Захист трансформаторів з масляним охолодженням: реле Бухгольца, специфікації захисту від перевантаження та диференційного захисту, які повинні знати покупці

У липні до нас зателефонував менеджер із закупівель чилійського підрядника з гірничодобувної галузі з питанням, яке ми чуємо частіше, ніж очікують покупці: якщо він замовить 15 МВА трансформатор з масляним охолодженням на нашому заводі, чи захист поставляється разом із обладнанням, чи його потрібно закуповувати окремо? Коротка відповідь — і те, й інше. Пристрої, встановлені на баку, поставляються разом із одиницею, але параметри реле, коефіцієнти трансформаторів струму (CT) та логіка спрацьовування аварійного відключення узгоджуються спільно з інженером покупця з питань захисту — і більшість аварійних випадків, про які нас повідомляють на місці, пов’язані саме з цим етапом передачі відповідальності, а не з самим трансформатором.

Захист існує з однієї причини: внутрішня несправність виробляє енергію, яку резервуар не був розрахований утримувати безкінечно. При типовому імпедансі 7 % коротке замикання на затискачах може призвести до струму, що перевищує номінальне значення більше ніж у чотирнадцять разів. Коротке замикання в обмотці всередині резервуара передає цю енергію в оливо за мілісекунди. Завдання схеми захисту — виявити подію на ранній стадії — електрично, гідравлічно або термічно — й від’єднати пристрій до того, як резервуар розірветься або оливо займеться.

 

Який захист фактично поставляється з трансформатором з оливним охолодженням

Реле захисту трансформаторів на різьбленому корпусі, він працює як трансформатор з масляним охолодженням ділиться на дві групи. По-перше, пристрої, встановлені безпосередньо на баку: газовий реле Бухгольца на трубі між основним баком і консерватором, пристрій зняття тиску на кришці баку, індикатори температури масла й обмоток із контактами сигналізації та вимірювач рівня масла. По-друге, зовнішні релейні захисти у шафі або на панелі підстанції: функції надструму, диференційного захисту та захисту від замикання на землю, які відключають вимикач на первинному боці.

Цей поділ має значення для покупців. Пристрої, встановлені на баку, входять до складу поставки трансформатора — їх встановлює, підключає та перевіряє завод. Зовнішню схему релейного захисту зазвичай визначають у проектній філософії захисту, а її налаштування належать енергопостачальній організації або інженеру з релейного захисту EPC-підприємства. Найпоширеніша прогалина, яку ми спостерігаємо: покупець припускає, що межі заводської поставки охоплюють узгодження реле, а інженер з релейного захисту вважає, що трансформатор поставляється з повністю підключеною шафою релейного захисту. Обидва помиляються, і пусконалагоджувальні роботи затримуються.

 

Реле Бухгольца: єдиний пристрій, який «заглядає» всередину бака

Лінійка Реле Бухгольца встановлено в трубі, що з’єднує основний бак із консерватором, і заповнено маслом під час нормальної експлуатації. Воно фіксує два різні типи несправностей. Повільні несправності — старіння ізоляції, ослаблене з’єднання, незначні часткові розряди — утворюють газ, який піднімається й накопичується в камері реле. Коли об’єм газу досягає порогового значення першого ступеня, поплавок опускається й замикає контакт сигналізації. Різкі несправності, наприклад міжфазне коротке замикання в обмотках, викликають різкий потік масла через трубу. Цей потік відхиляє затвор і майже миттєво замикає контакт відключення — набагато швидше, ніж будь-яке електричне вимірювання на подальших ділянках мережі.

У нашому випробувальному приміщенні кожен Реле Бухгольца тестується на стендах перед встановленням. Ми подаємо повітря через масляний вхід, щоб перевірити, чи спрацьовує сигнальний поплавок при заданому об’ємі газу, а потім проводимо тест на стрибок напруги, щоб підтвердити замикання контактів аварійного відключення й досягнення проводкою клемної коробки. Фотографії проводки контактів включають до документації FAT, оскільки на віддаленому об’єкті неправильне підключення сигнального контакту може коштувати технікові цілого дня на пошук несправності. Це здається незначною річчю. Але саме такі незначні речі вирішують, чи стане перша несправність сигналом тривоги чи зайвим аварійним відключенням.

Деталі встановлення — це те, що формує репутацію газових реле. Реле має бути встановлено горизонтально, а його стрілка має вказувати на консерватор — саме в цьому напрямку масло рухається під час нормальної експлуатації, і газ також рухається тим самим шляхом. Колись ми відвідали об’єкт, де реле було встановлено з фланцевими прокладками, у яких залишився видимий повітряний карман; сигнал тривоги спрацював уже через тиждень через накопичений газ, що ніколи не утворився внаслідок пошкодження. Точка відбору проби масла й тестовий клапан реле — це два з’єднання, які варто знайти до того, як агрегат буде закрито в корпус, оскільки обидва використовуються протягом першого року експлуатації.

 

Захист від перевантаження та диференційний захист: що означають номери пристроїв

Зовнішній релейний захист використовує номери пристроїв ANSI/IEEE, і три з них ви зустрінете практично в кожному замовленні класу розподілу: 50, 51 та 87T. 50це миттєвий захист від перевантаження: він спрацьовує швидко при аварійному струмі, значно перевищуючому робочий. 51є захистом від перевантаження з часовою затримкою: він узгоджує роботу з нижчестоящими пристроями, щоб пошкодження на фідері усувається на фідері, а не на трансформаторі. 87T є диференційним захистом трансформатора: він порівнює струм, що входить у первинну обмотку, із струмом, що виходить із вторинної обмотки, виміряними за допомогою ТС з обох сторін, і спрацьовує, коли ці два значення перестають збігатися — це найшвидший надійний спосіб виявлення пошкоджень обмоток усередині бака.

Лінійка Керівництво IEEE щодо захисту силових трансформаторів (IEEE C37.91-2021) визначає сферу застосування як трифазні агрегати потужністю понад 5 МВА, що працюють при напрузі понад 10 кВ, і рекомендує повну схему захисту — у тому числі диференційну — для таких агрегатів. Для менших потужностей зазвичай застосовують запобіжники або узгоджені реле перевантаження, саме тому невеликий розподільчий трансформатор рідко має диференційний захист, тоді як силовий трансформатор потужністю 15 МВА має його мати. Якщо ваш інженер з захисту не вимагав диференційного захисту для агрегату такої потужності, уточніть причину. Це керівництво є публічним довідковим матеріалом і варто ознайомитися з ним перед наступним запитом пропозицій.

Філософія налаштування — це окрема тема, але одне число має бути в словниковому запасі кожного покупця: вхідний струм трансформатора. Коли трансформатор з масляним охолодженням трансформатор підключають до мережі, намагнічуючий струм може досягати восьми–дванадцяти разів номінального струму протягом перших кількох періодів, перш ніж зменшитися. Елемент миттєвого перевантаження, встановлений нижче цього рівня, спрацьовуватиме при кожному звичайному підключенні. Саме тому елементи типу 50 налаштовують вище за рівень вхідного струму або короткочасно блокують їх під час замикання, чому елементи типу 51 узгоджують із захистом нижчестоячих фідерів, а диференційні реле використовують гармонійне обмеження — вони ігнорують вхідний струм, але одночасно виявляють справжню внутрішню аварію. Ваш постачальник не вибирає ці параметри; їх визначає ваш інженер з релейного захисту. Те, що має надати завод-виробник трансформаторів, — це дані випробувань: імпеданс, крива насичення, втрати холостого ходу — щоб стало можливим проведення узгоджувального розрахунку.

 

Регулятор тиску, термометр і вимірювач рівня масла: решта схеми

Ще три пристрої, встановлені на баку, заслуговують окремого згадування у вашій специфікації. Пристрій зниження тиску відводить газ із баку, якщо внутрішній тиск зростає швидше, ніж може реагувати газовий реле — його можна уявити як механічний запобіжний клапан цієї схеми. Індикатор температури масла та індикатор температури обмоток мають контакти для сигналізації та відключення, які зазвичай налаштовані відповідно до температури верхнього шару масла, що відповідає проектному підвищенню середньої температури обмоток на 65 K. А вимірювач рівня масла з сигнальним контактом низького рівня виявляє повільні витоки, які газовий реле не фіксує, оскільки поступове спорожнення розширювального баку зазвичай є проблемою технічного обслуговування ще до того, як перетвориться на подію, що вимагає захисту.

Один пункт у запиті на цитату: попросіть перелік контактів. Уточніть, скільки резервних аварійних і аварійно-вимкнутих контактів має мати кожний пристрій, чи витримують контакти постійну напругу керування вашого щита (поширеними є 24, 48, 110 або 220 В пост. струму), а також чи монтажна коробка включає клемні колодки, нагрівач і вводні плити. Додавання контактів після поставки є надмірно дорогим. Їх уточнення вимагає лише одного рядка у запиті на цитату.

 

Заводські випробування, що підтверджують роботу захисту

Захист ефективний лише настільки, наскільки надійне підключення до нього, тому ми проводимо два цикли випробувань. Спочатку — звичайні електричні випробування за такими параметрами IEEE C57.12.00 : коефіцієнт трансформації, полярність, опір обмоток, втрати холостого ходу та під навантаженням, імпеданс і діелектричні випробування. Потім — перевірки захисту, які ніколи не фігурують у стандартному переліку звичайних випробувань: перевірка полярності та коефіцієнта трансформації ТС, контроль цілісності ланцюга від кожного аварійного контакту до клем монтажної коробки, а також первинне випробування методом введення струму, під час якого ми подаємо струм через ТС, щоб підтвердити, що реле виявляє правильну величину та напрямок струму.

 

 

Минулого року інспектор від сторонньої організації замовника попросив присутності під час первинного випробування одиниці потужністю 20 МВА, призначеної для Південно-Східної Азії. У ході випробування було виявлено, що вторинна обмотка одного з трансформаторів струму в монтажному ящику підключена з оберненою полярністю. Виявлене на заводі, це вимагало лише двох годин на усунення. Якби проблему виявили на місці, під час першого ввімкнення виникла б неправильна робота диференційного захисту — і, як наслідок, довелося б проводити розмову про претензії, якої ніхто не хотів би мати. Саме тому розділ «Захист» у ФПВ (фабричних випробуваннях) заслуговує такої ж уваги, як і показники втрат у звіті про випробування.

Цифрові реле тепер виконують роботу, для якої раніше потрібна була ціла стіна електромеханічних пристроїв, а багато проектів отримують дані з реле через Modbus або IEC 61850 замість використання лише сухого контакту. Незалежно від обраного протоколу, заводське запитання залишається незмінним: чи було повністю перевірено ланцюг захисту — від клем вторинних обмоток ТС до котушки спрацьовування вимикача? Реле може бути ідеально налаштоване, але все одно не спрацювати, якщо вторинна обмотка ТС розімкнена або провід спрацьовування підключено до неправильної клеми — саме тому повна перевірка під час FAT є в десять разів дешевшою, ніж аналогічна перевірка на місці.

 

Шість запитань для вашого RFQ

1. Які пристрої захисту встановлено й підключено на заводі, а які поставляються окремо?
2. Реле Бухгольца: бренд і модель; чи перевіряються етапи сигналізації та відключення на стенді, і чи включаються фотографії до файлу FAT?
3. ТС: коефіцієнт трансформації, клас точності (наприклад, клас захисту 5P20) та діаграма полярності вказані у кресленнях?
4. Чи мають датчики температури, рівня олії та тиску резервні контакти для майбутнього підключення до SCADA?
5. Чи включає звіт про заводські випробування первинне введення струму в ТС та перевірку неперервності контактів, чи лише рутинні електричні випробування?
6. Яка документація щодо захисту поставляється разом із пристроєм — схеми підключення, керівництва з реле, сертифікати випробувань?

Ось чому це має практичне значення. Покупець із сфери енергетики, із яким ми співпрацюємо на Близькому Сході, уніфікує всі замовлення підстанцій на одній платформі реле та одному наборі специфікацій контактів. З нашого боку така уніфікація означає однаковий графік підключення, однакову процедуру випробувань та однаковий перелік запасних частин для кожного пристрою, що скорочує тривалість ФАВ і забезпечує передбачуваний процес передачі обладнання його команді з пусконалагоджувальних робіт.

Ryan Electric виробляє розподільні та силові трансформатори з 2007 року на виробничій площі площею 120 000 м², а партнерство з Eaton, яке розпочалося у 2023 році, забезпечує узгодженість нашого постачання компонентів та дотримання процедури FAT із вимогами, які ставлять до нас світові енергетичні компанії. Зазначені вище процеси підтверджені тридцятьма сімома патентами та сертифікатами UL, CSA, IEEE, DEKRA та CNAS — жоден із цих документів не замінює параметри, встановлені вашим інженером з захисту, але всі вони полегшують його роботу.

Якщо ви визначаєте трансформатор з масляним охолодженням для енергетичної компанії, гірничодобувного або промислового проекту, надішліть нам дані про навантаження, напругу системи та філософію захисту разом із вашим запитом. Наші інженери підтвердять обсяг захисту, програму випробувань та комплект документації ще до того, як ви оформите замовлення. Скористайтеся нашою сторінкою зв’язку або безпосередньо замовте розрахунок вартості — ми надамо вам відповіді, а не брошуру.

Про автора цей посібник підготувала команда інженерів та експортного відділу компанії Ryan Electric — китайського виробника трансформаторів, заснованого в 2007 році. Команда надає підтримку покупцям із секторів комунальних послуг, EPC та промисловості в Північній Америці, Південно-Східній Азії, на Близькому Сході та в Африці у питаннях інженерного застосування, сертифікації та документації щодо заводських випробувань.