan Electric производит распределительные и силовые трансформаторы с 2007 года на заводе площадью 120 000 м²; партнёрство с Eaton, начавшееся в 2023 году, обеспечивает согласованность наших подходов к закупке компонентов и проведению FAT с ожиданиями мировых энергокомпаний. Указанные выше процессы подтверждены 37 патентами и сертификатами UL, CSA, IEEE, DEKRA и CNAS — ни один из этих документов не заменяет настройки, определяемые вашим инженером по релейной защите, однако все они облегчают его работу.

Если вы выбираете масляный трансформатор для проекта энергоснабжения, горнодобывающей или промышленной отрасли, направьте нам при запросе данные о нагрузке, напряжении системы и философию защиты. Наши инженеры подтвердят объём требуемой защиты, программу испытаний и комплект документации до того, как вы оформите заказ. Воспользуйтесь нашей страницей контактов или отправьте запрос на коммерческое предложение напрямую — мы предоставим вам ответы, а не брошюру.

О авторе это руководство подготовлено инженерно-экспортной командой компании Ryan Electric — китайского производителя трансформаторов, основанного в 2007 году. Команда оказывает поддержку заказчикам из секторов коммунальных услуг, инжиниринговых, закупочных и строительных компаний (EPC) и промышленности в Северной Америке, Юго-Восточной Азии, на Ближнем Востоке и в Африке, обеспечивая инженерную поддержку при проектировании решений, содействие в получении сертификатов и предоставление документации по заводским испытаниям.