Protecia transformatoarelor de putere Practica proteciei transformatoarelor de putere include o varietate de scheme de protecie i filozofii n funcie de nivelul de tensiune si mrimea transformatorului.

Fig.:Schema bloc a protecie transformatoruluiPrincipalele cerine asociate cu tipul autotransformatorului sunt prezentate mai jos: detectarea i declanarea la defecte la pmnt n interiorul cuvei; detectarea i declanarea la defecte la pmnt n exteriorul cuvei; detectarea i declanarea pentru defecte ntre spire; detectarea i limitarea temperaturii superioare a uleiului i temperatura nfurrii.

Pentru acoperirea acestor principale tipuri de defecte urmtoarele funcii sunt utilizate n cadrul proteciilor numerice: Funcia de protecie difereniala pe ambele niveluri de tensiune (DIF1 si DIF 2 n fig. 1). Funcia de protecie de distan pentru ambele nivele de tensiune (DP1 si DP2 n fig.1). Funcia DEF cu caracteristic indepentent pentru ambele nivele de tensiune. Ar trebui s aib principii de funcionare diferite; Funcia de suprasarcin. Modelul termic este preferat ; Relee de protecie mecanice (gaz, ulei, presiune, G n fig.1). Uzual numai funcionarea releelor este supravegheat prin intrarile binare ale releelor numerice; Funciile de nregistrator de evenimente si defecte; Funcia de autosupraveghere.

Funcia de protecie difereniala cu frnare

Schema de principiu a proteciei difereniale este prezentat in fig.2, pentru funcionarea n condiii normale i pentru un defect exterior zonei de lucru. TR este transformatorul protejat, CT1(2) sunt transformatoarele de curent, iar I> este elementul diferenial.

Caracteristica de acionare a diferenialei cu frnare prezentat n fig.3, este de obicei o caracteristic cu doua pante (p0, p1). Valorile de lucru i de frnare se obin din dou seturi de cureni trifazai, dup egalizarea curenilor secundari i dup compensarea unghiului de defazaj introdus de schema de conexiuni a TR. Valoarea de lucru (id) pentru fiecare faz se calculeaz ca sum vectorial de fazori. Valoarea de frnare (if) pentru fiecare faz se calculeaz ca jumatatea sumei modulelor.

Fig.:a)Caracteristica de acionare a proteciei difereniale; b) principiul proteciei diferenialeFuncia de protecie diferenial (DPF) ndeplinete urmtoarele cerine: Timpul scurt de declanare (tipic 50-60 ms) este sufficient de scurt pentru a asgura stabilitatea sistemului; Securitate mare i o dependabilitate bun; ndeplinete cerinele pentru cureni de defect interni de valoare medie i mare;Dar are de asemenea i anumite limite: Nu detecteaz cureni de defect interni de amplitudine mic; Defectele ntre spire sunt grei de detectat cu aceast funcie de protecie; Limitele temperaturii superioare a uleiului i temperaturii nfurrii nu pot fi detectate de aceast funcie.Chiar dac ndeplinete un numr mare de cerine DPF trebuie asociat cu alte echipamente (de exemplu relee de protecie mecanice, protecia diferenial fr frnare, funcia de suprasarcin, etc.) pentru asigurarea unei protecii complete a transformatorului.Funcia de protecie maximalProtecia homopolar (DEF) este destinat protejrii autotransformatorului mpotriva defectelor cu pmntul nedetectate de celelalte funcii de protecie, n particular defecte cu rezisten mare la locul de defct. De regul aceast funcie de protecie este disponibil n releele numerice de distan i nu este necesar un releu distinct.Pentru semnalizare de supsarcin, utilizm nc funcia maxim de current n locul funciei de model termic. Aceste funcii sunt utilizate pentru a emite o semnalizare n cazul suprancrcrii transformatorului.Alte funcii de protecie folositeMai rar folosite sunt urmtoarele funcii: Funcia de supraexcitaie. Se bazeaz pe criteriul V/Hz i usual realizeaz protecia blocurilor transformator-generator; transormatoarele sunt de obicei proiectate pentru a opera la cotul curbei de saturaie a miezului de fier. Acesta presupune c orice supratensiune sau frecven sub nivelul nominal va determina creterea fluxului n materialul miezului transformatorului, i prin urmare o cretere n temperatura miezului. Fluxul n genera se poate scrie: Aceast funcie se poate msura aproximativ dac se conecteaz o sarcin R-C la bornele transformatorului de tensiune.

Prin urmare: Dac componenetele circuitului sunt alese astfel nct atunci .

Fig.4.26: Msurarea condiiei de control al creteri fluxuluiSe observ c condiia implic c tensiunea de ieire este proporional cu raportul tensiune pe frecven. Aceasta arat c pentru evitarea creteri fluxului declanarea rapid nu este necesar, aceasta implicnd aparia tensiunilor transzitorii mari. Acest tip de protecie este recomandat pentru transformatoarele ridictoare.[4]a) scurtciruite n nfurrile fazelor conectate n stea: cu neutru legat la pmnt printr-o rezisten sau cu neutrul nelegat la pmnt. Se poate arta c curentul de defect ce cirul prin parte conectat n delta este diferit de curentul care circul prin partea cionectat n stea.

Fig.4.24: Defect pe partea conectat n stea a transformatorului , unde curentul de defect pentru cazul cnd la o parte din nfurarea a apare defectul care este pus la pmnt. , unde este raportul nfurrilor n caz de defect. Din cele dou ecuaii rezultnd: , prin urmarea curentul de defect va fi transformat n curentul pe partea delta: . Aceste oepraii s-au fcut n ipoteza c este mult mai mare dect reactana nfurri transformatorului. Se observ c curentul de defect pe partea n stea variaz direct proporional cu fracia a nfurri cu defect pe cnd curentul de defect pe partea delta variaz cu patratul lui . Acest lucru face detectarea curentului de defect pe partea delta foarte dificil.

Fig.4.25: Curenii de defect pe prile cu conexiunea n delta i stea scurtciruite ce apar n nfurrile fazelor conectate n delta. Calculul acestor defecte n funcie de poziia defectului este mai complicat decnt pentru cazul anterior. Ca caracteristici generale se poate spune c amplitudinea curentului de defect este mult mai mic pe partea conectat n stea. Curentul minim de defect apare cnd defectul este situat la centrul unei nfurri ce constiute una din faze conectate n delta. scurtciruitele de linie. Apar doar n cazul transformatoarelor trifazate, dar nu foarte des. scurtciruitele ntre componentele nfurrilor. defecte n miezul transformatorului. defecte legate de cuva transformatorului. Protecia diferenial rezidual cu rezisten mare. Este specializat pentru protejarea mpotriva defectelor din nfurri n aplicaiile unde saturaia TC poate afecta protecia diferenial normal; Funcii maximale de current de secven invers, funcia minimal de tensiune, etc.Implementarea funciilor de protecie prin intermediul echipamentului numeric de protecieRealizarea proteciei maximaleSchema logic echivalent pentru funcia de protecie maximal de current aferent nfurrii nr.1 al trafo este prezentat n figura .

Fig.: Funcia de prtoecie amximal de current pentru nfurarea 1Semnificaia notaiilor este urmtoarea: IR_w1 (IS_w1, IT_w1) valorea efectiv a intensitii curentului prin faza R (S i T) a nfurrii numrul 1 a transformatorului; Iregl_w1 valoarea reglat pentru acionarea proteciei maximale de current pentru nfurarea numrul 1 a transformatporului de putere; IR1w1_v1 (IS1w1_v1, IT1w1_v1) variabila logic egal cu 1 dac valoarea intensitii curentului pe faza R (S,T) este mai amre dect Iregl_w1. Variabila logic trece n 0, dac valoarea intensitii curentului pe faza R (S,T) este mai mic dect 0,95I1regl_w1; IR1w1_v2 (IS1w1_v2, IT1w1_v2) variabile logice de ieire; IR1w1_v3 (IS1w1_v3, IT1w1_v3) variabile logice de ieire; IR1w1_v4 (IS1w1_v4, IT1w1_v4) variabile logice de ieire; IR1w1_v5 (IS1w1_v5, IT1w1_v5) variabile logice de ieire; IR1w1_v6 (IS1w1_v6, IT1w1_v6) variabile logice de ieire; EnImax1_w1 variabil logic egal cu 1 fac se valideaz prin soft acionarea proteciei Imax1_w1; BlkImax_w1 - variabil logic de intranre pentru blocul funciei Imax1_w1. Este destinat blocrii acionrii Imax1_w1 prin conectae soft cu o ieire a unui bloc de protecie sau cu o variabil logic parametrizabil; BlkextImax1_w1 variabil logic de intrare pentru blocul funciei Imax1_w1. Este destinat blocrii acionrii Imax1_w1 prin conectare soft cu o intrare fizic a terminalului. Aceast variabil este condiionat cu SelBlkImax1_w1. SelBlkImax1_w1 variabil logic egal cu 1 dac se valideaz prin soft asigurarea intrrii fizice pentru blocaj extern n scopul blocrii externe a funciei Imax1_w1; Blkext_IN variabil logic de intrarea pentru blocul funciei Imax1_w1, destinat conectrii soft la intrarea fizic a terminalului n scopul blocrii din exterior a funciei Imax1_w1; EnI1_w1 - variabil logic care n starea 0 blocheaz orice acionarea a funciei Imax1_w1; Timer-1 element de temporizare la acionare. Temporizarea la acionare T1A se regleaz n cadrul meniului de parametrizare a funciei Imax1_w1; Timer-2 element de temporizare la acionare; Temportizarea la acioanre T2A se regleaz n cadrul meniului de parametrizare a funciei Imax1_w1.Realizarea proteciei diferenial Protecia diferenial instantanee Funcia de protecie diferenial instantanee este destinat eliminrii defectelor nsoite de cureni mari de defect din zona protejat. Aceast funcie este similar proteciei difereniale cu acionare cu frnare, cu excepia: Nu are acionare de frnare; Nu este afectat de blocajul la ocul curenilor de magnetizare; Nu este afectat de blocajul extern.Funcia de protecie diferenial instantanee ndeplinete ecuaia (1) prin prelucrearea curenilor egalizai i compensai de pe cele dou nfurri. Comutatoarele kdifn (n= R, S, T) au aceeai funcie ca cele pentru protecia diferenial cua ciune de frnare i sunt comandate de aceleai variabile logice n cadrul aceluiai meniu de parametrizare. Variabila logic EnIdif_instant pentrime acionarea funciei proteciei difereniale instantanee dac EnIdif_instant=DA n cadrul meniului de parametrizare a proteciei. Dac EnIdif_instant= Nu funcia nu este activ.

Fig.: Shcema proteciei difereniale instantaneePragul de acionare (id 10) trebuie reglat sufficient de ridicat pentru a nu conduce la declanri neselective la ocul curentului de magnetizare, dar sufficient de sczut pentru a permite acionare funciei la defecte interne violente.Valorile uzuale id 10 = (8..10)in. idid 10, idiferent de if. Protecia diferenial- formarea semnalelorSchema de principiu de formare a semnalelor pentru protecia diferenial cu aciune de fnare este prezentat n figura.Curentu diferenial (idif) este calculat ca modul al sumei valorilor fazoriale, iar componenta de fnare (if)este calculat ca semnisuma valorilor absolute ale curenilor:

n acest fel la un defect n afara zonei protejate curentul diferenial este practic nul, iar curentul de frnare atinge valori mari fiind egal cu valoarea de scurtcircuit:

Fig.: Formarea semnaleleorPentru un defect n zona protejat:

Blocajul la socul curentului de magnetizareCnd transformatorul este pus n funciune un curent mare tranzitoriu iniial este necesar pentru a creea cmpul magnetic necesar funcionrii trasnsformatorului. Acest curent nu e curent de defect i nu trebuie s cauzeze acionare releelor de protecie. Cu toate acestea uneori n funcie de ct de mult flux rezidual exist n miezul transformatorului, amplitudinea curentului de magnetizare poate atinge valori de 10 ori mai mari dect curentul nominal de funcionare, lucru ce poate cauza acionarea releelor. n aceste cazuri nu este clar operatorului prezena defectului. Curentul de magnetizarea conine armonici de ordine variate, dar n principal armonicele de ordin 2 i 3 au cele mai mari amplitudini. Componenta de curent continu este de asemenea semnificativ.O propietate caracteristic curentului de magnetizare este armonica de ordin 2. Aceast component nu se gsete n curenii de funcionare normal sau de defect. Astfel aceast propietate furnizeaz o metod de testare a curentului pentru a se determina dac ce vede releul este un defect sau nu. Amplitudinea curentului de magnetizareDac se consider un transformator alimentat cu o tensiune de pe bare sinusoidal, atunci fluxul permanent este integral din tensiune: Se observ c fluxul este n spatele tensiuni cu .

Fig.4.30: Formele de und ale tensiuni i fluxuluiPe msur ce fluxul crete curentul de excitaie crete i el. Dac inductana nfurriilor este liniar, curentul va avea aceeai form de und ca i fluxul: Dar inductana nu e linear, fenomenul de saturaie aprnd din moment ce cam toate transformatoarele sunt proiectate s opereze la cotul curbei de saturaie n condiii normale de funcionare. Dac fluxul crete la de dou ori valuare sa normal maxim efectul va fi de saturaie puternic, ceea ce implic cureni de excitaie foarte mari. Dar aceast situaie nu e cea mai dificil situaie, cea mai dificil situaie apare atunci cnd transformatorul de eemplu este alimentat cu tensiune la momentul cnd aceasta trece prin zero i existnd flux rezidual . n acest caz saturaia va fi i mai mare. Cureni de excitaie de 500 de ori mai mari dect curenii normali de excitaii pot aprea. Mai mult dect att forma undei de curent este total nebalansat fa de ax. Modul n care saturaia cauzeaz apariia curenilor de excitaie foarte severi este ilustrat n figura urmtoare, curba de saturaie de pe stnga arat curentul de excitaie necesar pentru a se asigura nivelul dat de flux.

Fig.4.31: Derivarea curentului de magnetizare utiliznd curba de saturaieDescompunerea curentului de excitaie este foarte rapid pentru primele cicluri de timp dup aceea descompunnduse mai greu. De obiecei anumite condiii sunt necesare pentru ca curentul s ajung la valori normale. Constanta de timp ce guverneaz descompunerea nu ai e o constant , inductana variind datorit saturaiei. Constanta de timp este mai mic la nceput dup aceea crete. Constanta de timp este de asemenea o funcie de mrimea transformatorului. Descompunerea curentului de excitaie depinde de asemenea i de rezistena R, vzut de la locul trnasformatorului. Dac transformatorul este apropiat de generator rezistena va fi foarte mic, i astfel curentul de excitaie se va amortiza mai greu. Avnd n vedere cele spuse este evident c acest curent produce efecte similare ca n cazul unui defect interior transformatorului inducnd astfel un fals curent de lucru proteciei difereniale. Din acest motiv, echipamentele de protecie au nglobate subsisteme de blocare a acionrii proteciei la apariia ocului de magnetizare. Principala metod de realizare a acestui blocaj este calcul raportului dintre amplitudinea componentei de armonic a doua i a celei fundamentale. Cnd acest raport depete o anumit valoare, protecia se blocheaz. Valoarea pragului de blocaj al acestui raport paote fi fix sau variabil. [4]Curentul de magnetizare influeneaz negativ funcionarea proteciei difereniale neputnd fi compensat. Blocajul funciei de protecie diferenia se poate realiza prin dou metode: prin neutralizarea armonicilor din curba curentului de magnetizare; prin utilizarea recunoaterii formei specifice a curbei curentului de magnetizare;n mod tradiional blocajul utiliznd armonicele 2 i 5 se realizeaz printr-o schem logic ca cea din figura:

Fig.: Principiul blocajului armonicii superioarePrimul comparator realizeaz funcia de protecie diferenial cu aciune de frnare, prin verificare condiiei de acionare idifp. Procente din armonicile 2 i 5 reprezentate prin factorii ka2 i ka5, sunt comparate cu nivelul funamentalei i dac depesc acest nivel produc blocarea acionrii proteciei difereniale cu aciune de frnare. Blocajul poate afecta doar faza avnd avnd condiiile ndeplinite sau poate bloca toate cele trei faze.Investigaii recente recomand utilizarea armonicii a patra alturi de armonica a doua pentru blocajul acionrii proteciei difereniale. na cest fel ecuaia de acionare devine:

Valorile coeficieniilor ka2 i ka4 sunt n gama:ka2=0,100,60ka4=0,100,50Principial funcia numeric de protecie diferenial proceseaz semnalele analogice conform schemei din figura:

Fig.: Schema procesrii semnalelor analogiceCt privete nfurrile tranformatorului aeste defecte constau n nclzirea ce poate aprea datorit conexiunilor electrice slabe, n arcul electric limitat ce poate aprea ntre dou nfurtori succesive sau n nclzirea vreunei pri a transforamtorului. Ct privete miezul de fier, aceastea cosntau n avarierea laminri care poate cauza nclzire excesiv datorit curenilor turbionari. Alte cauze de defecte ar putea fi rcirea inficient, scderea nivelului de ulei, etc. Releele folosite de obicei pentru aceste tipuri de defecete sunt cele ce se bazeaz pe msurarea gazului, cum ar fi releul Buchholtz. Acest releul este instalat pe conducta ce contecteaz cuva transformatorului cu conservatorul de ulei i are rolul de a detecta curgerea sau prezena gazului sau o curgerea mai rapid a uleiului. Defectele produc gaz care se va ridica deasupra uleiului i va trece prin mprejurul conductei pe care este montat releul. [4]

Fig.4.27: Releu de gaze Buchholtz: a) construcie b) instalare

Implementarea proteciei transformatoarelor prin relee numerice

Fig.4.32: Diagrama funcionala) protecia diferenial longitudinal .b) - protecia maximal de curent. Acest protecie reprezint protecia de rezerv a transformatorului.c) proecia de frecven. Aceasta previne stresul peste o annumit limit a echipamentului n caz de frecven de funcionare n sistem mai mic sau mai mare dect cea nominal. d) precia maximal de tensiune. Aceasta protejeaz izolaiile cnd tensiunea este prea mare. Se evalueaz oricare dintre tensiunile caracteristice, de faz sau de linie.e) aceast prtoecie asigur supravegherea circuitului de declanare a ntreruptorului. O alarm este emis cnd circuitul este ntrerupt.f) - protecia minimal de tensiune. Aceasta monitorizeaz componentele de secven pozitiv ale tensiunii i le compar cu valorile de prag setate.g) - protecia mpotriva supraexcitaiei. Are rolul de a detecta fenomenului de inducie ridicat n transformatoare, fenomen ce poate conduce la suprasarcin termic. Aceaste fenomene pot aprea la pornirea transformatorului, oprirea lui atunci cnd este conectat la sarcin maxim cu sisteme slabe sau n cazul operaiilor izolate. h) 86 funcia de blocare. Toate ieirile binare pot fi reprezentate prin intermediul LED-urilor i resetate tot la fel. Starea de blocare este de asemenea reprezentat pentru cazul n care ar aprea o eec n alimentarea cu tensiune. Monitorizarea termic a transformatoarelor: aceasta a rezultat ca urmare a nevoii de reducere a constului de transmisie i distribuie a energiei. Capacitatea sistemului de prtoecie numeric de monitorizare a condiiei termice a transformatorului se realizeaz de multe ori prin nserierie unui dispozitiv de msurarea temperaturii. Fig.4.33: Sisteme de monitorizare termic a transformatoarelorTemeratura se nregistreaz, tipul de senzori de temperatur putnd fi selectat individual. Dac valorile de prag setate al temperaturii sunt depite atunci exist un sistem de alarme ce va fi declanat. [13]

Schema electric monofilar a unei staii de MT cu proteciile aferente

Fig.4.34: Schema monofilar a unei parte de staie de MT cu proteciile aferente[7]