Диференційний захист трансформатора (87T) — чому він швидкий, але не замінює реле Бухгольца

Посібник про реле Бухгольца розглядає механічний захист, що реагує на утворення газу та потік масла. Ця стаття розглядає основний електричний захист силового трансформатора від внутрішніх пошкоджень: процентний диференційний захист, на практиці часто позначуваний кодом ANSI 87T.

Базовий принцип: вхідний струм має дорівнювати вихідному

Диференційне реле порівнює, через трансформатори струму (ТС) на первинній і вторинній сторонах трансформатора, струм, що входить у трансформатор, зі струмом, що виходить з нього. У справного трансформатора, без внутрішнього пошкодження, це — після корекції на коефіцієнт трансформації — по суті та сама потужність, що входить з одного боку і виходить з іншого; різниця між двома струмами ТС (диференційний струм) тоді практично нульова. Якщо виникає внутрішнє пошкодження — наприклад, коротке замикання між обмотками або пробій на осердя — частина струму залишає трансформатор через саме пошкодження, а не через вихідні виводи, і виникає значний диференційний струм.

Чому відсоток гальмівного струму, а не фіксований поріг

Диференційне реле оцінює диференційний струм не відносно фіксованого значення в амперах, а відносно відсотка середнього наскрізного струму (гальмівного струму, restraint). Це необхідно, оскільки навіть у справного трансформатора завжди присутній невеликий, нормальний диференційний струм — наприклад, через похибки вимірювання ТС, власний струм намагнічування трансформатора або нерівне навантаження положення перемикача відгалужень. При низькому наскрізному струмі реле має бути достатньо чутливим, щоб виявити невелике, низькоенергетичне внутрішнє пошкодження; при високому наскрізному струмі (наприклад, під час важкого, але зовнішнього, наскрізного короткого замикання) реле, навпаки, має бути менш чутливим, оскільки похибки вимірювання ТС та ефекти насичення зростають. Цей спадний запас чутливості представлений як гальмівна характеристика, зазвичай із двома нахилами: нижчим нахилом (зазвичай порядку 15–30%) при помірному наскрізному струмі та вищим нахилом (зазвичай порядку 50–80%) при важкому наскрізному струмі, де насичення ТС починає відігравати більшу роль.

Чому потрібно компенсувати і коефіцієнт ТС, і групу з'єднання обмоток

Два практичні ускладнення означають, що диференційне реле не може просто обчислити "струм А мінус струм Б":

• Нерівні коефіцієнти трансформації ТС: номінальний первинний і вторинний струм трансформатора зазвичай суттєво відрізняються, тому трансформатори струму з кожного боку зазвичай мають різний коефіцієнт трансформації. Реле (або, у старіших електромеханічних виконаннях, проміжні трансформатори в колі реле) має скомпенсувати цю різницю, перш ніж обидва струми можна буде осмислено порівняти.
• Фазовий зсув від групи з'єднання обмоток: як розглядається в посібнику про групи з'єднання обмоток трансформатора, наприклад, трансформатор Dyn11 вносить фазовий зсув 30° між первинним і вторинним струмом. Без корекції цього зсуву реле вже бачило б уявний диференційний струм у повністю справного трансформатора. В електромеханічних реле ця корекція виконувалася через конфігурацію обмоток проміжних трансформаторів (часто з'єднаних у трикутник з боку, де головний трансформатор з'єднаний у зірку, і навпаки); у сучасних цифрових реле це виконується обчислювально в програмному забезпеченні реле, на основі налаштованої групи з'єднання обмоток.

Блокування за другою гармонікою: кидок струму намагнічування — не внутрішнє пошкодження

Посібник про кидок струму намагнічування трансформатора розглядає, чому вмикання ненавантаженого трансформатора може викликати короткочасний, високий струм намагнічування (кидок, inrush). Якщо розглядати лише з боку первинної обмотки, цей кидок струму нагадує диференційний струм, оскільки вторинна сторона ще не дає відповідного струму. Щоб запобігти хибному спрацюванню реле при кожному вмиканні, диференційне реле містить блокування за другою гармонікою: кидок струму містить характерно високу частку другої гармоніки (100 Гц у мережі 50 Гц), тоді як реальне внутрішнє пошкодження цієї частки не має. Якщо частка другої гармоніки в диференційному струмі перевищує встановлений поріг (часто порядку кількох десятків відсотків), реле блокує відключення, навіть якщо сам диференційний струм інакше був би достатньо високим для спрацювання.

Чому це не робить реле Бухгольца зайвим

Процентне диференційне реле значно швидше за реле Бухгольца і виявляє пошкодження, які вже при виникненні спричиняють вимірювану несиметрію струму. Повільно прогресуюче, низькоенергетичне пошкодження — наприклад, початкові часткові розряди або поступово погіршувана ізоляція між кількома обмотками — часто на ранньому етапі ще не дає різниці струму, достатньо великої для спрацювання диференційного захисту, тоді як пошкодження вже виробляє газ. Саме такий тип пошкодження виявляє реле Бухгольца (див. пов'язаний посібник) через накопичення газу, задовго до того, як пошкодження переросте в електрично виявлюване коротке замикання. Диференційний захист і захист Бухгольца тому доповнюють один одного, а не взаємозамінні: один швидкий і чутливий до несиметрії струму, інший повільний, але чутливий до типу низькоенергетичного пошкодження, яке перший може пропустити.

Увага: точне налаштування нахилів гальмівної характеристики та порогу блокування за другою гармонікою визначається системним дослідженням і специфікацією виробника реле; ця стаття розглядає принцип, а не конкретне значення налаштування для конкретної моделі реле.

Практична значущість

При оцінці концепції захисту силового трансформатора важливо розуміти, що диференційний захист і реле Бухгольца доповнюють один одного: диференційний захист вловлює швидкі, інтенсивні за струмом внутрішні пошкодження, а реле Бухгольца вловлює повільні, низькоенергетичні пошкодження, які ще не спричиняють значної несиметрії струму. Трансформатор лише з диференційним захистом тому позбавлений частини обсягу захисту, який дає реле Бухгольца (і навпаки).

Часті помилки

1. Припущення, що правильно працюючий диференційний захист робить реле Бухгольца зайвим — обидва захищають від різного типу пошкоджень і доповнюють один одного.
2. Неправильне налаштування компенсації коефіцієнта ТС або групи з'єднання обмоток при введенні в експлуатацію цифрового диференційного реле, через що справний трансформатор вже показує уявний диференційний струм.
3. Вимкнення блокування за другою гармонікою або її надто вільне налаштування для "вирішення" проблем хибних спрацювань при вмиканні — це може фактично знизити чутливість до реального внутрішнього пошкодження, що виникло в момент вмикання.
4. Думка, що диференційний захист має бути однаково чутливим при низькому наскрізному струмі, як і при високому — гальмівна характеристика спеціально спроєктована так, щоб бути менш чутливою при високому наскрізному струмі через зростаючі похибки вимірювання ТС.

Пов'язані матеріали

• Реле Бухгольца (газове реле) — двоступенева газова захист масляних силових трансформаторів
• Групи з'єднання обмоток трансформатора — чому Dyn11 і Yyn0 не можна просто вмикати паралельно
• Пусковий струм трансформатора (струм намагнічування)
• Клас точності та навантаження трансформатора струму при непрямому обліку електроенергії (кВт·год)