SADRŽAJ UVOD ................................................................................................................................... 2 ZAŠTITA ENERGETSKIH TRANSFORMATORA .......................................................... 3 1. DIFERENCIJALNA ZAŠTITA TRANSFORMATORA ................................................. 3 1.1 SPECIFIĈNOSTI DIFERENCIJALNE ZAŠTITE TRANSFORMATORA .............. 3 1.2 STRUJNI MEĐUTRANSFORMATORI DIFERENCIJALNE ZAŠTITE TRANSFORMATORA ..................................................................................................... 4 1.3 ODREĐIVANJE SPREGE I PRENOSNOG ODNOSA STRUJNIH MEĐUTRANSFORMATORA.......................................................................................... 5 2. ZAŠTITA TRANSFORMATORA OD UNUTRAŠNJIH JEDNOFAZNIH KRATKIH SPOJEVA .............................................................................................................................. 9 3. ZAŠTITA MALIH TRANSFORMATORA OD UNUTRAŠNJIH KRATKIH SPOJEVA ............................................................................................................................ 10 3.1 BRZA PREKOSTRUJNA ZAŠTITA TRANSFORMATORA ............................... 10 3.2 KUĆIŠNA ZAŠTITA TRANSFORMATORA ........................................................ 11 4. GASNA ILI BUHOLC ZAŠTITA TRANSFORMATORA ........................................... 11 5. ZAŠTITA TRANSFORMATORA OD KRATKIH SPOJEVA U MREŢI ................... 12 6. ZAŠTITA TRANSFORMATORA OD PREOPTEREĆENJA ...................................... 13 ZAKLJUĈAK ..................................................................................................................... 18 LITERATURA .................................................................................................................... 19
1
UVOD Svi tehniĉki sistemi funkcionišu s izvesnim nivoom pouzdanosti. Mala pouzdanost uslovljava kvarove i zastoje u eksploataciji što povećava troškove eksploatacije. Velika pouzdanost povećava cenu, odnosno investicione troškove. Teţnje da tehniĉki sistem bude pouzdan i jeftin su protivureĉne. Nivo tehnološkog razvoja diktira ekonomski prihvatljiv nivo pouzdanosti. Verovatnoća pojave kvara uvek je veća od nule. Za ekonomiĉan i pouzdan prenos elektriĉne energije na daljinu potreban je visoki napon, utoliko viši ukoliko su daljine prenosa i prenete snage znaĉajnijih vrednosti. Danas su standardni nazivni naponi prenosa 123kV, 245kV, 420kV i 765kV. Proizvodnja elektriĉne energije u sinhronim generatorima tehniĉki je najefikasnija kada je napon reda 10-20kV, a njena upotreba je, prvenstveno zbog bezbednosti osoblja i problema izolovanosti, većinom na naponu ispod 1kV. Razliĉite naponske nivoe i meĊusobnu izolovanost elektrĉnih kola koja se na njima nalaze rešava primena transformatora. Transformator je statiĉki aparat koji pomoću elektromagnetne indukcije pretvara jedan sistem naizmeniĉnih struja u jedan ili više sistema naizmeniĉnih struja iste uĉestanosti i obiĉno razliĉitih vrednosti napona i struja. Pri svakoj transformaciji energije javljaju se gubitci. Stepen iskorišćenja energije kod energetskih transformatora je vrlo visok (kod većih jedinica ĉak do 99,5%), što s jedne strane omogućava tehniĉki opravdan prenos elektriĉne energije, a sa druge strane ih uvrštava u klasu najbrojnijih elektriĉnih mašina u elektroenergetskom sistemu.
2
ZAŠTITA ENERGETSKIH TRANSFORMATORA Energetski transformatori su najbrojnije elektriĉne mašine u elektroenergetskom sistemu. Zastupljeni su u elektranama, prenosnoj i distributivnoj mreţi. U transformatorima se, kao i u ostalim elektriĉnim mašinama, zbog oštećenja izolacije mogu javiti sledeći elektriĉni kvarovi: - meĊufazni kratak spoj, - fazni kratak spoj (unutar namotaja iste faze), - unutrašnji jednofazni kratak spoj i - tinjava praţnjenja u transformatoru. Pored kvarova transformator ugroţavaju i sledeći opasni pogonski uslovi: - spoljašnji kratki spojevi i - preopterećnja.
1. DIFERENCIJALNA ZAŠTITA TRANSFORMATORA Najĉešća zaštita energetskih transformatora je diferencijalna zaštita. Praktiĉno je obavezna za jedinice snage iznad 8MVA. Za manje jedinice se reĊe koristi zbog visoke cene. Diferencijalna zaštita štiti transformator od: - meĊufaznih kratkih spojeva, - faznih kratkih spojeva i - jednofaznih kratkih spojeva ako je zvezdište transformatora direktno uzemljeno.
1.1 SPECIFIĈNOSTI DIFERENCIJALNE ZAŠTITE TRANSFORMATORA
Diferencijalna zaštita transformatora je kompleksnija u odnosu na diferencijalnu zaštitu vodova i sinhronih generatora. Razlozi su sledeći: - Nominalne, pa i stvarne, struje primara i sekundara energetskog transformatora stoje u odnosu (
je skalarni prenosni odnos transformatora). Da bi struje koje
se dovode diferencijalnom releju u normalnim radnim reţimima bile po modelu jednake, 3
trebalo bi da odnos nominalnih struja glavnih strujnih transformatora bude . Kako su primarne struje strujnih transformatora standardizovane ovaj uslov praktiĉno nije moguće ispuniti. - Ako je sprega energetskog transformatora razliĉita od nisu u fazi.
, struje primara i sekundara
1.2 STRUJNI MEĐUTRANSFORMATORI DIFERENCIJALNE ZAŠTITE TRANSFORMATORA
Da bi se primenila diferencijalna zaštita na transformatoru, neophodno je izvršiti prilagoĊavanje sekundarnih struja glavnih strujnih transformatora pre njihovog uvoĊenja u diferencijalni relej. Ovo prilagoĊavanje vrši se pomoću pomoćnih strujnih transformatora (takozvanih strujnih meĊutransformatora). Strujni transformatori se u principu grade kao monofazne jedinice te se trofazni meĊutransformatori formiraju od tri monofazna transformatora. Ako je trofazni meĊutransformator sprege njegov prenosni odnos jednak je prenosnom odnosu monofaznog strujnog transformatora, što se u skladu sa oznakama sa slike 1. moţe izraziti na sledeći naĉin: .
Slika 1. Formiranje trofaznog strujnog meĊutransformatora: a) sprege monofazna strujna transformatora.
, b) sprege
od tri
Ako je trofazni meĊutransformator sprege , njegov prenosni odnos je za koren iz tri manji od prenosnog odnosa jednofaznog strujnog transformatora, što se prema oznakama sa slike 1. moţe izraziti na sledeći naĉin: √
√
.
U evropskim zemljama, osim u SSSR-u i Engleskoj, sekundari glavnih strujnih transformatora se iskljuĉivo spreţu u zvezdu. Da bi se omogućilo uzemljenje sekundarnih 4
kola glavnih strujnih transformatora i zatvaranje nulte komponente struje u sekundarnom kolu, primari strujnih meĊutransformatora se spreţu, takoĊe, u zvezdu. Pored usaglašavanja sekundarnih struja glavnih strujnih transformatora po modulu i fazi, strujni meĊutransformatori moraju da obave još jednu ulogu koja je vezana za pojavu nejednakih struja u napojnim vodovima energetskog transformatora, sprege Yd, pri jednofaznom kratkom spoju u mreţi. Ta situacija prikazana je na slici 2. Pretpostavljeno je da su prenosni odnosi energetskog transformatora, glavnih strujnih transformatora i strujnog meĊutransformatora (M) jednaki jedinici (radi lakše analize). Pri kvaru K struja sadrţi direktnu, inverznu i nultu komponentu. Nulta komponenta struje kvara ne moţe se preneti u mreţu vezanu za namotaj energetskog transformatora spregnut u trougao. Zbog toga je struja u napojnim vodovima trougla manja koren iz tri puta u odnosu na struju u napojnim vodovima zvezde. Pošto su sekundari glavnih strujnih transformatora uvek spregnuti u zvezdu, sekundarne struje glavnih strujnih transformatora će pri kvaru K koji je izvan transformatora biti razliĉite, što bi izazvalo nepotrebno reagovanje diferencijalnog releja. Da bi se sekundarne struje glavnih strujnih transformatora usaglasile, neophodno je da strujni meĊutransformator (M) bude sprege Yd ĉime se spreĉava prenošenje nulte komponente struje u diferencijalni relej i omogućava pravilan rad diferencijalnog releja.
Slika 2. Uloga strujnog meĊutransformatora pri jednofaznom kratkom spoju u mreţi koju napaja namotaj energetskog transformatora spregnut u zvezdu
1.3 ODREĐIVANJE SPREGE I PRENOSNOG ODNOSA STRUJNIH MEĐUTRANSFORMATORA Na slici 3. prikazana je diferencijalna zaštita energetskog tronamotajnog transformatora (najsloţeniji sluĉaj). Svi glavni strujni transformatori su sprege Yyo. 5
OdreĊivanje sprega strujnih meĊutransformatora Mp, Ms i Mt nije jednoznaĉno. Pri usvajanju tih sprega treba ispoštovati dva zahteva: - mora se spreĉiti prodor nulte komponente struje u diferencijalni relej i - fazni pomeraj struje na bilo kom prikljuĉku energetskog transformatora, recimo x, i struje diferencijalnog releja (taĉka y) mora biti isti, bez obzira po kome od svih mogućih puteva je vršeno svoĊenje.
Slika 3. Diferencijalna zaštita tronamotajnog transformatora
S obzirom na spregu energetskog transformatora sa slike 3. prvi uslov diktira da sprega strujnih meĊutransformatora Mp i Ms mora biti . Zbog toga sprega strujnog meĊutransformatora Ht mora biti , jer se inaĉe ne bi moglo postići da struje diferencijalnog releja budu u fazi. Spreţni broj meĊutransformatora Ht moţe biti bilo koji, ali je najjednostavnije usvojiti da bude 0. Posle ovog usvajanja spreţni brojevi meĊutransformatora Hp i Hs moraju biti 5 ( ). Tabela 1. Potrebne sprege strujnih meĊutransformatora u zavisnosti od sprege energetskog transformatora Energetski transformator Yy0 Yy6 Yd5 Yd11 Dd5 Dy11 Dd0 Dd6
Strujni meĊutransformatori Mp Ms Yd5 Yd5 Yd5 Yd11 Yd5 Yy0 Yd11 Yy0 Yy0 Yd7 Yy0 Yd1 Yy0 Yy0 Yy0 Yy6
6
Slika 4. Razliĉite mogućnosti sprezanja primarnih i sekundarnih namotaja radi dobijanja ţeljene sprege strujnih meĊutransformatora
U tabeli 1. prikazane su sistematski potrebne sprege meĊutransformatora u zavisnosti od sprege energetskog transformatora. Potrebna sprega trofaznog meĊutransformatora moţe se dobiti sprezanjem jednofaznih strujnih transformatora prema slici 4. Na slici 4 za sve sprege piikazan je samo jedan primarni namotaj ( ABC - K,L ) jer se primar strujnih meĊutransformatora uvek vezuje u zvezdu. Strelice usmerene s leva na desno daju spregu trofaznog meĊutransformatora u smeru PRIMAR-SEKUNDAR, dok strelice usmerene s desna na leva daju spregu u smeru SEKUNDAR-PRIMAR. MeĊutransformatori sprege Yyo nisu potrebni zbog usaglašavanja struja po fazi već po amplitudi. Nominalne struje energetskog transformatora se retko poklapaju sa nominalnim strujama glavnih strujnih transformatora (nominalne struje glavnih strujnih transformatora su uvek veće od nominalnih struja energetskog transformatora). Zbog toga bi pri nominalnom opterećenju energetskog transformatora kroz diferencijalni relej proticala struja manja od nominalne. Da bi se postigla maksimalna osetljivost diferencijalnog releja, traţi se da prenosni odnosi strujnih meĊutransformatora budu takvi da obezbede proticanje nominalne struje releja kroz relej pri nominalnom opterećenju energetskog transformatora. Ovo je razlog zbog koga su meĊutransformatori sprege Yyo u većini praktiĉnih sluĉajeva potrebni. Kod zaštite velikih energetskih transformatora strujni meĊutransformatori se koriste, ĉak i kada nisu potrebni za korekciju amplituda sekundarnih struja glavnih strujnih transformatora, da bi se obezbedilo poĊednako opterećenje glavnih strujnih transformatora instalisanih na razliĉitim naponskim nivoima i da bi se spreĉilo prenošenje jednosmerne komponente struje kvara na nivo releja. Pri odreĊivanju prenosnih odnosa strujnih meĊutransformatora polazi se od toga da su poznati , , transformatora, , tercijera i
,
- nominalne struje primara, sekundara i tercijera energetskog
- prenosni odnosi glavnih strujnih transformatora primara, sekundara i
7
- nominalana struja diferencijalnog releja. Pošto se traţi da pri nominalnoj struji energetskog transformatora kroz relej teĉe njegova nominalna struja, moraju biti zadovoljene sledeće relacije: ,
i
, (1.1)
Iz relacija (1.1) lako se dobijaju prenosni odnosi trofaznih meĊutransformatora primara, sekundara i tercijera energetskog transformatora: ,
i
(1.2, 3 i 4)
Kako su sekunadari meĊutransformatora Mp i Ms spregnuti u trougao, prenosni odnosi odgovarajućih jednofaznih meĊutransformatora su: √
i
√
.
Pošto je sekundar meĊutransformatora Mt spregnut u zvezdu, prenosni odnos odgovarajućih jednofaznih strujnih transformatora je . Postoje statiĉke varijante diferencijalnih releja koje ne zahtevaju strujne meĊutransformatore za usaglašavanje struja po modulu i fazi. Takvi releji se moraju podesiti za odgovarajuću spregu energetskog transformatora, odnosno za njih je sprega energetskog transformatora ulazni podatak. Na releju postoje preklopnici koji se stavljaju u odreĊeni poloţaj zavisno od sprege energetskog transformatora. Mikroprocesorski diferencijalni releji takoĊe ne zahtevaju strujne meĊutransformatore.
1.4 PODEŠAVANJE DIFERENCIJALNE ZAŠTITE TRANSFORMATORA Struje debalansa kod diferencijalnih zaštita transformatora su mnogo veće nego kod istih zaštita generatora i vodova. Razlozi za ovo su, uglavnom, struja magnećenja transformatora koja stvara razliku izmeĊu primarne i svedene sekundarne struje transformatora, i promenljiv prenosni odnos transformacije kod regulacionih transformatora koji takoĊe stvara struju debalansa jer su prenosni odnosi strujnih meĊutransformatora fiksni. Diferencijalne zaštite transformatora sa stalnim odnosom transformacije podešavaju se na oko 30% od nominalne struje transformatora. U praksi se pokazalo da se ovakvim podešavanjem izbegava laţno reagovanje releja zbog prisutnih struja debalansa. Kod zaštite regulacionih energetskih transformatora sa promenljivim odnosom transformacije, diferencijalna zaštita podešava se na oko 35 do 40% od nominalne struje transformatora, odnosno, ide se na nešto manju osetljivost zaštite. Ovakva osetljivost diferencijalne zaštite dovoljna je da obuhvati sve kvarove u transformatoru sa direktno uzemljenim zvezdištem. Ako je zvezdište uzemljeno preko niskoomske impedanse, kao što je prikazano na slici 5., 8
tako da je struja jednofaznog kratkog spoja u mreţi ograniĉena na 300 do 1000 A, diferencijalna zašita štiti samo manji deo namotaja transformatora od unutrašnjih jednofaznih kratkih spojeva. U takvim sluĉajevima potrebna je dopunska zaštita od unutrašnjih jednofaznih kratkih spojeva.
Slika 5. Jednofazni kratak spoj u transformatoru sa zvezdištem uzemljenim preko niskoomske iimpedanse
Kod elektromehaniĉkih diferencijalnih zaštita transformatora javljao se problem pri ukljuĉenju transformatora na mreţu, jer se tada javlja velika struja samo sa jedne strane transformatora. Ovaj problem je rešavan ubacivanjem vremenskog releja, odnosno, usporavanjem delovanja diferencijalne zaštite, ĉime je ona gubila svoju najvaţniju osobinu brzinu delovanja. Danas je ovaj problem potpuno prevaziĊen upotrebom diferencijalnih releja sa kolima za blokadu strujom drugog harmonika, koja se u struji ukljuĉenja transformatora sadrţi u velikom procentu ( do 60% ). Brzina reagovanja diferencijalnih zaštita energetskih transformatora treba da bude u opsegu od 20 do 40 ms, odnosno jedne do dve periode.
2. ZAŠTITA TRANSFORMATORA OD UNUTRAŠNJIH JEDNOFAZNIH KRATKIH SPOJEVA Kao što je već napomenuto, kod transformatora sa zvezdištem uzemljenim preko niskoomske impedanse, diferencijalna zaštita ne štiti ceo namotaj od unutrašnjih jednofaznih kratkih spojeva. U takvim sluĉajevima za zašitu od unutrašnjih jednofaznih kratkih spojeva koristi se takoĊe, diferencijalna zaštita, ali nulte komponente struje koja je prikazana na slici 6. Kod unutrašnjeg jednofaznog kratkog spoja K1, nultu komponentu struje registrovaće samo strujni transformator u zvezdištu energetskog transformatora i diferencijalni relej će reagovati. Pri spoljašnjem jednofaznom kratkom spoju K2, nultu komponentu struje registrovaće i strujni transformator u zvezdištu energetskog transformatora i filter nulte komponente struje instalisan na dovodnom vodu energetskog transformatora, te diferencijalni relej 1 neće biti pobuĊen, jer će razlika nultih komponenti struja koje se dovode diferencijalnom releju biti nula. Jasno je da struja koja se dobija iz filtra nulte komponente struje ima blokadno dejstvo na diferencijalni relej.
9
Slika 6. Zaštita transformatora od unutrašnjih jednofaznih kratkih spojeva
3. ZAŠTITA MALIH TRANSFORMATORA OD UNUTRAŠNJIH KRATKIH SPOJEVA Kod malih transformatora snage od 100 kVA do 4 MVA ekonomski se ne isplati korišćenje diferencijalne zaštite za zaštitu od unutrašnjih kratkih spojeva, jer se ovi transformatori u velikom broju koriste u distributivnoj mreţi.
3.1 BRZA PREKOSTRUJNA ZAŠTITA TRANSFORMATORA Za zaštitu od unutrašnjih meĊufaznih kvarova mali transformatori se štite brzom prekostrujnom zaštitom koja je prikazana na slici 7. Brzi prekostrujni relej 1 podešava se tako da reaguje pri kvarovima K1 , K2 i K3 , dok pri kvarovima K4 u niţenaponskoj mreţi, ne treba da reaguje. Jasno je da postoji izvesna mrtva zona za unutrašnje kvarove koji su blizu niţenaponskih prikljuĉaka transformatora koja se ne moţe izbeći ako se ţeli oĉuvati selektivnost. Da bi se postigla veća osetljivost zaštite koristi se trofazna brza prekostrujna zaštita bez obzira na to da li je zvezdište transformatora uzemljeno ili je izolovano.
Slika 7. Brza prekostrujna zaštita transformatora
10
3.2 KUĆIŠNA ZAŠTITA TRANSFORMATORA Za zaštitu transformatora od unutrašnjih jednofaznih kratkih spojeva koristi se takozvana kućišna zaštita, koja je prikazana na slici 8. Ova zaštita je razvijena za manje transformatore. MeĊutim, kako se pokazala kao vrlo dobra primenjuje se i za zaštitu najvećih transformatora. Da bi se ova zaštita mogla primeniti potrebno je da transformatorski sud, ili kućište, bude uzemljeno samo u jednoj taĉki, odnosno samo preko jednog provodnika u koji se instališe jednofazni strujni transformator i prekostrujni relej. Pri jednofaznim kvarovima K3 i K4, van transformatora, kroz kućlište transformatora i njegovo zemljovodno uţe ne protiĉe struja i prekostrujni relej 1 neće reagovati. Pri jednofaznim kratkim spojevima K1 i K2, unutar transformatora, struja kvara će teći kroz zemljovodno uţe transformatorskog suda i prekostrujni relej 1 će reagovati.
Slika 8. Kućišna zaštita transformatora
4. GASNA ILI BUHOLC ZAŠTITA TRANSFORMATORA Gasna ili Buholc zaštita je najstarija varijanta zaštite energetskih transformatora. Prikazana je na slici 9. Bazira se na razvijanju gasova pri pojavi elektriĉnog luka u transformatorskom sudu. Dobra osobina ove zaštite je njeno kumulativno dejstvo, kojim moţe da otkrije male kvarove u transformatoru koji mogu trajati duţe vreme. Zaštita je veoma jednostavna i sastoji se od komore sa dva ţivina kontakta sa plovcima koja se montira izmeĊu transformatorskog suda i uljnog konzervatora. Gornji kontakt reaguje i sluţi za alarmiranje kada se u komori skupi dovoljna koliĉina gasa. Ovaj kontakt ima kumulativno dejstvo. Donji kontakt reaguje pri teţim kvarovima u transformatoru kada jaka struja ulja, koje potiskivano gasovima razvijenim u transformatorskom sudu krene u konzervator, obori donji plovak. Ovaj kontakt deluje na iskljuĉenje transformatora bez vremenskog kašnjenja. Brzina delovanja Buholc zaštite pri teţim kvarovima u transformatoru moţe biti veoma velika i istog reda veliĉine kao kod diferencijalne zaštite. Buholc zaštita je obavezna na svim transformatorima bez obzira na snagu. To je jedina zaštita koja se ugraĊuje još u fabrici, odnosno, transformator se isporuĉuje sa ugraĊenom Buholc zaštitom. 11
Slika 8. Buholc zaštita transformatora
5. ZAŠTITA TRANSFORMATORA OD KRATKIH SPOJEVA U MREŽI Kratki spojevi u mreţi za energetski transformator su opasna radna stanja. Za zaštitu od spoljašnjih kratkih spojeva koristi se TROFAZNA prekostrujna zaštita sa definisanim vremenom reagovanja, bez obzira na naĉin uzemljenja zvezdišta transformatora. Ako je zvezdište transformatora uzemljeno preko niskoomske impedanse, mora se koristiti prekostrujni relej sa kanalom za nultu komponentu struje. Kod vremenskog stepenovanja prekostrujne zaštite transformatora mora se voditi raĉuna o maksimalnim dozvoljenim vremenima trajanja kratkih spojeva na prikljuĉcima transformatora. Ta vremena data su u tabeli 2. i bitno zavise od procentualnog napona kratkog spoja transformatora. Tabela 2. ustvari daje dozvoljeno vreme trajanja struje: .
3,5 4 5 6 7 8 9 10 t(s) 1,4 1,8 2,8 4 5,5 7,2 9 11 Tabela 2. Dozvoljeno vreme trajanja kratkog spoja energetskog transformatora u funkciji napona kratkog spoja
Prekostrujna zaštita transformatora mora biti vremenski usaglašena sa prekostrujnim zaštitama vodova u mreţi koju transformator napaja. Zbog toga je prekostrujna zaštita transformatora relativno spora. Kod velikih transformatora za zaštitu od spoljašnjih kratkih spojeva moţe se upotrebiti distantna zaštita. Moguća je varijanta sa dva distantna releja inatalisana na razliĉitim naponskim nivoima, kako je prikazano na slici 10a. Prvi stepeni distantnih releja 1 i 3 podešeni su tako da štite oko 85% reaktanse transformatora. Drugi stepeni istih releja štite ostatak reaktanse transformatora i rezerva su prvim stepenima 12
distantnih zaštita vodova (2 i 4). Na ovaj naĉin distantni releji 1 i 3 su dobra rezerva diferencijalnoj zaštiti transformatora, jer štite transformator od većine unutrašnjih kvarova u prvom stepenu, dok u drugom stepenu štite transformator od kratkih spojeva u mreţi. Ta zaštita je relativno brza jer se drugi stepen distantnih zaštita vremenski usporava najviše do 0,2 s.
Slika 10. Primena distantnih zaštita za zaštitu transformatora od spoljašnjih kratkih spojeva
Moguća je i varijanta, prikazana na slici 10b, sa jednim distantnim relejom. U ovom sluĉaju prvi stepen distantnog releja 1, koji sluţi za zaštitu transformatora, podešava se tako da štiti oko 85% reaktanse transformatora. Drugi stepen je usmeren na suprotnu stranu i doseg mu je takav da se ne meša sa drugim stepenom distantnog releja 3. Treći stepen releja 1 usmeren je kao i prvi i doseg mu je takav da se ne meša sa drugim stepenom releja 2. Vremensko kašnjenje drugog i trećeg stepena releja 1 je isto i podešava se na vrednost karakteristiĉnu za druge stepene distantnih zaštita vodova. I u ovom sluĉaju distantna zaštita transformatora ima dvojaku ulogu. Ujedno je rezervna zaštita diferencijalnoj zaštiti transformatora i sluţi za zaštitu transformatora od spoljašnjih kratkih spojeva. Treba napomenuti da distantni releji za zaštitu transformatora ĉesto imaju još jednu ulogu, a to je njihovo uĉešće u zaštiti sabirnica na koje je transformator prikljuĉen.
6. ZAŠTITA TRANSFORMATORA OD PREOPTEREĆENJA Za razliku od sinhronih generatora transformatori lakše mogu doţiveti preopterećenje. Preopterećenje transformatora najĉešće nastaje zbog ispada drugih transformatora ili zbog ispada vodova. Ni jedan propis ili preporuka ne ograniĉava preopterećenje transformatora. MeĊutim, ograniĉava se trajanje preopterećenja do trenutka u kome namotaj transformatora dostiţe maksimalno dozvoljenu temperaturu. Maksimalno dozvoljena temperatura namotaja transformatora nije oštro ograniĉena, već zavisi od vrste izolacije i od ekonomski opravdanog veka trajanja transformatora (kod nas oko 26 godina). Razni standardi, odnosno preporuke, kao to su IEC , JUS , VDE i drugi malo se razlikuju u pogledu maksimalne temperature rashladnog sredstva i maksimalne dozvoljene nadtemperature pojedinih delova transformatora. 13
- Svi propisi i preporuke pretpostavljaju temperaturu rashladnog vazduha (Θa) od 35 do 40°C. - Ako je rashladni medijum voda, svi propisi pretpostavljaju da joj je temperatura 25°C. - Svi propisi definišu maksimalnu dozvoljenu nadtemperaturu namotaja, sa klasom izolacije A, zaronjenog u ulje, u opsegu od 55 do 70°C . To znaĉi da maksimalna temperatura namotaja, po propisima, moţe da se kreće u opsegu od 90 do 110°C. - Svi propisi definišu maksimalnu dozvoljenu nadtemperaturu ulja u opsegu od 55 do 60°C, tako da temperatura ulja moţe da bude od 90 do 100 °C. Transformator nije homogeno telo. Energija gubitaka stvara se u namotaju i gvozdenom jezgru transformatora. Zbog toga je namotaj najtopliji deo transformatora. Na slici 11. prikazane su krive porasta temperature namotaja i ulja za transformator, sa opsezima maksimalno dozvoljenih temperatura ambijenta, ulja i namotaja transformatora. Strogo gledano, vremenske konstante zagrevanja namotaja i ulja nisu iste. Ova razlika je izraţenija kod velikih preopterećenja transformatora, jer se tada namotaj znatno brţe zagreva od ulja. Kod preopterećenja transformatora u opsegu od
transformator se moţe posmatrati kao homogeno telo sa jednom vremenskom konstantom zagrevanja. Veća preopterećenja od 2 r.j. zalaze u zonu kratkih spojeva pa ih eliminišu zaštite od kratkih spojeva.
Slika 11. Krive porasta temaperature ulja (1) i namotaja (2) pri nominalnom opterećenju transformatora sa maksimalnim dozvoljenim temperaturama ambijenta, ulja i namotaja
Kod analize zagrevanja transformatora moţe se poći od maksimalne dozvoljene nadtemperature ulja. 14
Slika 12. Krva zagrevanja transformatora
Na slici 12. prikazana je kriva zagrevanja transformatora. U trenutku tp - trenutak nastanka preopterećenja; Δt - dozvoljeno trajanje preopterećenja. t=0 transformator je ukljuĉen i opterećen snagom manjom od nominalne. Sa tom snagom je radio relativno dugo tako da je dostigao stacionarnu temperaturu Θo, koja je viša od temperature ambijenta, ali je manja od maksimalne dozvoljene temperature ulja. U trenutku tp transformator biva preopterećen. Kada bi sa takvim preopterećenjem radio dugo, dostigao bi neku maksimalnu temperaturu Θmax koja bi bila veća od maksimalne dozvoljene temperature ulja. Zbog toga sa takvim preopterećenjem transformator moţe da radi ograniĉeno vreme Δt, posle koga mora biti iskljuĉen ili rasterećen. Na osnovu slike 12. i oznaka sa nje moţemo napisati sledeću relaciju: , odakle se lako dobija relacija za dozvoljeno trajanje preopterećenja (1.5) Priraštaji temperatura u (1.5) su: ,
i
,
(1.6)
- površina i koeficijent odvoĊenja toplote Zamenom relacija (1.6) u (1.5) dobija se ,
gde su
( ) i
( )
(1.7)
Na primer, ako je transformator opterećen sa 50% od svoje nominalne snage ako opterećenje naglo skoĉi na 150% od nominalnog, transformator sa termiĉkom vremenskom konstantom od T = 60 minuta će sa takvim preopterećenjem moći da radi
15
. Za zaštitu transformatora od preopterećenja, u principu, mogao bi se koristiti termiĉki relej sa vremenskom konstantom jednakom termiĉkoj vremenskoj konstanti transformatora. MeĊutim, nedostatak ovakvog releja je u tome što on ne vodi raĉuna o uslovima hlaĊenja transformatora. Uslovi hlaĊenja transformatora su promenljivi jer se transformatori uglavnom instališu na otvorenom prostoru. Sa promenom godišnjih doba menja se srednja vrednost temperature, a time i mogućnost preopterećenja transformatora. Ovaj nedostatak obiĉnog termiĉkog releja prevazilazi se upotrebom termiĉkog releja kompenzovanog temperaturom ulja na najtoplijem mestu u transformatorskom sudu. Ovakva zaštita naziva se u ţargonu inţenjera koji se bave zaštitom "termiĉkom slikom" transformatora. Termiĉka slika, odnosno zaštita transformatora od preopterećenja, prikazana je na slici 13. Sastoji se od dva prekostrujna releja 1 i 2 i termiĉkog releja 3 sa mernom sondom. Merna sonda ima otpornost zavisnu od temperature. Najĉešće se koristi otpornik od legure platine ĉija je zavisnost otpornosti od temperature data u tabeli 3.
Θ (°C) 0 20 40 60 R (oma) 100 108 115 123 Tabela 3. Zavisnost otpornosti sonde od temperature
80 131
100 138
120 146
Slika 13. Termiĉka slika transformatora 1 - prekostrujni relej za velike struje (I >>) podešen na 1,9 I n; 2 - prekostrujni relej za male struje (I >) podešen na 1,05 In; 3 - termiĉki relej sa otporniĉkom sondom; a - iskljuĉenje zbog velike struje; b signalizacija velike struje; c - signalizacija male prekostruje; d - ukljuĉenje ventilatora; e - signaliazcija povišene temperature; f - iskljuĉenje zbog prevelike temperature.
Sonda termiĉkog releja uronjena je u sud transformatora na mestu gde je ulje najtoplije. Na tome mestu ulje se dodatno dogreva grejaĉem kroz koji protiĉe preslikana struja 16
transformatora. Na taj naĉin na mestu ugradnje sonde simulira se temperatura namotaja transformatora, a istovremeno, obuhvata se uticaj spoljašnje temperature na temperaturu namotaja transformatora. Termiĉki relej obiĉno ima više stepeni. Prvi stepen (kontakti d) sluţi za ukljuĉenje ventilatora za dodatno pojaĉanje hlaĊenja. Drugi stepen (kontakti e) sluţi za alarmiranje, dok treći stepen (kontakti f) sluţi za iskljuĉenje transformatora. Termiĉkoj sondi, odnosno termiĉkom releju, treba odreĊeno vreme da se ohladi i omogući ponovno ukljuĉenje transformatora nakon reagovanja termiĉkog releja. Ovo je mana termiĉkog releja jer se u praksi traţi da se transformator ukljuĉi odmah nakon smanjivanja opterećenja na nivo nominalnog ili manjeg od nominalnog. Da bi se ova mana prevazišla, kontakti termiĉkog releja se vezuju preko kontakata prekostrujnog releja tako da je iskljuĉenje transformatora zbog previsoke temperature uslovljeno reagovanjem prekostrujnog releja 2. Kada se opterećenje transformatora smanji na nominalno ili manje od nominalnog prekostrujni relej 2 blokira termiĉki relej i omogućava da se transformator ukljuĉi na mreţu, bez obzira što termiĉki relej još uvek daje signal za iskljuĉenje. Za razliku od termiĉkih releja ĉiji se rad zasniva samo na merenju struje, kod termiĉke slike transformatora ne vrši se modelovanje vremenske konstante zagrevanja štićenog objekta, već se direktno meri temperatura štićenog transformatora. Ovim se eliminiše nekorektan rad releja zbog nepodudarnosti vremenske konstante zagrevanja releja i štićenog transformatora.
17
ZAKLJUČAK Projektovanje diferencijalne zaštite energetskih transformatora predstavlja sloţen zadatak koji iziskuje punu odgovornost imajući u vidu znaĉaj energetskog transformatora unutar elektroenergetskog sistema. Retroaktivni pogled na razvoj releja nam govori da je svaka nova generacija donela svojevrsne inovacije u realizaciji. Pojednostavljenje izvoĊenja, omogućavanje fleksibilnosti, povećanje brzina djelovanja i pouzdanosti te opadanje cena, neke su od prednosti savremenih instalacija. S tim u vezi pojedini korisnici se odluĉuju na korišćenje više ureĊaja od razliĉitih proizvoĊaĉa u svrhu još većeg povećanja pouzdanosti. Numeriĉki releji se danas nalaze u svim prodajnim katalozima, to su trenutno opšte prihvaćeni releji. Postizanje sigurnog rada zavisi i od uĉestalosti i kvalitete testiranja te odrţavanja diferencijalnih zaštita koje se mora sprovoditi u definisanim intervalima. Ukoliko, bez obzira na veliki stepen sigurnosti i pouzdanosti ovih releja, ipak doĊe do zatajenja pri štićenju velikih energetskih transformatora, na njima će reagovati protivpoţarna zaštita koja takoĊe treba biti instalisana. Nakon iskljuĉivanja energetskog transformatora s mreţe ne sme se dopustiti ponovno ukljuĉenje dok se ne utvrdi razlog zbog kojeg je došlo do iskljuĉenja. Izazov vredan paţnje jeste korišćenje nove tehnologije optiĉkih strujnih senzora, koji bi u dogledno vreme trebali da preuzmu dominantnu ulogu koju još uvek imaju strujni transformatori, s obzirom na niz znaĉajnih prednosti koje pruţaju u odnosu na njih.
18
LITERATURA 1. Franjo Boţuta: Automatski zaštitni ureĊaji elektroenergetskih postrojenja, "Svjetlost", Sarajevo, 1987. 2. F. Boţuta, M. Golubović, A. Ogorelec, S. Panić, Z. Pašić, P. Vujović i Ţ. Zlatar: Aspekti zaštite elektroenergetskog postrojenja, "Svjetlost", Sarajevo, 1988. 3. Ivan Kukoviĉ: Zaštita od otkazivanja rada prekidaĉa, Referat br.344.09, XIII savjetovanje JUHO CIGRE, Bled, 1977. 4. N. Chernobrovov: Protective Relaying, Mir Publishers - Moscow, 1974. 5. T. S. Madhava Rao: Power System Protection - Static Relays, "Tata McGraw - Hill Publishing Co. Limited", 1979.
19
