СПОСОБ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ВНУТРЕННЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ Российский патент 2023 года по МПК H02H3/16 

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к способам защиты силовых маслонаполненных трансформаторов от внутренней электрической дуги.

Известны способы и устройства встроенной и внешней защиты силовых трансформаторов [1, 2, 3, 4].

Силовые маслонаполненные трансформаторы имеют встроенную защиту от локальных перегревов и частичных разрядов внутри бака и внешнюю защиту от токов коротких замыканий внутри бака.

К встроенным устройствам защиты относится газовые реле, которое должно отключать трансформатор при развитии локальных перегревов и образовании частичных разрядов внутри трансформаторов.

К внешним устройствам относят токовую отсечку, максимальную токовую защиту и дифференциальную защиту по току. В процессе эксплуатации трансформаторов могут возникать различные дефекты и повреждения [5, 6].

Применяется два типа внешней защиты от токов короткого замыкания внутри бака. В старых схемах релейной защиты на выводах высшего напряжения трансформатора устанавливали короткозамыкатель и отделитель [1]. В настоящее время применяется токовая отсечка на микропроцессорной основе [2] с собственным временем срабатывания токовой отсечки 50-80 мс. Как считают авторы, токовая отсечка в сочетании с максимальной токовой защитой и газовой защитой обеспечивают надежную защиту трансформаторов мощностью до 4000 MB А [2]. Однако, по условиям селективности максимальная токовая защита должна иметь выдержку времени и, следовательно, не может быть быстродействующей. По этой причине максимальная токовая защита является резервной защитой трансформатора.

Дифференциальная продольная защита от токов короткого замыкания внутри бака трансформатора.

Данная защита основана на принципе сравнения токов в начале и в конце обмоток силового трансформатора [1, 2]. Участок между трансформаторами тока, установленными на высшей и низшей сторонах силового трансформатора, считается защищаемой зоной.

При коротком замыкании в защищаемой зоне токи во вторичных обмотках трансформаторов тока будут разными и по обмотке токового реле будет протекать ток. Если величина тока будет равна току срабатывания, или больше его, то реле сработает и через промежуточное реле произойдет двухстороннее отключение повреждаемого участка. Поэтому дифференциальная защита должна действовать при междуфазных коротких замыканиях, при межвитковых замыканиях и при повреждении высоковольтных вводов 110-330 кВ. Собственное время срабатывая дифференциальной защиты составляет 58 мс. Недостатком токовой отсечки и дифференциальной защиты является то, что они не успевают по времени предупредить и прекратить развитие электрической дуги в трансформаторном масле.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия защиты силовых трансформаторов при возникновении и развитии электрической дуги внутри бака трансформатора.

Поставленная задача достигается тем, что в шину заземления бака трансформатора включается устройство защитного отключения и трансформатор тока, сигнал с которого поступает на отключение автоматического выключателя в цепи высшего напряжения, а устройство защитного отключения разрывает цепь внешнего электропроводящего канала с появлением тока утечки в шине заземления бака трансформатора заданной величины в начальной стадии формирования внутреннего электропроводящего канала высокой проводимости из механических заряженных микрочастиц в масле трансформатора до начала развития электрической дуги внутри трансформатора. Краткое описание повреждений:

1. П.С. Мирадино, Бобруйские электрические сети, 2012 г. Поврежден ввод 330 кВ автотрансформатора с RlP-изоляцией совершенно новый. Поврежден бак и магнитная система. Накануне закончилась модернизация релейной защиты на подстанции «Мирадино-330». Защита трансформатора сработала. (Фиг. 1).

2. ОАО «БМЗ» 2017 г. Поврежден ввод 330 кВ трансформатора TKTOR-L-125000-330. Ввод вырвало из бака трансформатора и отбросило на несколько метров. По заключению заводской комиссии сработали газовое реле, токовая отсечка и максимальная токовая защита (Фиг. 2).

3. Минская ТЭЦ-3 2018 г. Поврежден ввод 220 кВ блочного трансформатора и поврежден трансформатор. Защита трансформатора сработала (Фиг. 3, фиг.4).

Во всех случаях внешняя токовая защита не защитила трансформаторы от повреждения внутренней электрической дуги. По данным американских специалистов взрывы вводов в энергосистемах США составляют 3,2%, 16% повреждения трансформаторов происходят по неизвестным причинам [6]. Как правило, возгорание маслонаполненных трансформаторов относят к неустановленным причинам. Анализ повреждений трансформаторов в Республике Беларусь показывает, что эти возгорания вызывает внутренняя электрическая дуга в трансформаторе.

Для моделирования электрической дуги в масле трансформатора была создана экспериментальная установка [7]. Состав экспериментальной установки (фиг.5, 6):

1.1. Высоковольтная установка АИД-70М для создания переменного напряжения до 70 кВ и постоянного до 60 кВ.

1.2. Сосуд с трансформаторным маслом.

1.3. Зонд частичных разрядов М4202 для регистрации в сосуде.

1.4. Тепловизор «Testo787».

1.5. Видеокамеры, транслирующие сигнал на персональный компьютер.

1.6. Примеси: медные опилки, частички электрокартона, цветной гидрогель.

Один электрод заземлен. Второй электрод подключен к АИД-70 с напряжением переменного тока. Расстояние между электродами можно было изменять от минимального 1 см до максимального - 18 см.

В сосуд с маслом добавили механические примеси: шарики цветного гидрогеля, мелкие медные опилки и мелкие кусочки электротехнического картона. После подачи минимального (2-3 кВ) напряжения на электрод шарики-примеси начинали броуновское движение, отталкивались от стенок сосуда, от электродов, отталкивались от соседних шариков. После увеличения потенциала между электродами часть механических примесей/шариков стали выстраиваться в цепь между электродами на всем промежутке.

С увеличением напряжения примеси собирались в линию любой конфигурации между электродами. При дальнейшем увеличении напряжения формируется светящийся канал - стример. Заряженные микрочастицы, сливаясь одна с одной, формируют канал высокой проводимости. Стример - частичные разряды перемещаются от приборного электрода к заземленному электроду.

После возникновения частичных разрядов появляется ток утечки, который регистрируется прибором АИД-70М. Каждый раз перед дуговым разрядом ток утечки прибора АИД-70М увеличивался, и срабатывала защита прибора.

Частичные разряды регистрировались немецким зондом частичных разрядов М 4202 (Lemke-5). Из-за большого загрязнения масла уже при напряжении 4 кВ регистрировались частичные разряды более 1000 пКл. После кратковременного воздействия (одна минута) частичных и электрических разрядов была взята проба масла №2. После длительного воздействия электрическими разрядами в течение 3-5 мин взята проба масла №3. Хроматографический анализ газов, растворенных в масле, проводился в лаборатории Гомельских электрических сетей на приборе «Кристалл-2000М». Результаты анализа представлены в табл.2.

Как следует из табл.2, процентный состав газов значительно увеличился в пробе №3. Проверено, как изменилось соотношение газов, следуя принятым методикам МЭК и Дорненбурга.

Проба №2: С₂Н₂/С₂Н₄=0,247/0,229=1,08; СН₄/Н₂=0,46; С₂Н₄/С₂Н₆=3,55, что указывает на дуговые разряды.

Проба №3: С₂Н₂/С₂Н₄=1,75; СН₄/Н₂=0,454; C₂H₄/С₂Н₆=3,2. В данном случае также наблюдаются дуговые разряды.

Визуально наблюдались разряды высокой энергии, переходящие в электрическую дугу. Прибором регистрировались частичные разряды более 1000 пКл. Хроматографический контроль горючих газов являлся дополнительным методом для оценки влияния частичных разрядов на трансформаторное масло. На фиг. 7 представлена усредненная кривая изменения тока утечки от количества примесей и приложенного напряжения. Пузырьки воздуха, микрочастицы влаги моделировались шариками гидрогеля диаметром 1 мм. Под воздействием частичных разрядов шарики разрушались и ток утечки, и частичные разряды уменьшались.

Способ защиты силовых маслонаполненных трансформаторов от внутренней электрической дуги осуществляется следующим образом.

Для предупреждения развития внутренней электрической дуги в шину заземления бака трансформатора включается устройство защитного отключения и трансформатор тока, сигнал с которого поступает на отключение автоматического выключателя в цепи высшего напряжения, а устройство защитного отключения разрывает цепь внешнего электропроводящего канала с появлением тока утечки в шине заземления бака трансформатора заданной величины в начальной стадии формирования внутреннего электропроводящего канала высокой проводимости из механических заряженных микрочастиц в масле трансформатора до начала развития электрической дуги внутри трансформатора.

На ОАО «БМЗ» измерялись частичные разряды в баке 13 трансформаторов и токи утечки в шинах их заземления. Эти измерения подтвердили зависимость между частичными разрядами в масле трансформатора и током утечки в шине заземления [Приложение 1].

Для предупреждения формирования внутри бака электропроводящего канала высокой проводимости из механических заряженных микрочастиц в массе трансформатора необходимо выполнять регенерацию масла по результатам комплексно технического диагностирования трансформатора.

Для трансформаторов, которые отработали совой нормативный срок необходимо выполнять каждые 6 месяцев следующие измерения под нагрузкой трансформатора:

- хроматографический контроль горючих газов в масле трансформатора с анализом по двум, но лучше по трем методикам для повышения достоверности;

- физико-химические испытания трансформаторного масла;

- после этих измерений контролируются частичные разряды в баке трансформатора и во вводах;

- выполняется виброакустические обследование бака трансформатора в частотном диапазоне 10-5000 Гц. Сложившая практика в Беларуси и России оценивать динамическую стойкость обмоток и магнитопровода по общему уровню вибрации в диапазоне 10-1000 Гц является формальной и недостоверной;

- термографическое обследование бака трансформатора и высоковольтных вводов необходимо проводить с земли и с люльки автомобиля с 3-х сторон через 120 градусов. Сложившая практика термографического обследования трансформаторов только с земли является недостоверной.

Устройство защитного отключения показали свою эффективность не только при защите человека от поражения электрическим током при случайном прикосновении к оголенным проводникам, но и при защите электрических двигателей от пробоев изоляции при их затоплении водой.

Источники информации:

1. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учебник для учащихся техникумов.- 3-е изд. Перераб. - М. Высшая школа, 1981, 376 стр.

2. Евминов Л.И. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения.: учеб.-метод, пособие / Л.И. Евминов, Г.И. Селиверстов: М-во образования, Республика Беларусь. Гомель, гос. тех. ун. им. П.О.Сухого - Гомель: ГГТУ им. П.О.Сухого, 2016. 531 стр.

3. СПОСОБ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ОТ ВНУТРЕННИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ. Григорьев Н.П., Дынькин Б.Е., Парфианович А.П., Трофимович П.Н. Патент на изобретение RU 2710023 С2, 22.05.2018, Заявка №2018118911 от 24.12.2019

4. УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА. Суворов А.А., Глазырин В.Е., Ерушин В.П., Тимофеев И.П.. Патент на изобретение RU 2497256 С1, 07,06,2012, Заявка №2012123731/07 от 07.06.2012.

5. Н.В. Грунтович, О.В. Фёдоров, Д.Р. Мороз, Б.Б. Третьяков, П.М. Колесников. Анализ проблемных вопросов эксплуатации маслонаполненных трансформаторов. Энергия и Менеджмент, 2017 - №3(96), с. 2-6.

6. У. Бартли. Обзор повреждений трансформаторов. «Энергия и менеджмент», 2011, №1, С. 40-43.

7. Н.В. Грунтович, Е.В.Воробьева, П.В. Лычев. Влияние частичных разрядов на физико-химические свойства трансформаторного масла Вестн. Гом. гос. техн. ин-та им. П.О. Сухого. - 2019. - №4. - С. 37-45.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к способам защиты силовых маслонаполненных трансформаторов от внутренней электрической дуги. Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия защиты силовых трансформаторов при возникновении и развитии электрической дуги внутри бака трансформатора. Поставленная задача достигается тем, что после формирования электропроводящего канала высокой проводимости из механических заряженных микрочастиц в масле трансформатора, в результате чего резко уменьшается омическое сопротивление масла, в цепь шины заземления бака трансформатора включается устройство защитного отключения и трансформатор тока, сигнал с которого поступает на отключение автоматического выключателя цепи высшего напряжения, которые разрывают цепь внешнего электропроводящего канала и цепь высшего напряжения с появлением тока утечки в шине заземления бака трансформатора заданной величины в начальной стадии формирования внутреннего электропроводящего канала до начала развития электрической дуги в масле трансформатора. 7 ил., 2 табл.

Способ защиты силовых маслонаполненных трансформаторов от внутренней электрической дуги, отличающийся тем, что в шину заземления бака трансформатора включается устройство защитного отключения и трансформатор тока, сигнал с которого поступает на отключение автоматического выключателя в цепи высшего напряжения, а устройство защитного отключения разрывает цепь внешнего электропроводящего канала с появлением тока утечки в шине заземления бака трансформатора заданной величины в начальной стадии формирования внутреннего электропроводящего канала высокой проводимости из механических заряженных микрочастиц в масле трансформатора до начала развития электрической дуги внутри трансформатора.