Защита трансформатора — перевозбуждение / защита V/Hz (ANSI 24)

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) рассматривает защиту от внутренних коротких замыканий силового трансформатора. Эта статья рассматривает принципиально другой механизм отказа, который 87T не обнаруживает, поскольку отсутствует дисбаланс тока между первичной и вторичной сторонами: перевозбуждение, вызванное чрезмерным отношением напряжения к частоте (V/Hz), и защиту ANSI 24, которая это контролирует.

Почему важно отношение V/Hz, а не только напряжение

Плотность магнитного потока в магнитопроводе трансформатора (и синхронного генератора) пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна частоте: повышение напряжения при постоянной частоте или снижение частоты при постоянном напряжении повышает поток одинаковым образом. Как только поток превышает предел насыщения материала магнитопровода, наступает насыщение сердечника: ток намагничивания резко нелинейно возрастает, и возникают значительные, нежелательные вихревые токи в конструктивных элементах, не рассчитанных на их проведение, — прижимных пластинах сердечника, баке и других металлических частях за пределами шихтованного пакета. Это вызывает локальный перегрев, который, в отличие от короткого замыкания, не может быть обнаружен дифференциальной защитой, поскольку дисбаланс тока между обмотками не возникает.

Типичные ситуации возникновения перевозбуждения

• Сброс нагрузки: при внезапном отключении крупной нагрузки напряжение на стороне генератора может временно резко возрасти, прежде чем регулятор напряжения скорректирует его. Вращающиеся генераторы и подключённые трансформаторы кратковременно подвергаются повышенному отношению V/Hz. Связано: руководство о броске тока намагничивания трансформатора рассматривает другое, кратковременное явление насыщения, возникающее при включении, со своей отдельной характеристикой.
• Островной режим со снижающейся частотой: на острове, работающем при недостаточной генерирующей мощности, частота снижается, пока регулятор напряжения пытается поддерживать напряжение — это повышает отношение V/Hz даже без превышения самим напряжением номинального значения.
• Ручная или ошибочная настройка регулятора напряжения: слишком высокая уставка напряжения на контроллере возбуждения генератора в сочетании с малой нагрузкой может вызвать продолжительное, слабое перевозбуждение, не представляющее острой опасности, но ускоряющее старение изоляции со временем.

Принцип действия реле ANSI 24

Защита ANSI 24 непрерывно рассчитывает отношение V/Hz (обычно выражаемое в относительных единицах по отношению к номинальному отношению напряжения к частоте) и сравнивает его с заданной уставкой срабатывания. Общее эмпирическое правило гласит, что трансформаторы не должны непрерывно выдерживать более примерно 1,05 о.е. V/Hz при полной нагрузке и 1,10 о.е. V/Hz на холостом ходу, но фактическая, зависящая от времени тепловая стойкость каждой конкретной машины определяется кривой допустимой нагрузки производителя.

Внимание: реле ANSI 24 работает с обратнозависимой от времени характеристикой: чем дальше измеренное отношение V/Hz поднимается выше уставки срабатывания, тем быстрее срабатывает защита. Эта характеристика предназначена для следования тепловой кривой допустимой нагрузки производителя, обычно с запасом безопасности 80–90% относительно этой кривой, так что защита срабатывает раньше, чем достигается фактический предел термического повреждения.

Помимо обратнозависимой от времени характеристики, современная реализация ANSI 24 обычно также включает одну или несколько фиксированных пороговых уставок сигнализации и отключения в качестве дополнительного, однозначного предела выше обратнозависимой кривой.

Практическая значимость

При настройке или проверке уставок защиты силового трансформатора или генератора важно сопоставлять уставку ANSI 24 с фактической, указанной производителем кривой допустимой нагрузки V/Hz для конкретной машины, а не применять общее эмпирическое правило — чувствительность к насыщению различается в зависимости от конструкции и материала магнитопровода.

Частые ошибки

1. Предполагать, что дифференциальная защита (87T) также защищает от перевозбуждения, тогда как она реагирует только на дисбаланс тока между обмотками и не обнаруживает насыщение сердечника без внутреннего повреждения.
2. Применять общую уставку V/Hz без сопоставления с конкретной тепловой кривой допустимой нагрузки, предоставленной производителем данного трансформатора или генератора.
3. Упускать из виду перевозбуждение при островном режиме со снижающейся частотой, поскольку внимание часто сосредоточено исключительно на повышении напряжения, тогда как снижение частоты при постоянном напряжении вызывает такое же повышение отношения V/Hz.
4. Не поддерживать запас безопасности между обратнозависимой кривой реле ANSI 24 и тепловой кривой допустимой нагрузки производителя, из-за чего защита срабатывает лишь после того, как уже произошло необратимое термическое повреждение.

Связанные материалы

• Дифференциальная защита трансформатора (87T) — процентное дифференцирование
• Защита от пониженного/повышенного напряжения (реле 27/59)
• Частотная защита (81) — ROCOF / df/dt
• Бросок тока намагничивания трансформатора — селективность