Захист трансформатора — перезбудження / захист V/Hz (ANSI 24)

Гід про диференціальний захист трансформатора (87T) розглядає захист від внутрішніх коротких замикань силового трансформатора. Ця стаття розглядає принципово інший механізм відмови, який 87T не виявляє, оскільки відсутній дисбаланс струму між первинною та вторинною сторонами: перезбудження, спричинене надмірним співвідношенням напруги до частоти (V/Hz), та захист ANSI 24, який це контролює.

Чому важливе співвідношення V/Hz, а не лише напруга

Густина магнітного потоку в магнітопроводі трансформатора (та синхронного генератора) пропорційна прикладеній напрузі й обернено пропорційна частоті: підвищення напруги за сталої частоти або зниження частоти за сталої напруги підвищує потік однаковим чином. Щойно потік перевищує межу насичення матеріалу магнітопроводу, настає насичення осердя: струм намагнічування різко нелінійно зростає, і виникають значні, небажані вихрові струми в конструктивних елементах, не розрахованих на їх проведення — притискних пластинах осердя, баку та інших металевих частинах поза шихтованим пакетом. Це спричиняє локальний перегрів, який, на відміну від короткого замикання, не може бути виявлений диференціальним захистом, оскільки дисбаланс струму між обмотками не виникає.

Типові ситуації виникнення перезбудження

• Скид навантаження: за раптового відключення великого навантаження напруга на стороні генератора може тимчасово різко зрости, перш ніж регулятор напруги її скоригує. Обертові генератори та підключені трансформатори короткочасно зазнають підвищеного співвідношення V/Hz. Пов'язано: гід про кидок струму намагнічування трансформатора розглядає інше, короткочасне явище насичення, що виникає під час увімкнення, з власною характеристикою.
• Острівний режим зі зниженням частоти: на острові, що працює за недостатньої генерувальної потужності, частота знижується, поки регулятор напруги намагається підтримувати напругу — це підвищує співвідношення V/Hz навіть без перевищення самою напругою номінального значення.
• Ручне чи помилкове налаштування регулятора напруги: занадто висока уставка напруги на контролері збудження генератора в поєднанні з малим навантаженням може спричинити тривале, слабке перезбудження, що не є гостро небезпечним, але прискорює старіння ізоляції з часом.

Принцип дії реле ANSI 24

Захист ANSI 24 безперервно розраховує співвідношення V/Hz (зазвичай виражене у відносних одиницях щодо номінального співвідношення напруги до частоти) і порівнює його із заданою уставкою спрацювання. Загальне емпіричне правило говорить, що трансформатори не повинні безперервно витримувати понад приблизно 1,05 в.о. V/Hz за повного навантаження та 1,10 в.о. V/Hz на холостому ході, але фактична, залежна від часу теплова стійкість кожної конкретної машини визначається кривою допустимого навантаження виробника.

Увага: реле ANSI 24 працює з обернено залежною від часу характеристикою: чим далі виміряне співвідношення V/Hz піднімається вище уставки спрацювання, тим швидше спрацьовує захист. Ця характеристика призначена для слідування тепловій кривій допустимого навантаження виробника, зазвичай із запасом безпеки 80–90% відносно цієї кривої, тож захист втручається раніше, ніж досягається фактична межа термічного пошкодження.

Окрім обернено залежної від часу характеристики, сучасна реалізація ANSI 24 зазвичай також включає одну чи кілька фіксованих порогових уставок сигналізації та відключення як додаткову, однозначну межу вище обернено залежної кривої.

Практична значущість

Під час налаштування чи перевірки уставок захисту силового трансформатора або генератора важливо зіставляти уставку ANSI 24 з фактичною, зазначеною виробником кривою допустимого навантаження V/Hz для конкретної машини, а не застосовувати загальне емпіричне правило — чутливість до насичення різниться залежно від конструкції та матеріалу магнітопроводу.

Часті помилки

1. Припускати, що диференціальний захист (87T) також захищає від перезбудження, тоді як він реагує лише на дисбаланс струму між обмотками і не виявляє насичення осердя без внутрішнього пошкодження.
2. Застосовувати загальну уставку V/Hz без зіставлення з конкретною тепловою кривою допустимого навантаження, наданою виробником даного трансформатора чи генератора.
3. Упускати з уваги перезбудження під час острівного режиму зі зниженням частоти, оскільки увага часто зосереджена виключно на підвищенні напруги, тоді як зниження частоти за сталої напруги спричиняє таке саме підвищення співвідношення V/Hz.
4. Не підтримувати запас безпеки між обернено залежною кривою реле ANSI 24 та тепловою кривою допустимого навантаження виробника, через що захист спрацьовує лише після того, як уже відбулося незворотне термічне пошкодження.

Пов'язані матеріали

• Диференціальний захист трансформатора (87T) — відсоткове диференціювання
• Захист від зниженої/підвищеної напруги (реле 27/59)
• Частотний захист (81) — ROCOF / df/dt
• Кидок струму намагнічування трансформатора — селективність