Особенности защиты сухих и масляных трансформаторов от перегрева

Защита трансформаторов — критически важная задача для обеспечения безопасности всей энергосистемы. Любое, даже самое совершенное оборудование имеет предел прочности. И трансформаторы не исключение. Несмотря на высокую надежность современных моделей, всегда сохраняется минимальная, но тем не менее реальная вероятность возникновения неисправности. Одним из ключевых индикаторов неполадки в работе трансформатора является его перегрев.

Для трансформаторов установлен строгий диапазон рабочей температуры: для масляных он составляет от – 40 °С до + 40 °С (иногда от – 60 °С), а для сухих температурные пределы определяются классом термостойкости изоляционного материала. Превышение верхней границы этого диапазона приводит к ускоренному старению изоляции и повреждению обмотки.

Чтобы своевременно обнаружить перегрев, используются различные методы защиты. Выбор конкретного способа зависит от типа трансформатора, особенностей его конструкции и условий эксплуатации. В этой статье мы рассмотрим основные защитные системы, опираясь на мнение и опыт ведущего инженера технического отдела Челябинского завода электрооборудования (ЧЗЭО) Андрея Карташова.

«Силовой трансформатор, являясь сердцем подстанции, сам по себе является пассивным элементом. Его функция — преобразование одного класса напряжения в другой. Задача же по его защите и управлению целиком ложится на внешние системы, подключенные к ячейке КСО или КРУ, от которой этот трансформатор запитан», — отмечает специалист ЧЗЭО.

Логика защиты универсальна, будь то сухие или масляные аппараты. Она включается в себя два уровня:

1. Первая ступень — сигнализация (ВСКО — устройство сигнализации температуры обмоток). При достижении первичного порога, например, по температуре, система подаёт предупредительный сигнал. Это говорит оперативному персоналу о начале нештатного процесса (например, перегрева), но не требует немедленного отключения. Цель — привлечь внимание для планового вмешательства и недопущения развития аварии.
   
   
2. Вторая ступень — аварийное отключение. Если температура продолжает расти и превышает второй, более критический предел, контроллер выдает команду на немедленное отключение трансформатора от сети. Это экстренная мера, предотвращающая масштабное повреждение оборудования. После такого отключения требуется обязательный визуальный осмотр и поиск первопричины.

Различия в защитах определяются конструктивными особенностями двух типов силовых трансформаторов.

Сухие трансформаторы

Сухие трансформаторы не содержат жидкого охлаждающего вещества, поэтому их перегрев напрямую связан с нагревом обмоток и магнитопровода. Для контроля температуры применяются встроенные термодатчики (PTC, PT100, термопары) и внешние защиты, к которым можно отнести различные виды датчиков для снятия показаний температуры воздуха.

«На сухом трансформаторе стоит блок контроля температуры, который фиксирует температуру в обмотках и магнитопроводе. Информация передаётся по датчикам в котроллер, там она обрабатывается, и подается команда на сигнализацию или отключение. Используется несколько выходных реле, которые в зависимости от уставок на контроллере, срабатывают тем или иным способом», — поясняет ведущий инженер технического отдела Челябинского завода электрооборудования Андрей Карташов.

Среди встроенных термодатчиков наиболее распространены полупроводниковые PTC-термисторы — они работают по принципу резкого увеличения сопротивления при достижении критической температуры (обычно 120-180°C в зависимости от класса изоляции). Их главное преимущество — простота интеграции в цепи защиты, но они имеют существенный недостаток — гистерезис* при охлаждении, когда разница между температурой срабатывания и возврата может достигать 20°C. На практике это означает, что после срабатывания защиты трансформатор будет оставаться отключенным до полного остывания, даже если температура уже снизилась до условно безопасных значений.

Более точные платиновые термометры сопротивления (Pt100) обеспечивают точность до ±0,3°C, но требуют сложной схемы подключения. Трехпроводная схема компенсирует сопротивление проводов, а четырехпроводная полностью исключает это влияние. Однако такие системы чувствительны к качеству монтажа — плохой контакт в соединительной коробке может давать погрешность до 5-10°C. Особенно критично это для трансформаторов, работающих в условиях вибрации, где контакты постепенно разбалтываются.

Термопары типа K, хотя и способны измерять высокие температуры до 1200°C, на практике редко используются в сухих трансформаторах из-за низкой стабильности характеристик. Кроме того, слабый сигнал термопар (около 40 мкВ на градус) крайне чувствителен к электромагнитным помехам, неизбежным вблизи силового оборудования.

Современные цифровые системы мониторинга решают многие из этих проблем, но создают новые. Микропроцессорные терминалы защиты, хотя и обладают алгоритмами цифровой фильтрации, вносят задержку обработки сигнала до 100 мс. В критических ситуациях, когда температура растет со скоростью 10-20°C в минуту, это может привести к запаздыванию срабатывания на 1-2°C. Адаптивные алгоритмы, учитывающие тепловую инерцию трансформатора, требуют точного задания параметров — тепловой постоянной времени обмоток (15-30 минут) и сердечника (1-2 часа). Ошибка в этих параметрах на 20-30% приводит к существенному расхождению расчетной и реальной температуры.

Внешняя защита трансформатора подразумевает установку датчиков температуры не на самом корпусе оборудования, а в помещении, где он смонтирован: они фиксируют температуру окружающего воздуха. Такие системы имеют ряд ограничений.

«Если датчик находится снаружи, обработка сигнала происходит дольше и на подачу команды на сигнализацию или отключение уходит больше времени. Внутренний датчик срабатывает быстрее. Поэтому внешний используют редко — когда по какой-то причине нет внутреннего контроллера.  Использовать их вместе есть смысл только в ситуации, когда есть внешние устройства (вентиляция, обдув трансформатора), охлаждающие помещение. Внешние датчики фиксируют температуру воздуха и при превышении критического значения открывают жалюзи для естественной вентиляции трансформатора. Если этого не хватает, идет второе срабатывание уставки, например, на включение вентилятора, если это требование было заложено в проект Заказчиком», — делится мнением Андрей Карташов.

Определённую сложность доставляет неравномерность нагрева обмоток. В трансформаторах с естественным охлаждением разница температур между наиболее и наименее нагретыми участками (так называемая «горячая точка») может достигать 15-20°C. Датчики, установленные в «холодной» зоне, будут давать заниженные показания, в то время как в других частях обмотки уже может начаться термическое старение изоляции.

«Данная проблема может возникать из-за большой площади обмотки. Интенсивный нагрев может происходить в какой-то одной части. И необязательно там, где установлен датчик. В этом случае он фиксирует перегрев с задержкой, которая бывает критична. На момент обнаружения перегрева обмотка может уже начать лопаться или повреждаться изоляция. Чтобы этого избежать, можно рассмотреть вариант установки бОльшего числа датчиков при согласовании с производителем трансформаторов. Это позволяет получить усредненную картину по всему объёму обмотки и минимизировать риск пропуска локального перегрева», — отмечает специалист.

Таким образом можно резюмировать, что внешние тепловые защиты менее точны, так как измеряют температуру косвенно (например, по нагреву корпуса). Они применяются в ситуации, когда встроенные датчики недоступны или экономически нецелесообразны.

Масляные трансформаторы

В отличие от сухих трансформаторов, где активная часть залита компаундом, масляные аппараты представляют собой динамичную систему. Трансформаторное масло — это не просто охлаждающая и изолирующая среда. Это сложная физико-химическая система, которая первой реагирует на любые внутренние процессы: перегрев, разложение изоляции, возникновение электрических дуг. Именно поэтому защита масляного трансформатора строится по принципу глубокого эшелонирования, где каждый уровень страхует предыдущий.

Газовая защита (Реле Бухгольца)

Реле Бухгольца — это устройство, способное диагностировать тип развивающейся аварии. Оно монтируется в трубопроводе между баком трансформатора и расширителем.

Первая ступень — сигнализация: при медленном газовыделении (например, из-за локального перегрева, тления изоляции) газы накапливаются в верхней камере реле. Поплавок опускается, замыкая контакты цепи сигнализации. Это требует немедленного реагирования: отбор проб газа для хроматографического анализа позволяет точно определить природу дефекта.

Вторая ступень — отключение: при быстром развитии аварии (витковое замыкание, пробой изоляции) возникает ударная волна паровоздушной смеси. Она воздействует на заслонку, которая мгновенно инициирует полное отключение трансформатора, предотвращая его разрушение.

Дифференциальная защита: точное определение зоны повреждения

Это основной вид релейной защиты, реагирующий на внутренние повреждения. Принцип действия основан на сравнении токовых величин на входе и выходе трансформатора. Любое рассогласование, вызванное внутренним КЗ, приводит к немедленному отключению выключателей. Современные микропроцессорные терминалы позволяют нивелировать трудности, связанные с преобразованием токов разных сторон, трансформацией тока намагничивания и другими факторами.

Тепловой контроль и мониторинг давления

Термометрическая система (ТСМ) контролирует температуру верхних слоев масла, имея уставки на сигнал и на отключение. Мановакуумметры выполняют двойную функцию: контролируют состояние вакуума после заливки масла (для исключения газовых включений) и мониторят давление при эксплуатации. Если они фиксируют резкий скачок давления, это говорит о возникновении серьёзной аварии. Реле давления, установленное на крышке бака, является последним рубежом защиты. При чрезвычайном росте давления оно производит аварийное отключение, страхуя реле Бухгольца.

Одним из уязвимых мест в защите масляных трансформаторов является проблема «холодного пуска». При резком подключении нагрузки на непрогретый трансформатор возникает тепловой удар. Медь обмоток (малая теплоёмкость) нагревается значительно быстрее масла (большая тепломкость). Возникающий перепад температур создает критические механические напряжения в изоляции.

«При резком включении нагрузки на трансформатор, когда он находится еще в «холодном» режиме, масло не успевает охлаждать и равномерно перераспределять температуру обмоток внутри трансформатора. Металлическая часть обмотки нагревается гораздо быстрее, чем само масло. Перепад температур оказывает прямое влияние на эффективность работы трансформатора. Чтобы исключить сбои, стоит сначала прогревать трансформатор до рабочей температуры в режиме холостого хода и только потом плавно наращивать нагрузку. Эта простая процедура значительно продлевает ресурс оборудования», — предупреждает ведущий инженер ЧЗЭО Андрей Карташов.

Ещё одна проблема, с которой могут столкнуться энергетики, это неравномерность охлаждения. Разная скорость обдува секций радиаторов и естественной конвекции масла приводит к образованию локальных «горячих точек». Эта проблема решается на этапе проектирования системами принудительного охлаждения (ДЦ, ЦЦ), но требует регулярной очистки радиаторов в процессе эксплуатации.

Класс защиты масляных трансформаторов напрямую зависит от мощности и класса напряжения трансформатора. Так, например, для трансформаторов до 1-2.5 МВА ограничиваются установкой предохранителей, газовой защиты и термосигнализации. А в силовых трансформаторах мощностью 110 кВ и выше применяется полное дублирование основных защит (два реле Бухгольца, основная и резервная дифференциальные защиты), так как их выход из строя несет системные риски для энергосистемы.

Заключение

Защита трансформаторов от перегрева — это комплексная система, где механические защиты (газовая, давления) реагируют на физические признаки возникновения аварии, а релейные (дифференциальная) — на ее электрическую природу. Надёжность этой системы зависит от нескольких условий: современных технических решений, качества материалов и сборки самого трансформатора, его грамотного подключения и эксплуатации.

Челябинский завод электрооборудования работает исключительно с проверенными поставщиками трансформаторного оборудования, которые зарекомендовали себя на рынке благодаря многолетнему опыту и безупречной репутации. Сотрудничество с ведущими изготовителями трансформаторов позволяет ЧЗЭО гарантировать долговечность и безопасность подстанций и распределительных устройств. А собственные сервисная служба и электромонтажный участок обеспечивают полный контроль качества на этапах монтажа, пуско-наладки и ввода оборудования в эксплуатацию.

Источник: Пресс-служба ООО «Челябинский завод электрооборудования»