Zabezpieczenie transformatora — nadwzbudzenie / zabezpieczenie V/Hz (ANSI 24)

Przewodnik o zabezpieczeniu różnicowym transformatora (87T) omawia ochronę przed zwarciami wewnętrznymi transformatora mocy. Ten artykuł omawia zasadniczo inny mechanizm uszkodzenia, którego 87T nie wykrywa, ponieważ nie występuje niezrównoważenie prądu między stroną pierwotną a wtórną: nadwzbudzenie spowodowane nadmiernym stosunkiem napięcia do częstotliwości (V/Hz) oraz zabezpieczenie ANSI 24, które to monitoruje.

Dlaczego liczy się stosunek V/Hz, a nie samo napięcie

Gęstość strumienia magnetycznego w rdzeniu transformatora (i w generatorze synchronicznym) jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości: wzrost napięcia przy stałej częstotliwości lub spadek częstotliwości przy stałym napięciu podnosi strumień w ten sam sposób. Gdy tylko strumień przekroczy granicę nasycenia materiału rdzenia, następuje nasycenie rdzenia: prąd magnesujący silnie, nieliniowo wzrasta, a w elementach konstrukcyjnych niezaprojektowanych do ich przewodzenia — płytach zaciskowych rdzenia, kadzi i innych metalowych częściach poza pakietem blach — powstają znaczne, niepożądane prądy wirowe. Powoduje to miejscowe przegrzanie, które, w przeciwieństwie do zwarcia, nie może zostać wykryte przez zabezpieczenie różnicowe, ponieważ nie powstaje niezrównoważenie prądu między uzwojeniami.

Typowe sytuacje, w których występuje nadwzbudzenie

Zrzut obciążenia: przy nagłym odpadnięciu dużego obciążenia napięcie po stronie generatora może tymczasowo gwałtownie wzrosnąć, zanim regulator napięcia je skoryguje. Wirujące generatory i podłączone transformatory są wtedy krótkotrwale narażone na podwyższony stosunek V/Hz. Powiązane: przewodnik o prądzie udarowym transformatora omawia inne, krótkotrwałe zjawisko nasycenia występujące przy załączeniu, z własną charakterystyką.
Praca wyspowa ze spadającą częstotliwością: na wyspie pracującej przy niewystarczającej mocy wytwórczej częstotliwość spada, podczas gdy regulator napięcia próbuje utrzymać napięcie — to podnosi stosunek V/Hz nawet bez przekroczenia przez samo napięcie wartości znamionowej.
Ręczne lub błędne ustawienie regulatora napięcia: zbyt wysoko ustawione odniesienie napięcia na regulatorze wzbudzenia generatora, w połączeniu z niskim obciążeniem, może spowodować przedłużone, łagodne nadwzbudzenie, które nie jest ostro niebezpieczne, ale z czasem przyspiesza starzenie izolacji.

Zasada działania przekaźnika ANSI 24

Zabezpieczenie ANSI 24 nieprzerwanie oblicza stosunek V/Hz (zwykle wyrażany w jednostkach względnych, w odniesieniu do znamionowego stosunku napięcia do częstotliwości) i porównuje go z ustawioną wartością zadziałania. Powszechna zasada praktyczna mówi, że transformatory nie powinny ciągle wytrzymywać więcej niż w przybliżeniu 1,05 j.w. V/Hz przy pełnym obciążeniu i 1,10 j.w. V/Hz w stanie jałowym, jednak rzeczywista, zależna od czasu wytrzymałość termiczna każdej konkretnej maszyny jest określona przez krzywą wytrzymałości podaną przez producenta.

Uwaga: przekaźnik ANSI 24 działa z charakterystyką odwrotnie zależną od czasu: im dalej zmierzony stosunek V/Hz wznosi się powyżej wartości zadziałania, tym szybciej zabezpieczenie wyzwala wyłączenie. Charakterystyka ta ma na celu podążanie za krzywą wytrzymałości termicznej producenta, zwykle z marginesem bezpieczeństwa 80–90% względem tej krzywej, tak aby zabezpieczenie zadziałało, zanim zostanie osiągnięta rzeczywista granica uszkodzenia termicznego.

Oprócz charakterystyki odwrotnie zależnej od czasu, nowoczesna implementacja ANSI 24 zwykle zawiera również jeden lub więcej stałych progów alarmowych i wyłączeniowych jako dodatkową, jednoznaczną granicę powyżej krzywej odwrotnie zależnej od czasu.

Znaczenie praktyczne

Przy ustawianiu lub sprawdzaniu nastaw zabezpieczeń transformatora mocy lub generatora istotne jest zestawienie nastawy ANSI 24 z rzeczywistą, podaną przez producenta krzywą wytrzymałości V/Hz danej konkretnej maszyny, zamiast stosowania ogólnej zasady praktycznej — wrażliwość na nasycenie różni się w zależności od konstrukcji i materiału rdzenia.

Częste błędy

Zakładanie, że zabezpieczenie różnicowe (87T) chroni również przed nadwzbudzeniem, podczas gdy reaguje ono wyłącznie na niezrównoważenie prądu między uzwojeniami i nie wykrywa nasycenia rdzenia bez uszkodzenia wewnętrznego.
Stosowanie ogólnego progu V/Hz bez zestawienia go z konkretną krzywą wytrzymałości termicznej podaną przez producenta danego transformatora lub generatora.
Pomijanie nadwzbudzenia podczas pracy wyspowej ze spadającą częstotliwością, ponieważ uwaga często skupia się wyłącznie na wzroście napięcia, podczas gdy spadek częstotliwości przy stałym napięciu powoduje taki sam wzrost stosunku V/Hz.
Brak marginesu bezpieczeństwa między krzywą odwrotnie zależną od czasu przekaźnika ANSI 24 a krzywą wytrzymałości termicznej producenta, przez co zabezpieczenie interweniuje dopiero po wystąpieniu nieodwracalnego uszkodzenia termicznego.