Alles über Transformatorschutz und Transformatorschutzschaltungen

Transformatoren sind eine der kritischsten und teuersten Komponenten eines Verteilungssystems. Es handelt sich um ein geschlossenes statisches Gerät, das normalerweise in Öl getränkt ist, und daher sind die daran auftretenden Fehler begrenzt. Die Auswirkung eines seltenen Fehlers kann jedoch für den Transformator sehr gefährlich sein, und die lange Vorlaufzeit für die Reparatur und den Austausch von Transformatoren macht die Sache noch schlimmer. Daher wird der Schutz von Leistungstransformatoren sehr wichtig.

An einem Transformator auftretende Fehler werden hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: externe Fehler und interne Fehler. Um eine Gefahr für den Transformator zu vermeiden, wird ein externer Fehler durch ein komplexes Relaissystem innerhalb kürzester Zeit behoben. Die internen Fehler basieren hauptsächlich auf Sensoren und Messsystemen. Wir werden weiter auf diese Prozesse im Artikel eingehen. Bevor wir dort ankommen, ist es wichtig zu verstehen, dass es viele Arten von Transformatoren gibt. In diesem Artikel werden wir hauptsächlich über Leistungstransformatoren sprechen, die in Verteilungssystemen verwendet werden. Sie können auch die Funktionsweise von Leistungstransformatoren kennenlernen, um die Grundlagen zu verstehen.

Grundlegende Schutzfunktionen wie Übererregungsschutz und temperaturbasierter Schutz können Bedingungen erkennen, die schließlich zu einem Ausfall führen. Für Transformatoren in kritischen Anwendungen ist jedoch ein vollständiger Transformatorschutz durch Relais und Stromwandler geeignet.

In diesem Artikel werden wir daher über die gängigsten Prinzipien sprechen, die zum Schutz von Transformatoren vor katastrophalen Ausfällen verwendet werden.

Transformatorschutz für verschiedene Transformatortypen

Das für einen Leistungstransformator verwendete Schutzsystem hängt von den Kategorien des Transformators ab. Eine Tabelle unten zeigt, dass,

Kategorie	Transformatorleistung - KVA
1 Phase	3 Phase
ich	5 - 500	15 - 500
II	501 - 1667	501 - 5000
III	1668 - 10.000	5001 - 30.000
IV	> 10.000	> 30.000

• Transformatoren im Bereich von 500 kVA fallen unter (Kategorie I und II), daher werden diese durch Sicherungen geschützt, aber zum Schutz von Transformatoren bis 1000 kVA (Verteilungstransformatoren für 11 kV und 33 kV) werden normalerweise Mittelspannungs-Leistungsschalter verwendet.
• Für Transformatoren ab 10 MVA, die unter (Kategorie III und IV) fallen, mussten Differentialrelais verwendet werden, um sie zu schützen.

Zusätzlich werden mechanische Relais wie Buchholtz-Relais und plötzliche Druckrelais häufig zum Schutz von Transformatoren eingesetzt. Zusätzlich zu diesen Relais wird häufig ein thermischer Überlastschutz implementiert, um die Lebensdauer eines Transformators zu verlängern, anstatt Fehler zu erkennen.

Gängige Arten des Transformatorschutzes

1. Überhitzungsschutz
2. Überstromschutz
3. Differentialschutz des Transformators
4. Erdschlussschutz (eingeschränkt)
5. Relais Buchholz (Gasdetektion)
6. Überflussschutz

Überhitzungsschutz in Transformatoren

Transformatoren überhitzen sich aufgrund von Überlastungen und Kurzschlussbedingungen. Die zulässige Überlast und die entsprechende Dauer hängen vom Transformatortyp und der für den Transformator verwendeten Isolationsklasse ab.

Höhere Lasten können für eine sehr kurze Zeit aufrechterhalten werden, wenn es sehr lange dauert, kann es die Isolierung aufgrund eines Temperaturanstiegs über eine angenommene Maximaltemperatur beschädigen . Die Temperatur im ölgekühlten Transformator wird als maximal angesehen, wenn sie 95 ° C beträgt, ab der die Lebenserwartung des Transformators abnimmt und sich nachteilig auf die Isolierung des Drahtes auswirkt. Deshalb ist ein Überhitzungsschutz unerlässlich.

Große Transformatoren haben Öl- oder Wicklungstemperatur - Erfassungsvorrichtungen, die Maßnahme Öl oder Wicklungstemperatur, in der Regel gibt es zwei Möglichkeiten der Messung wird eine genannte Hot-Spot - Messung und die zweite bezeichnet wird als Top-Öl - Messung, die unten Bild zeigt eine typische Thermometer mit einem Temperaturregler von Reinhausen zur Messung der Temperatur eines flüssigkeitsisolierten konservativen Transformatortyps.

Die Box verfügt über eine Messuhr, die die Temperatur des Transformators anzeigt (dh die schwarze Nadel), und die rote Nadel zeigt den Alarmsollwert an. Wenn die schwarze Nadel die rote Nadel überschreitet, aktiviert das Gerät einen Alarm.

Wenn wir nach unten schauen, sehen wir vier Pfeile, mit denen wir das Gerät so konfigurieren können, dass es als Alarm oder Auslöser fungiert, oder sie können zum Starten oder Stoppen von Pumpen oder Lüftern verwendet werden.

Wie Sie auf dem Bild sehen können, ist das Thermometer oben am Transformatorbehälter über dem Kern und der Wicklung angebracht. Dies geschieht, weil die höchste Temperatur aufgrund des Kerns und der Wicklungen in der Mitte des Tanks liegt. Diese Temperatur wird als obere Öltemperatur bezeichnet. Diese Temperatur gibt uns eine Schätzung der Hot-Spot-Temperatur des Transformatorkerns. Heutige Glasfaserkabel werden in der Niederspannungswicklung verwendet, um die Temperatur des Transformators genau zu messen. So wird ein Überhitzungsschutz implementiert.

Überstromschutz im Transformator

Das Überstromschutzsystem ist eines der frühesten entwickelten Schutzsysteme auf dem Markt. Das abgestufte Überstromsystem wurde entwickelt, um Überstrombedingungen vorzubeugen. Stromverteiler verwenden diese Methode, um Fehler mithilfe der IDMT-Relais zu erkennen. das heißt, die Relais haben:

1. Inverse Charakteristik und
2. Mindestbetriebszeit.

Die Funktionen des IDMT-Relais sind eingeschränkt. Diese Arten von Relais müssen auf 150% bis 200% des maximalen Nennstroms eingestellt werden, andernfalls arbeiten die Relais für Notüberlastbedingungen. Daher bieten diese Relais einen geringen Schutz für Fehler im Transformatorbehälter.

Differentialschutz des Transformators

Der prozentual vorgespannte Stromdifferentialschutz wird zum Schutz von Leistungstransformatoren verwendet und ist eines der am häufigsten verwendeten Transformatorschutzschemata, die den besten Gesamtschutz bieten. Diese Schutzarten werden für Transformatoren mit einer Nennleistung von mehr als 2 MVA verwendet.

Der Transformator ist auf der einen Seite sternförmig und auf der anderen Seite dreieckgeschaltet. Die Stromwandler auf der Sternseite sind mit dem Dreieck verbunden, und die Stromwandler auf der Seite mit dem Dreieck sind mit dem Stern verbunden. Der Neutralleiter beider Transformatoren ist geerdet.

Der Transformator hat zwei Spulen, eine ist die Betriebsspule und die andere ist die Rückhaltespule. Wie der Name schon sagt, wird die Rückhaltespule verwendet, um die Rückhaltekraft zu erzeugen, und die Betriebsspule wird verwendet, um die Betriebskraft zu erzeugen. Die Rückhaltespule ist mit der Sekundärwicklung der Stromwandler verbunden, und die Betriebsspule ist zwischen dem Äquipotentialpunkt des Stromwandlers angeschlossen.

Transformator Differentialschutz Funktionieren:

Normalerweise führt die Betriebsspule keinen Strom, da der Strom auf beiden Seiten der Leistungstransformatoren angepasst wird. Wenn ein interner Fehler in den Wicklungen auftritt, wird das Gleichgewicht geändert und die Betriebsspulen des Differentialrelais beginnen, Differenzstrom zwischen den beiden Seiten zu erzeugen des Transformators. Somit löst das Relais die Leistungsschalter aus und schützt den Haupttransformator.

Eingeschränkter Erdschlussschutz

Ein sehr hoher Fehlerstrom kann fließen, wenn ein Fehler an der Transformatorbuchse auftritt. In diesem Fall muss der Fehler so schnell wie möglich behoben werden. Die Reichweite eines bestimmten Schutzgeräts sollte nur auf die Zone des Transformators beschränkt sein. Wenn also ein Erdschluss an einem anderen Ort auftritt, sollte das für diese Zone zugewiesene Relais ausgelöst werden und andere Relais sollten gleich bleiben. Aus diesem Grund wird das Relais als Restricted Earth Fault Protection Relay bezeichnet.

In der obigen Abbildung befindet sich die Schutzausrüstung auf der geschützten Seite des Transformators. Nehmen wir an, dies ist die Primärseite, und nehmen wir auch an, dass auf der Sekundärseite des Transformators ein Erdschluss vorliegt. Wenn nun aufgrund des Erdschlusses ein Fehler auf der Erdungsseite vorliegt, ist eine Nullsequenzkomponente vorhanden, die nur auf der Sekundärseite zirkuliert. Und es wird nicht auf der Primärseite des Transformators reflektiert.

Dieses Relais hat drei Phasen. Wenn ein Fehler auftritt, hat es drei Komponenten, die positiven Sequenzkomponenten, die negativen Sequenzkomponenten und die Nullsequenzkomponenten. Da die Komponenten der positiven Pailletten um 120 * verschoben sind, fließt zu jedem Zeitpunkt die Summe aller Ströme durch das Schutzrelais. Die Summe ihrer Ströme ist also gleich Null, da sie um 120 * verschoben sind. Ähnliches gilt für die negativen Sequenzkomponenten.

Nehmen wir nun an, dass ein Fehlerzustand vorliegt. Dieser Fehler wird von den Stromwandlern erkannt, da sie eine Nullsequenzkomponente haben und der Strom durch das Schutzrelais fließt. In diesem Fall löst das Relais aus und schützt den Transformator.

Relais Buchholz (Gasdetektion)

Das obige Bild zeigt ein Buchholz-Relais. Das Buchholtz-Relais ist zwischen der Haupttransformatoreinheit und dem Konservatorbehälter eingebaut. Wenn ein Fehler im Transformator auftritt, erkennt es das aufgelöste Gas mit Hilfe eines Schwimmerschalters.

Wenn Sie genau hinschauen, sehen Sie einen Pfeil. Das Gas strömt vom Haupttank zum Konservatorbehälter. Normalerweise sollte sich kein Gas im Transformator selbst befinden. Der größte Teil des Gases wird als gelöstes Gas bezeichnet, und je nach Fehlerzustand können neun verschiedene Arten von Gasen erzeugt werden. Oben an diesem Relais befinden sich zwei Ventile. Diese Ventile dienen zur Reduzierung der Gasansammlung und zur Entnahme einer Gasprobe.

Wenn ein Fehlerzustand auftritt, haben wir Funken zwischen den Wicklungen oder zwischen den Wicklungen und dem Kern. Diese kleinen elektrischen Entladungen in den Wicklungen erwärmen das Isolieröl und das Öl zerfällt, wodurch Gase entstehen. Die Schwere des Durchschlags erkennt, welche Gläser entstehen.

Bei einer großen Energieentladung wird Acetylen produziert, und wie Sie vielleicht wissen, benötigt Acetylen viel Energie, um produziert zu werden. Und Sie sollten immer daran denken, dass bei jeder Art von Fehler Gase entstehen. Durch die Analyse der Gasmenge können wir die Schwere des Fehlers ermitteln.

Wie funktioniert das Buchholz-Relais?

Wie Sie auf dem Bild sehen können, haben wir zwei Schwimmer: einen oberen und einen unteren Schwimmer. Außerdem haben wir eine Prallplatte, die den unteren Schwimmer nach unten drückt.

Wenn ein großer elektrischer Fehler auftritt, wird viel Gas erzeugt, als das Gas durch das Rohr strömt, wodurch die Prallplatte verschoben wird und der untere nach unten geschwommen wird. Jetzt haben wir eine Kombination, der obere Schwimmer ist oben und der untere Schwimmer ist nach unten und die Prallplatte ist gekippt. Diese Kombination zeigt an, dass ein massiver Fehler aufgetreten ist. Dadurch wird der Transformator abgeschaltet und es wird ein Alarm ausgelöst. Das Bild unten zeigt genau das,

Dies ist jedoch nicht das einzige Szenario, in dem dieses Relais nützlich sein kann. Stellen Sie sich eine Situation vor, in der im Inneren des Transformators eine geringfügige Arckierung auftritt. Diese Archen produzieren eine kleine Menge Gas. Dieses Gas erzeugt einen Druck im Relais und im Relais Der obere Schwimmer wird heruntergefahren und verdrängt das darin enthaltene Öl. Jetzt erzeugt das Relais in dieser Situation einen Alarm. Der obere Schwimmer ist ausgefallen, der untere Schwimmer ist unverändert und die Prallplatte ist unverändert, wenn diese Konfiguration erkannt wird. Wir können sicher sein, dass dies der Fall ist eine langsame Ansammlung von Gas. Das Bild unten zeigt genau das,

Jetzt wissen wir, dass wir einen Fehler haben, und wir werden einen Teil des Gases mit dem Ventil über dem Relais ablassen und das Gas analysieren, um den genauen Grund für diese Gasansammlung herauszufinden.

Dieses Relais kann auch Zustände erkennen, bei denen der Isolierölstand aufgrund von Undichtigkeiten im Transformatorgehäuse abfällt. In diesem Zustand fällt der obere Schwimmer ab, der untere Schwimmer fällt ab und die Prallplatte bleibt in derselben Position. In diesem Zustand erhalten wir einen anderen Alarm. Das folgende Bild zeigt die Arbeitsweise.

Mit diesen drei Methoden erkennt das Buchholz-Relais Fehler.

Überflussschutz

Ein Transformator ist so ausgelegt, dass er bei einem festen Flussniveau arbeitet, das dieses Flussniveau überschreitet, und der Kern wird gesättigt. Die Sättigung des Kerns bewirkt eine Erwärmung des Kerns, die schnell durch die anderen Teile des Transformators folgt und zu einer Überhitzung der Komponenten führt, also zu einer Überhitzung Flussmittelschutz wird notwendig, da er den Transformatorkern schützt. Überflusssituationen können aufgrund von Überspannung oder einer Verringerung der Systemfrequenz auftreten.

Um den Transformator vor Überfluss zu schützen, wird das Überflussrelais verwendet. Das Überflussrelais misst das Verhältnis von Spannung / Frequenz, um die Flussdichte im Kern zu berechnen. Ein schneller Anstieg der Spannung aufgrund von Transienten im Stromnetz kann zu einem Überfluss führen, aber Transienten klingen schnell ab, daher ist die sofortige Auslösung des Transformators unerwünscht.

Die Flussdichte ist direkt proportional zum Verhältnis von Spannung zu Frequenz (V / f) und das Instrument sollte das Verhältnis erfassen, wenn der Wert dieses Verhältnisses größer als Eins wird. Dies erfolgt durch ein Relais auf Mikrocontrollerbasis, das die Spannung und misst die Frequenz in Echtzeit, dann berechnet es die Rate und vergleicht sie mit den vorberechneten Werten. Das Relais ist für eine inverse bestimmte Mindestzeit (IDMT-Eigenschaften) programmiert. Die Einstellung kann jedoch manuell vorgenommen werden, wenn dies erforderlich ist. Auf diese Weise wird der Zweck erfüllt, ohne den Überflussschutz zu beeinträchtigen. Jetzt sehen wir, wie wichtig es ist, zu verhindern, dass die Auslösung des Transformators überläuft.

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