Protectia transformatoarelor si autotransformatoarelor din sistemele electroenergetice

PROTECTIA TRANSFORMATOARELOR SI AUTOTRANSFORMATOARELOR DIN SISTEMELE ELECTROENERGETICE

1. Introducere

Protectia prin relee a transformatoarelor si autotransformatoarelor trebuie realizata cu considerarea particularitatilor grupei si schemei de conexiuni a acestora din statia in care acestea sunt instalate.

Pentru transformatoare si autotransformatoare se prevad protectii impotriva defectelor (interne si externe) si regimurilor anormale de functionare.

Principalele defecte interne sunt: scurtcircuitele polifazate, scurtcircuitele monofazate in cazul retelelor cu neutrul legat direct la pamant, puneri la pamant monofazate in cazul retelelor cu neutrul izolat sau compensat.

Dintre defectele externe ce pot aparea in functionarea unui transformator putem enumera: scurtcircuitele polifazate pe barele transformatorului sau pe linie, scurtcircuitele monofazate si respectiv puneri la pamant.

Regimurile anormale ale transformatoarelor si autotransformatoarelor sunt cele in care au loc supraintensitati provocate de scurtcircuite exterioare indepartate sau de suprasarcini. Tot regim anormal este considerat faptul ca s-a produs scaderea nivelului de ulei in cuva.

In general, zona protejata este portiunea cuprinsa intre intrerupatoarele care leaga transformatorul sau autotransformatorul de sistem, incluzand si conductoarele de legatura. Transformatoarele si autotransformatoarele fiind obiecte cu putere unitara mare, instalarea protectiilor se face conform unor normative severe. Se vor prevedea urmatoarele tipuri de protectii:

protectia diferentiala longitudinala, impotriva defectelor interne;

sectionarea de curent, pentru defecte interne si puteri unitare mici (S<1000[kVA]);

protectia cu relee de gaze, pentru defecte interne si puteri S>1000[kVA]

protectia maximala de curent, cu sau fara blocaj de tensiune minima, impotriva supraintensitatilor provocate de scurtcircuite externe;

protectii de distanta, pentru transformatoare cu S>200[MVA], sau cand protectiile maximale de curent nu sunt suficient de sensibile;

protectii maximale de curent,impotriva suprasarcinilor.

Sunt prezentate in continuare principiile de realizare a principalelor tipuri de protectii si unele particularitati ale acestora legate de constructia si functionarea transformatoarelor si autotransformatoarelor.

Protectia diferentiala longitudinala a transformatoarelor (TR) si autotransformatoarelor (ATR)

Principiul de realizare a protectiei diferentiale longitudinale PDL la TR si ATR este acelasi ca si la generatoare, existand insa unele particularitati care vor fi examinate in cele ce urmeaza.

a.     Problema inegalitatii curentilor primari si secundari ai TR

Curentii primari si secundari ai TR nu sunt egali. Pentru ca PDL sa nu actioneze, in regim normal si la defect exterior, este necesar sa fie respectata egalitatea curentilor secundari ai transformatoarelor de curent TC, care se compara, fig. 1.

			Fig. Egalizarea curentilor secundari cu ajutorul unui autotransformator de egalizare
	Fig. 1. Schema de principiu a protectiei diferentiale longitudinale la transformatoare

Notand cu η₁ si η₂ rapoartele de transformare ale TC₁, respectiv TC₂, pentru respectarea egalitatii in modul a curentilor secundari, I_s1=I_s2, este necesar ca:

,

de unde:

, (2)

unde:

I_1, I₂ - curentul primar si respectiv secundar al TR protejat;

N_TR - raportul de transformare al TR protejat.

Conditia (2) este greu de indeplinit deoarece atat N_TR, cat si η₁ si η₂ au valori standardizate; in plus, la ATR, este posibil ca raportul de transformare sa se modifice in timpul functionarii.

Daca in regim normal de functionare

, (3)

este obligatorie utilizarea unor masuri pentru egalizarea curentilor secundari, dintre care: utilizarea autotransformatoarelor de egalizare si utilizarea de TSR cu bobine de egalizare.

In cazul utilizarii autotransformatoarelor de egalizare ATR_eg, acestea se conecteaza pe fiecare faza, ca in fig.

Fig. 3. Egalizarea curentilor secundari cu ajutorul unui TSR cu infasurare de egalizare

In cazul utilizarii TSR, fig. 3., numarul de spire de egalizare W_eg se calculeaza din conditia:

, (4)

de unde:

, (5)

in care:

W_eg - numarul de spire ale infasurarii de egalizare;

W₁ - numarul de spire ale infasurarii de lucru.

b.     Problema defazajului curentilor primari si secundari ai transformatorului protejat

Daca conexiunea transformatorului protejat TR este Y/Y, conectarea transformatoarelor de curent in schema PDL se face ca si la generator.

In cazul cand, transformatorul protejat are conexiunea Y/Δ, intre curentii I₁ si I₂ de la cele doua capete ale zonei protejate apare un defazaj de π/6 sau multiplu de π/6, facand sa circule prin bobinele releelor de curent, in regim normal de functionare, curentii egali cu diferentele (I_s1R - I_s2R), (I_s1S - I_s2S), (I_s1T - I_s2T), care pot atinge valori mari.

Compensarea defazajului mentionat se face prin conexiuni adecvate ale TC: in triunghi pe partea cu conexiune stea la transformatorul protejat si in stea pe partea cu conexiune in triunghi a transformatorului protejat.

Raportul de transformare al TC este dat de relatia:

, (6)

unde:

K_sch - un coeficient de schema prin care se tine seama de tipul de conexiune (de exemplu pentru o conexiune Y/Δ a TR, K_sch=√3).

c.      Problema curentului de magnetizare si a socului de curent de magnetizare

In regim permanent de alimentare a unui TR, cu secundarul in gol, curentul de magnetizare circula numai prin infasurarea conectata la sursa de alimentare. Aceasta face ca in circuitul diferential sa apara un curent de dezechilibru. Curentul de magnetizare, in regim stabilizat, reprezinta (1÷3)% din curentul nominal primar.

In timpul regimului tranzitoriu de stabilire a alimentarii unui transformator, are loc un soc de curent de magnetizare, a carui amplitudine poate atinge in primul moment (4÷7)I_n, iar durata totala a regimului tranzitoriu atinge 2÷3 secunde si creste cu puterea transformatorului.

In aceste conditii, curentul de dezechilibru din circuitul PDL are valori foarte ridicate. Pentru a creste sensibilitatea protectiei si a nu avea actionari false, se pot lua o serie de masuri, dintre care: temporizarea PDL cu valori cuprinse intre 0,5  si 1 secunda, cresterea curentului de pornire (desensibilizarea prin curent), utilizarea transformatoarelor cu saturatie rapida, care nu transmit in secundar componenta aperiodica a curentului de scurtcircuit si de magnetizare, blocarea protectiei fata de armonicele superioare ale curentului de magnetizare.

d.     Problema curentilor de dezechilibru

Din punct de vedere al curentilor de dezechilibru PDL a transformatoarelor se gaseste in conditii mult mai grele decat cea a generatoarelor. Din cele prezentate rezulta ca exista, mai multe componente ale curentului de dezechilibru:

I_{dez TC} , se datoreste neidentitatii caracteristicilor magnetice ale TC, care sunt de tipuri diferite si au rapoarte de transformare diferite;

I_{dez eg} , datorita absentei egalizarii curentilor secundari ai TC, atunci cand relatia (3) nu este satisfacuta, sau datorita unei egalizari imperfecte;

I_{dez mT} , datorita curentului de magnetizare a transformatorului protejat;

I_{dez regl} , datorita modificarii raportului de transformare al transformatorului protejat, prin modificarea prizelor sau prin reglarea sub sarcina a tensiunii acestuia.

In cazul cel mai avantajos, cand toate componentele mentionate ar exista si ar fi in faza, curentul de dezechilibru I_dez ar fi egal cu suma algebrica a acestor componente:

, (7)

Curentul de dezechilibru definit de (7) are valoarea maxima in primul moment al unui scurtcircuit exterior. Componentele curentului de dezechilibru din (7) se pot calcula dupa cum urmeaza:

Componenta I_{dez TC} raportata la circuitul primar si notata cu I_{dez TC p} se calculeaza analog cu cea de la generatoare:

, (8)

unde:

K_id = 1 - transformatoarele de curent sunt sigur neidentice;

K_op = 1 - in cazul folosirii TRS si K_op = 2 in lipsa TRS;

ε_i = 0,1 - eroarea relativa de transformare a transformatoarelor de curent;

I^"_{sc max ext} - este valoarea efectiva supratranzitorie a componentei periodice a curentului de scurtcircuit la un defect exterior, imediat exterior zonei protejate.

Componenta I_{dez eg} raportata la primar si notata I_{dez eg p} are valoarea maxima data de:

, (9)

unde:

ΔI_eg - diferenta curentilor secundari exprimata in procente, dupa ce s-a efectuat egalizarea (egalizarea este imperfecta).

Componenta I_{dez reg} raportata la primar si notata cu I_{dez reg p} are valoarea maxima data de:

, (10)

unde:

ΔU - variatia maxima posibila, exprimata in procente, a raportului de transformare al transformatorului protejat in raport cu valoarea sa nominala.

Obisnuit, in calcule, componenta datorata curentului de magnetizare se neglijeaza.

Se poate scrie expresia valorii maxime a curentului de dezechilibru calculat, raportat la primar, prin inlocuirea in (7) a relatiilor (8), (9), (10):

, (11)

Alegerea curentului de pornire I_pp al protectiei diferentiale longitudinale se va face prin desensibilizarea fata de curentul de dezechilibru, rezultat din (11):

, (12)

unde:

K_sig

Variantele practice complete de realizare a PDL a transformatoarelor sunt indicate in literatura de specialitate si sunt date in proiectele tehnice, ce cuprind instalatiile de protectie ale echipamentelor din centrale si posturi.

In cazul transformatoarelor cu trei infasurari, in circuitul diferential sunt cuprinse toate infasurarile, instalandu-se trei grupuri de transformatoare de curent, fig. 4.

Fig. 4. Principiul protectiei diferentiale longitudinale

pentru transformatorul cu trei infasurari

Curentul de pornire al protectiei se calculeaza tot cu o relatie de forma (5.12), dar valoarea curentului de dezechilibru este data de:

(13)

unde semnificatiile lui K_id, K_op, f_i, Δf_{eg α}%, Δf_{eg β}%, ΔU_α%, ΔU_β%, sunt cele din (8), (9), (11), pentru infasurarile α sau β, iar K_α si K_β sunt coeficienti de repartitie ai curentului I^''_{sc max ext} prin infasurarile α si β, pe partea carora se gasesc bobine de egalizare si prize de reglare a tensiunii.

3. Sectionarea de curent la transformatoare

Schema de principiu a acestei protectii se realizeaza ca si la generatoare si este reprezentata in fig. 5.

Fig. 5. Schema de principiu si diagrama de lucru a sectionarii de curent,

pentru un transformator

Sectionarea de curent este o protectie maximala de curent, netemporizata, al carei curent de pornire este dat de:

, (14)

unde:

K_sig

I^"_{sc max K} - valoarea supratranzitorie a componentei periodice a curentului de scurtcircuit trifazat, in regim maxim, la un defect in punctul K, la capatul zonei protejate, pe bara dinspre consumatori.

Curentul de pornire al protectiei se desensibilizeaza in raport cu socul de curent de magnetizare si in aceste conditii rezulta:

, (15)

Se adopta cea mai mare dintre valorile date de (14) si (15).

Dupa cum se observa din fig. 5, sectionarea de curent are o zona moarta, spre barele consumatorilor, unde I^"_{sc max K} >I_pp , a carei marime este o variabila cu regimul de functionare.

Zona moarta este maxima in regimul minim de functionare al TR. Defectele situate in zona moarta (Z_mT+Z_mL) vor fi lichidate de catre protectiile de rezerva.

4. Protectia cu relee de gaze

Aceasta este principala protectie impotriva defectelor interne cu care este prevazut orice transformator cu putere mai mare ca 1MVA (sau mai mare ca 250[kVA] in cazul serviciilor interne) cu cuva si conservator.

Protectia se realizeaza cu relee de gaze (Buchholz) montate pe conducta de legatura dintre cuva si conservator. Defectele in cuva transformatorului, insotite de arc electric, conduc la descompunerea materialelor electroizolante si degajarea de gaze mai mult sau mai putin violenta.

Deoarece continuitatea inchiderii contactelor releului de gaze nu este sigura (jetul de gaze si lichid actioneaza cu soc), este necesara introducerea unor autoretineri sau a unor temporizari la deschidere. In fig. 6 este reprezentata schema protectiei de gaze a autotransformatorului cu autoretinere la nivelul releului intermediar RT si deblocare manuala, prin butonul B. Dispozitivul de deconectare DD este utilizat la reviziile periodice si schimbarea uleiului in cuva.

Fig. 6. Schema de principiu a protectiei de gaze

5. Protectia maximala de curent a transformatoarelor

Aceasta protectie se instaleaza impotriva scurtcircuitelor exterioare simetrice si nesimetrice si a suprasarcinilor si difera dupa cum transformatoarele au doua sau mai multe sisteme de infasurari.

Fig. 7. Schema principala a protectiei maximale a transformatoarelor, impotriva scurtcircuitelor exterioare si a suprasarcinilor, in varianta FCSI

La transformatoarele cu doua infasurari, alimentate dintr-o singura directie, transformatoarele de masura de curent, care alimenteaza protectia, se monteaza pe partea alimentarii, pentru ca protectia sa poata actiona ca rezerva, pentru defectele interne. La transformatoarele racordate pe ambele tensiuni la surse de alimentare, transformatoarele de curent se monteaza pe partea alimentarii principale, respectiv pe partea surselor de putere echivalenta mai mare. Se asigura in acest fel un coeficient de sensibilitate mai mare pentru defectele interne in transformator, cand protectia maximala poate lucra ca rezerva.

In fig. 5.10 este reprezentata schema protectiei maximale de curent, in varianta cu FCSI, pentru un transformator cu doua infasurari.

Releele 1 si 2 reprezinta protectia impotriva suprasarcinilor; releele 3, 4, 5 si 8 reprezinta protectia impotriva scurtcircuitelor externe simetrice, cu blocaj de tensiune minima; releul 6, filtrul 7 si releul 8 reprezinta protectia impotriva defectelor exterioare nesimetrice.

In unele cazuri (de exemplu, pentru plecari multiple de la bare, atat prin linii radiale, cat si prin linii de interconexiune), selectivitatea protectiei maximale de curent, impotriva scurtcircuitelor exterioare, nu poate fi asigurata numai prin temporizarile actionarilor; se introduc atunci, in schema protectiei, relee directionale.

Calculul curentilor de pornire se deosebeste in mare parte de calculul similar din cazul generatoarelor, deoarece ca marime de baza in calcul nu se considera curentul nominal I_n al transformatorului, ci curentul de sarcina maxima I_{sarc max} al transformatorului.

Curentul de sarcina maxima se determina in doua ipoteze, astfel:

a.     Daca consumatorii sunt motoare electrice, pentru care trebuie sa se asigure autopornire fara AAR (anclasare automata a alimentarii de rezerva):

, (16)

unde:

K_ap1 - coeficient de autopornire

si cu AAR

, (17)

unde:

K_ap2 - coeficient de autopornire

I_{n supl} - curentul nominal suplimentar asigurat de AAR.

b.     Daca exista n transformatoare identice in paralel si unul dintre acestea iese din functiune, sarcina suplimentara este preluata de cele ramase:

. (21)

In general calculul curentilor de pornire pentru protectiile maximale se face co o relatie de forma:

, (22)

unde:

I_{sarc max} - valoarea maxima rezultata din (5.19), (5.20), (5.21).

Curentul de pornire al protectiei la suprasarcina simetrica (releul 1) este:

. (23)

Curentul de pornire al protectiei impotriva scurtcircuitelor simetrice (releul 3):

, (24)

unde:

K_sig

K_rev

In cazul in care, prin valoarea calculata a lui I_pp3, nu se asigura un coeficient de sensibilitate K_sens ≥ 1,5, este obligatorie introducerea blocajului de tensiune minima, care impiedica actionarile gresite ale sistemului si permite calcularea curentului I_pp3 in raport cu curentul nominal al transformatorului:

. (25)

Protectia impotriva defectelor nesimetrice externe se desensibilizeaza:

In raport cu curentul de dezechilibru al FCSI, in regimul de sarcina maxima al transformatorului, adica:

(26)

unde:

I_{dez FCSI} - este curentul de dezechilibru al FCSI si se calculeaza in conformitate cu relatia (4.33), in care I_{sarc max} va reprezenta curentul de sarcina maxima al transformatorului.

In raport cu protectiile elementelor urmatoare (protectia maximala de curent, protectia homopolara si protectia de distanta a liniilor de plecare), in scopul coordonarii sensibilitatii acestora, adica:

, (27)

unde:

I_{2 calc} - curentul de secventa inversa maxim, care circula prin locul de instalare al FCSI, la defecte pe elementele urmatoare, pentru care protectiile acestor elemente se gasesc la limita de actionare.

In raport cu curentul de secventa inversa pe liniile alimentate, la intreruperea unei faze, defect la care protectia nu trebuie sa lucreze. Valoarea acestui curent depinde de modul de tratare a neutrului retelei si de reactantele sistemului fata de punctul de intrerupere a fazei.

In general se adopta:

. (28)

Timpii de actionare ai releelor de timp se stabilesc ca si la protectia maximala a generatorului sincron.

In cazul transformatoarelor coboratoare, cu doua infasurari secundare, care alimenteaza sectii ce functioneaza separat, protectiile maximale de curent se vor prevedea atat pe partea alimentarii, cat si pe partea fiecarei sectii. Protectia de pe partea alimentarii, cat si pe partea fiecarei sectii. Protectia de pe partea alimentarii va comanda declansarea tuturor intrerupatoarelor, iar protectiile de pe partea consumatorilor vor actiona numai la declansarea intrerupatorului sectiei respective de bare.

La transformatorul cu mai multe infasurari, cu alimentare din doua sau mai multe parti, protectia maximala de curent, impotriva scurtcircuitelor polifazate exterioare, trebuie sa se realizeze directionata, atunci cand selectivitatea functionarii se obtine numai pe aceasta cale, fig. 11.

Fig. 11. Protectia maximala a transformatorului cu trei infasurari si doua alimentari

Prin esalonarea temporizarilor, crescator catre sursa de inalta tensiune, rezulta:

. (29)

La un defect exterior pe 6 kV lucreaza selectiv releele 3 si 6 si transformatorul ramane in functiune pe 110kV si 35kV. La un defect exterior pe 35kV releele 3 nu actioneaza, vor actiona releele 1 si 2, iar releul 5 comanda declansarea selectiva a intrerupatorului de pe 35kV, deoarece t_a5<t_a4. La un defect exterior pe 110kV, conditia de selectivitate cere ca releul 4 sa comande declansarea intrerupatorului de pe 110kV, iar transformatorul sa ramana in functiune pe 6kV si 35kV (aici exista sursa de alimentare). Cum insa t_a5<t _a4, pentru ca releul 5 sa nu actioneze inaintea releului 4, el trebuie prevazut cu blocajul directional 8, care isi inchide contactele numai la defecte exterioare pe 35kV si permite alimentarea releului 5 (alimentarea defectului exterior se face prin transformator si de la sursa de 110 kV).

Daca sensul de circulatie al puterii este spre transformator, contactele releului directional raman deschise si protectia de pe partea de 35kV nu poate lucra. Rezulta ca aceasta protectie nu va putea lucra nici pentru defecte ce au loc in transformator. Pentru ca protectia de pe partea de 35kV sa poata fi si protectie de rezerva, pentru defecte interne in transformator, s-a prevazut in schema releul suplimentar de timp 7 (alimentat direct de la releele 2), avand t_a7<t_a4.

La defecte exterioare pe 110kV, declansarea intrerupatorului de pe 110kV va fi selectiv comandata de releul 4 (t_a4<t_a7), iar releul 5 este blocat. In cazul unui defect in transformator vor lucra ca rezerva releele 1, 4 si 2, 7, releul 7 comandand, prin intermediul releului 8, declansarea tuturor intrerupatoarelor.