CC BY
22
УДК 621.316.925.1
Т.А. Новожилов, T.A. Novozhilov, e-mail: timokvey@mail.ru
A.Н. Новожилов, A.N. Novozhilov, e-mail: novozhilova_on@mail.ru
B.Н. Горюнов, N.V. Goryunov, e-mail: munp@yandex.ru
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ЗАЩИТА ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НА ДВУХ ИНДУКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
PROTECTION SINGLE-PHASE TRANSFORMERS ON TWO INDUCTIVE TRANSDUCERS
В данной работе выявлять ВЗ в обмотках однофазного трансформатора предлагается с помощью двух одинаковых измерительных преобразователей, которые выполняются в виде многовитковых катушек.
In this paper we identify coiled circuit in the single-phase transformer windings is proposed using two identical transducers, which are executed in the form of multi-turn coils.
Ключевые слова: однофазный трансформатор, витковое замыкание, защиты, руднотермическая печь
Keywords: single-phase transformer, coiled circuit, protection, ore-smelting furnace
Как известно [1, 2], в трехфазных трансформаторах на одинаковую передаваемую мощность приходится меньший вес и стоимость, чем у группы однофазных трансформаторов. Несмотря на это, последние довольно широко используют из-за возможности перемещения группы трансформаторов группы раздельно. Это вызвано тем, что однофазный транс-
форматор этой группы значительно меньше и легче трехфазного. Именно это обстоятельство и определило их область использования в виде мощных трансформаторов связи на электрических станциях и в энергосистемах, а также печных трансформаторов на ферросплавном производстве и металлургии.
Междуфазные замыкания в группе однофазных замыканий могут возникнуть только при одновременном замыкании на землю двух фаз низковольтных или высоковольтных обмоток. Однако вероятность возникновения такой ситуации крайне низка. В тоже время на витковые замыкания (ВЗ) этих обмотках приходится до 25 - 45% от всех повреждений трансформаторов. При этом затраты на их ремонт сопоставимы со стоимость самих трансформаторов [3 - 5].
Традиционно для защиты трансформаторов от замыканий в обмотках используют максимальные токовые защиты, токовые отсечки и дифференциальные защиты [3 - 5]. Однако все они обладают низкой чувствительностью к ВЗ. Поэтому, после возникновения ВЗ трансформатор отключают только тогда, когда размеры повреждения обмотки достигнут той величины, при которой трансформатор отключается одной из этих защит или газовой защитой [1, 2]. В результате размеры повреждения увеличиваются с нескольких витков до 15-50% обмотки. Иногда трансформатор полностью выходит из строя.
Более чувствительны к ВЗ защиты на встроенных индукционных преобразователях (ИП) [6, 7] различной конструкции. Все они имеют по два преобразователя на один стержень трансформатора и «мертвую зону» вблизи середины обмотки.
В данной работе выявлять ВЗ в обмотках однофазного трансформатора предлагается с помощью двух одинаковых ИП, которые выполняются в виде многовитковых катушек. Взаимное расположение обмоток трансформатора и ИП показано на рис. 1. Из него видно, что датчики защиты и обмотки должны располагаться симметрично относительно продольной плоскости симметрии Q трансформатора на уровне середины его стержней.
В однофазном трансформаторе с целью унификации на каждом из стержней магнито-провода размещается абсолютно одинаковые элементы первичной и вторичной обмоток. В процессе сборки путем последовательного или параллельного их соединения коммутируется первичная и вторичная обмотки. Поэтому в любом эксплуатационном режиме работы трансформатора токи в этих элементах обмоток равны, а и их магнитные поля рассеяния одинаковы. В связи с этим при показанном на рис. 1 размещении обмоток трансформатора и ИП ЭДС Еип( и Еип2 в этих ИП будут равны по величине. То есть Еип| = Еип2 .
Рис. 1. Взаимное расположение элементов обмоток однофазного трансформатора и измерительных преобразователей
При возникновении ВЗ, например, в обмотке высокого напряжения на левом стержне как показано на рисунке 1 ток в замкнувшихся витках w к будет значительно больше его до аварийного значения. В результате поля рассеяния обмоток левого и правого стержней будут отличаться, а ЭДС Еип1 Ф Еип2 .
Эффективность этого способа защиты на примере однофазного трансформатора ТТ-6 подтверждается зависимостями Еип1 (х) и Еип2 (х) на рис. 2, где они показаны линиями 1 и 2. При этом на рисунке 2,а они приведены для режима номинальной нагрузки, а на рисунке 1,б - при замыкании трех витков в обмотке высокого напряжения на левом стержне сердечника в этом же режиме. Из анализа этих зависимостей становится ясно, что устройство защиты от ВЗ [8] по этому способу не будет иметь «мертвой зоны» и обладает высокой чувствительностью.
Выбор места расположения ИП и их конструкция определены их конструкционными особенностями трансформатора. То есть расстоянием между обмотками и стенкой масляного бака трансформатора, наличием и расположением различных элементов конструкции трансформатора в этом баке, а также типом реагирующего органа защиты. При этом должна обеспечиваться наибольшую чувствительность устройства защиты трансформатора и ее независимость от места расположения поврежденных витков в обмотках.
Е1Ш>В
Рис. 2. ЭДС ИП при номинальной нагрузке и витковом замыкании
Размер катушек ИП значительно меньше размеров обмоток трансформатора, а потому их размещение в пространстве между элементами конструкции трансформатора и его баком не представляет сложности. Варианты места их расположения и вида крепления зависят от размеров элементов трансформатора и ИП, конструкции обмоток трансформатора и соблюдения норм безопасной эксплуатации. Проще всего крепить датчики непосредственно элементам конструкции трансформатора. При этом ИП должен располагается так, чтобы он измерял составляющую поля рассеяния обмоток трансформатора, направленную вдоль оси Y. Это вызвано тем, что в области вероятного расположения ИП она значительно больше тех составляющих, которые направлены вдоль осей Х и Z. В этом случае при одинаковой отдаваемой мощности ИП будет иметь меньшие размеры.
В качестве ИП для защиты могут использоваться катушки от промежуточных реле, технические данные которых приведены в таблице 1 [9].
Таблица 1
Технические данные катушек от промежуточных реле
Тип число Марка и Расчетные величины
реле витKов, Wип диаметр провода, мм Rип ,Ом Хип ,Ом
РП-25 3000 ПЭВ-2 00,21 170,8 180,4
РП-25 3850 ПЭВ-2 00,18 298,4 297,1
РП-25 6700 ПЭВ-2 00,14 858,3 899,8
Точность установки ИП при их монтаже можно проверить путем подключения трансформатора к источнику пониженного напряжения в режиме короткого замыкания. При этом контроль напряжения на ИП осуществляется помощью вольтметра с высоким входным сопротивлением. При точной установке преобразователей ЭДС ИП1 Еип} должна равняться ЭДС ИП2 Еип2 . С помощью такой проверки легко экспериментальным путем оценить величины небалансов от различных токоведущих элементов трансформатора и принять меры по их уменьшению.
Так как полностью избавится от небаланса ДЕИП =Еип1 -Еип2 обычно не удается, то защиту выполняют по схеме на рисунке 3,а. В этом случае небаланс тока в реле KA устраняется с помощью регулировочного сопротивления R рег .
Рис. 3. Схемы защиты однофазного трансформатора от ВЗ на двух ИП
В качестве реагирующего органа можно использовать выпускаемые промышленностью реле тока типа РТ-40/0,2 [9] или РТЗ-51 [10]. Однако более удачным решением является использование реле защиты типа РН2-П/0Д5 УХЛ-4, разработанное в Павлодарском государственном университете им. С. Торайгырова аспирантом ОмГТУ Новожиловым Т.А под руководством профессора Новожилова А.Н. на базе поляризованного реле РП-5.
При монтаже ИП вместе с защищаемым трансформатором опускаются в бак с маслом, остальная часть защиты помешается в релейном шкафу и соединяется с ИП контрольным кабелем.
В соответствии со схемой замещения защиты на рисунке 3,б ток срабатывания реагирующего органа можно определяться из системы уравнений, составляемых по методу контурных токов
~ Ь 1%ро +^22 (%ип2 + (1 - к)К-ро + 2ро ) = -Емт2
где 1р0 = 1ц — 122 ~~ ток в Реле; 0 =1^р0 + ]Хр0 - полное, активное и реактивное сопротивления реагирующего органа; Zип\ = Н.Ип1 + ]ХИП( - полное, активное и реактивное сопротивление ИП.
Однако с учетом того, что параметры левой и правой ветвей схемы одинаковы, то при наличии разницы ЭДС ИП ДЕИП = Еип| — Еип2 ток в цепи реагирующего органа можно определить по схеме на рисунке 3,в как
1ро
Л^п (wк )
2ро + 2,ип + ^-рег ! ^
(2)
На рис. 4 приведена экспериментальная зависимость 1ро (wк ) , полученная при ВЗ в обмотке высокого напряжения левого стержня трансформатора ТТ-6 при числе витков в ней Л¥1 / 2 = 504/2 = 252 И ИП в виде катушки реле РП-25 с числом витков Л¥ип = 6700 при
+ Крег / 2 -4700 Ом.
1ро>
ЦА
600
400
200
/
-------- -V /
/ \ ^ 1 1
0 2 \\к ,внт
Рис. 4. Экспериментальная зависимость Iро (wк ) , полученная при ВЗ в однофазном трансформаторе ТТ-6
Аналогично токовым защитам [3,5,7] ток срабатывания реагирующего органа выбирается таким, чтобы защита не работала при максимальном токе, который может проходить через трансформатор. В результате ток срабатывания реле
Т = V т
^сз н ^к.тах •
(3)
где !к max - максимальный ток, проходящий через трансформатор при коротком замыкании за ним; кн - коэффициент надежности отстройки равный 1,3-1,6.
Однако на ферросплавном производстве трансформаторы работают в режиме короткого замыкания, в котором ток !к max считается номинальным эксплуатационным током. В
этом случае ток срабатывания реле
где !к max - максимальное значение намагничивающего тока.
Ток намагничивания возникает при включении трансформатора может достигать 5 —81ном [4], где 1Н0М ~~ ток трансформатора при номинальной нагрузке. Однако быстро, в точении одной секунды, он затухает до 20% 1ном .
При отстройке защиты по выражениям (3) и (4) рассчитывают 1сз и используют большее значение. Для лабораторного трансформатора ТТ-6 при коротком замыкании за ним токи в первичной и вторичной обмотках составил = 80,42А и 12 = 136,93А, а ток 1сз — 285рА. В результате по рис. 4 защита будет срабатывать при замыкании двух и более витков в первичной обмотке.
Как показали расчеты и эксперименты с трансформатором ТТ-6 ток при замыкании двух - трех витков возрастает не более чем 5-6% [11, 12]. Что не может привести к срабатыванию максимальной токовой защиты, токовой отсечки или дифференциальной защиты [35].
При определении тока срабатывания защиты по выражению (3) время срабатывание 1:ср(3) ограничено временем срабатывания реле защиты. При определении тока срабатывания защиты по выражению (4) к этому времени добавляется время, за которое ток срабатывания снизится до значения тока по выражению (3). В результате время срабатывания защиты определится как
*ср(4) = *ср(3) +*нам> (5)
где : - время, за которое ток срабатывания снизится до его значения по выражению (3). Обычно : нам принимается от 0,3 до 1,0 секунды.
Выводы
1. Способ защиты однофазного трансформатора, основанный на сравнении величин магнитных полей рассеяния обмоток разных его стержней, позволяет разработать устройство, которое не будет зоны несрабатывания.
2. Устройство защиты имеет высокую чувствительность, которая позволяет достаточно быстро отключить трансформатор при замыкании малого числа замкнувшихся витков и значительно время и стоимость послеаварийного ремонта.
Библиографический список
1.Брускин А.Э. Электрические машины. Т. 1 / А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. - М.: Высшая школа, 1987. - 319 с.
2. Рысс М.А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1985. - 244 с.
3. Чернобров Н.В. Релейная зашита. - М.: Энергия, 1974. - 680 с.
4. Беркович М.А. Основы техники релейных защит / В.В. Молчанов, В.А. Семенов. -М.: Энергоатомиздат, 1984. - 232 с.
5. Шабад М.А. Защита трансформаторов распределительных сетей. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 136 с.
6. Гаген А.Ф. Устройство защиты трансформаторов от витковых замыканий // Изв. ВУЗов Электромеханика, 1978. - № 9. - С. 1015 - 1016.
7. Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -
240 с.
8. Инновационный патент № 19884 Республика Казахстан, МПК Н02Н 7/04. Устройство защиты трансформатора от витковых замыканий [Текст] / Новожилов А.Н., Крюковский
К.П., Новожилов Т.А., Крылов И.Ю.; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет им. С. Торагырова - № 2007/0167.1; заявл. 06.02.2007; опубл. 15.08.2008, Бюл. № 8. — 3 с.: ил
9. Алексеев В.С. Реле защиты / Г.П. Варганов, Б.И. Панфилов, Р.З. Розенблюм. - М.: Энергия, 1976. - 467 с.
10. Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1000 В. / С.П. Кужеков, Л.Б. Паперно. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 248 с.
11. Новожилов А.Н. Моделирование токов при витковом замыкании в трансформаторах руднотермических печей / В.Н. Горюнов, Т.А. Новожилов, И.Ю. Крылов, К.И. Никитин // Электротехника. - 2013. - № 4. - С. 27 - 32.
12. Новожилов А.Н. Определение токов в обмотках однофазного трансформатора для релейной защиты при витковом замыкании / А.Н. Новожилов, Т.А. Новожилов // Омский научный вестник - 2014. - № 2 (130). - С.174-177.
