Межвитковые короткие замыкания в силовых трансформаторах

Силовые трансформаторы являются очень надежными устройствами. Их отказоустойчивость для старых образцов может быть на уровне 0,5% до 0,95%, но для недавно произведенных уменьшается до 0,15%. Однако последствия ошибки очень серьезные. Они в основном вызывают отключение устройства, что может нанести ущерб безопасности работы энергосистемы. Короткие замыкания на клеммах – однофазные или межфазные – могут повлиять на стабильность работы энергосистемы при возникающих неисправностях, которые должны быть отключены в течение очень короткого времени, иногда менее 0,05 с. Однако их обнаружение при помощи дифференциальной и/или дистанционной защиты, не вызывают проблем. При возникновении внутренних коротких замыканий, которые очень опасны для самого блока, так как они вызывают серьезные повреждения трансформаторных обмоток (а иногда и самих сердечников) и резкое повышение внутреннего давления масла в баке. Если устройство не сработает в течение примерно 0,5 сбак, то может взорваться.

Послеаварийная проверка трансформатора, который был отключен из-за повреждения в об- мотках, может не дать четкого указания о том, что было причиной короткого замыкания. Тем не менее, большинство специалистов считают, что неисправности начинаются с межвиткового короткого замыкания. Поэтому для того, чтобы ограничить диапазон повреждений, более чем целесообразно отключать трансформатор до того, как возникнет короткое замыкание, и будет задействовано большее число витков. Однако обнаружение таких коротких замыканий является трудной задачей, так как, ток в поврежденных витках очень высок, токи на клеммах низки, часто на уровне небольшой доли номинального трансформаторного тока. Таким образом, дифференциальные защитные реле должны быть очень чувствительными, чтобы обнаружить такие неисправности и запустить команду на отключение при необходимости. Для этого очень важно рассчитать наименьший ток, при котором реле должно сработать.

Первый случай – это короткое замыкание, которое включает в себя все параллельные проводники.

Рис. 1. Короткое замыкание между параллельно расположенными проводниками.

Второй случай – короткое замыкание между витками одного проводника.

В литературных источниках приведены результаты исследований, связанные с отказами трансформатора вследствие межвитковых замыканий, при анализекоторой можно сделать вывод о том, что представленные методы моделирования достаточно сложны. Более того, они недостаточно хорошо учитывают активное сопротивление обмоток, пусть и большее число повреждений происходит именно в обмотках с реактивным сопротивлением [1].

Рис. 2. Короткое замыкание между витками одного проводника.

Третий (и самый сложный для обнаружения) – это межвитковое короткое замыкание между несколькими параллельно расположенными проводниками.

Основная проблема заключается в том, что защита своевременно не реагирует на повреждения изоляции малого количествавитков, еще на начальном этапе, а срабатывает только в тот момент, когда авария достигает более крупных масштабов.

Конечная цель состоит в том, чтобы разработать защиту, позволяющую сигнализировать, либо отключать поврежденный трансформатор даже при замыкании нескольких витков. В таких случаях уровень тока короткого замыкания определяется отказоустойчивостью. В данной работе представлены методы расчетов сопротивлений примежвитковых коротких замыканиях, которые включают в себя малое число оборотов.

Рис. 3. Межвитковое короткое замыкание между двумя параллельно расположенными проводниками.

Одна из основных проблем анализа неисправностей при межвитковых коротких замыканиях обусловлена трудностью определения конкретного места возникновения повреждения.

Современные силовые трансформаторы имеют обмотки, состоящие из параллельных проводников, для уменьшения потерь на вихревые токи [3]. Поэтому есть три возможных случа-ямежвитковых коротких замыканий.

В последнем случае ток короткого замыкания

зависит от количества пораженных витков и от их

R = Rw

расположения в катушке.

Самый простой и самый универсальный способ для расчета токов во время межвиткового ко-

[ "ДОП ]

V Wi 7

Если витковое замыкание возникает в одном

роткого замыкания не только использовать дополнительные обмотки (применимо только для небольшого числа витков, примерно до 5% обмотки), но и использовать эквивалентную схему цепи. Главное условие состоит в том, чтобы все обмотки, в том числе и дополнительные, представляющие собой поврежденный участок, имели одинаковое количество витков [2, c. 29].

из проводников, сопротивление становится в n раз больше [4]:

^RZ = n "  R W

(W11

v W2 7

где n – количество параллельных проводников (значение n зависит от номинального тока обмотки, обычно номинальный ток обмотки в одном проводнике составляет от 150 до 250 A).

Эквивалентный ток определяется по формуле:

I 1

W ;W

v Wi 7

В то время как эквивалентное сопротивление

цепи равно

г

Z 1 = Z

W 1

v

W 1

—

w

"доп 7

При возникновении короткого замыкания, уровень тока зависит в основном от сопротивления Z , которое состоит из реактивной составля-

Рис. 4. Сопротивление короткого замыкания R в зависимости от количества короткозамкнутых витков N: А – При межвитковом замыкании одного проводника, B – При межвитковом замыкании нескольких проводников.

ющей X и активной R :

Z= R + jX.

Реактивное сопротивление X в значительной степени зависит от расположения короткозамкнутых витков в поперечном сечении обмотки. Оно принимает наибольшее значение в случае, когда витки расположены в верхней или нижней части сечения и, наоборот, при нахождении в центре.

Существует несколько методов расчета реактивного сопротивления, однако при малой величине токов короткого замыкания, активное сопротивление R становится определяющим.

Наименьшие токи короткого замыкания наблюдаются при небольшом количестве короткозамкнутых витков. Здесьактивное сопротивление превышает реактивное. Если предположить, что потери в меди делятся поровну между первичной и вторичной обмотками трансформатора, то общее сопротивление обмотки R стороны

определяется по формуле:

R w = 0.52 t

7 7 P S

V ST 7

Таким образом, сопротивление короткозамкнутых проводников при параллельном соединении определяется по формуле:

Как было сказано ранее определение меж-виткового короткого замыкания может быть затруднено из-за величины сопротивления проводников. В особенности это проявляется в том случае, когда число поврежденных витков мало и короткое замыкание происходит между параллельными проводниками.

Результаты показывают, что дифференциальные токи, протекающие при таком режиме работы, бывают даже ниже трансформаторных токов намагничивания, и ни один из стандартных дифференциальных реле не может их обнаружить.

На данный момент ведутся разработки более универсальных защит трансформаторов на основе дифференциальных алгоритмов обратной последовательности токов и других величин.