ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA

1. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA Predavanje 10. Zaštita električnih mreža Zaštita transformatora Predavač: Damir Karavidović, dipl.ing.

2. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Općenito o energetskim transformatorima • U elektroenergetskom sustavu transformator zauzima jedno od najvažnijih uloga, • Uloga transformatora je električnu energiju pretvoriti s niže na višu naponsku razinu i obratno, • Električna energija se dovodi na primar transformatora te se onda elektromagnetskim putem prenosi na sekundar gdje se ovisno o konstrukciji transformatora postiže viša ili niža naponska razina, • Pritom se, naravno, javljaju neki gubici no općenito transformator je električni uređaj s vrlo velikom korisnosti koja se kreće oko 95 %. • Transformator je dakle središnji i najvažniji dio svake transformatorske stanice te kao takav jedan od najvažnijih dijelova mreže, • S obzirom na važnost transformatora, kao i na činjenicu da je cijena transformatora relativno velika u odnosu na ostale dijelove mreže, kao logično nameće se potreba za njegovom kvalitetnom zaštitom od smetnji i kvarova, • Budući da se u mreži napon često transformira s više na nižu naponsku razinu i obratno, dolazi do određenih padova napona na vodovima kao i u samom transformatoru. Potrošnja pak zahtijeva stabilan napon i da se izbjegnu mogući problemi zbog padova napona transformatori se izvode s regulacijom napona,

3. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Temeljni tehnički podatci energetskog transformatora Nazivni omjer transformacije • Omjer napona u transformatoru naziva se omjer transformacije. U jednofaznom dvonamotajnom transformatoru sa željeznom jezgrom i dobrom magnetskom ulančanošću, omjer transformacije određen je izrazom za napone, a za struje vrijedi gdje su U1 i U2 naponi primara, odnosno, sekundara, te I1 i I2 pripadajuće struje, a N1 i N2 brojevi namotaja primarnog odnosno sekundarnog namotaja. Nazivni omjer transformacije je omjer nazivnih napona transformatora. To su naponi neopterećenog transformatora za koje je on građen i prema kojima se određuju ispitni naponi transformatora.

4. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Temeljni tehnički podatci energetskog transformatora Nazivna snaga • Nazivna snaga je ona utvrđena vrijednost prividne snage kojom se može trajno opteretiti transformator uz nazivni napon i frekvenciju, a da zagrijanost ne prijeđe dopuštenu razinu. • Nazivnom snagom jamči se da će transformator davati nazivnu izlaznu struju ako su mu na ulazne stezaljke priključeni nazivni ulazni napon i nazivna ulazna frekvencija. • Nazivna snaga određuje se dogovorno na osnovu izlaznog napona, tj. napona praznog hoda, i nazivne izlazne struje, te prema tome predstavlja ustvari nazivnu ulaznu snagu jer je : gdje je U2o napon praznog hoda, U1 ulazni napon, a I1 i I2 nazivna ulazna odnosno izlazna struja.

5. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Temeljni tehnički podatci energetskog transformatora Nazivna snaga • Za razliku od ostalih električnih strojeva kod kojih se nazivna snaga definira kao čista izlazna snaga, kod transformatora se ona definira uz pomoć napona praznog hoda koji pak ne odgovara stvarnom stanju u pogonu opterećenog transformatora. • No ukoliko računamo sa nazivnim izlaznim naponom dolazi do poteškoća jer je izlazni napon ovisan o teretu, tj. njegovom faktoru snage, pa bi tako mogli nazivnu snagu definirati za samo određeni faktor snage tereta. • Općenito se kod trofaznih transformatora nazivna snaga može računati prema dolje navedenom izrazu: gdje je struja In ona koja teče kroz linijsku stezaljku pri nazivnom naponu Un. • Za trofazne transformatore karakteristične snage kreću se : 100, 125, 160, 200, 250, 315 kVA........10, 20.....400 MVA.

6. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Temeljni tehnički podatci energetskog transformatora Regulacija napona • Kako se u mreži napon često transformira s više na nižu naponsku razinu i obratno, dolazi do određenih padova napona na vodovima kao i u samom transformatoru. • Potrošnja pak zahtijeva stabilan napon pa kako bi se izbjegli mogući problemi zbog padova napona rabi se regulacija napona. • Razlikujemo dvije vrste regulacije napona : regulacija u beznaponskom stanju i regulacija napona pod opterećenjem. • Transformatori 110/35/10 kV se obično izvode u nazivnom prijenosnom omjeru 110 ± 15 ×1.5% /36.75 /10.5 kV, s automatskom regulacijom. Transformatori 35/10 kV se obično izvode s prijenosnim omjerom 35/10.5 kV, s beznaponskom regulacijom ±2×2.5%. Transformatori 10/0.4 kV se obično izvode s prijenosnim omjerom 10/0.4 kV, s beznaponskom regulacijom ±2×2.5%. • Regulaciju prijenosnog omjera transformatora omogućava posebno izvedena primarna strana namota na čvrsti i regulacijski dio. Regulacijskom sklopkom određuje se pogonski prijenosni omjer transformatora kojim se održava referentni napon

7. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Temeljni tehnički podatci energetskog transformatora Zvjezdište transformatora • Zvjezdište transformatora, ovisno o potrebama, može biti uzemljeno ili neuzemljeno. Dakle, razlikujemo dva stanja: • zvjezdište uzemljeno • zvjezdište neuzemljeno. Kod transformatora 110/x kV, 110 kV strana je najčešće direktno uzemljena dok se niženaponska strana uzemljava posredno ili ostavlja neuzemljena. Kod transformatora 35/10(20) kV, 35 kV strana je uvijek neuzemljena dok se niženaponska strana uzemljuje preko djelatnog otpora, prigušnice ili ostaje neuzemljena.

8. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Međusobno djelovanje transformatora i mreže Uključenje transformatora u mrežu • Prilikom uključenja transformatora u pogon u transformatoru se trenutno pojavljuje struja koja je nekoliko puta veća od nazivne te se uslijed zagrijavanja namoti termički naprežu ali ne u tolikoj mjeri da bi izazvali veća oštećenja. • Ako transformatoru s otvorenim stezljkama sekundara narinemo nazivni napon na primar kroz primarni namot poteći će struja praznog hoda gdje je • Razlika prema prijelaznoj pojavi kod kratkog spoja je dakle u vremenskoj konstanti koja je kod uključenja veća od one kod kratkog spoja (X1/R1 mnogo veći od Xk/Rk).

9. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Međusobno djelovanje transformatora i mreže Uključenje transformatora u mrežu • Najmanja struja ukapčanja se javlja u trenutku α – φ = 0, dok se najveća struja javlja u trenutku ωt = 0 ili π. • Uzme li se u obzir da je kod uključenja u jezgri ostao neki remanentni tok koji time pretpostavlja potrebnu manju struju magnetiziranja, udarna struja ukapčanja u najgorem slučaju može dostići vrijednost udarne struje kratkog spoja, • No kako je induktivitet primara znatno veći od rasipnog induktiviteta, koji je važan kod struje kratkog spoja, zaključujemo kako će udarna struja uključenja uvijek biti manja od one kratkog spoja. • Za mehanička naprezanja veći utjecaj ima udarna struja kratkog spoja od struje uključenja ali s obzirom na vrijeme trajanja može utjecati na proradu nadstrujne zaštite..

10. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Međusobno djelovanje transformatora i mreže Prazni hod transformatora • Prazni hod transformatora je pogonsko stanje u kojem je primarna strana transformatora priključena na nazivni napon dok mu je sekundar otvoren. • Kroz primarni namotaj poteče struja koja se sastoji od dvije komponente: - od reaktivne komponente koja služi za magnetiziranje željezne jezgre transformatora i - aktivnekomponente kojom predstavljamo gubitke u praznom hodu. • Zbog nelinearnosti karakteristike B = f (H), struja magnetiziranja je ne sinusnog oblika, dakle izobličena jer sadržava više harmonike, od kojih je izražen treći.

11. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Tipični tijek struje uključenja transformatora u prazni hod

12. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Harmonijski spektar struje uključenja transformatora u prazni hod • U struji uključenja uvijek prevladava drugi harmonik, a zbog velike vrijednosti DC komponente u struji magnetiziranja pri uključenju transformatora. Međutim, njegova vrijednost može pasti ispod 20%. Minimum sadržaja drugog harmonika prvenstveno zavisi od koljena karakteristike magnetiziranja jezgre transformatora.

13. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Vrijednosti struje uključenja transformatora u prazni hod • Struje uključenja mjerene u pojedinim fazama trofaznog transformatora mogu se značajno razlikovati zbog slijedećeg: • fazni kut napona napajanja je različit u različitim fazama, • kad je u pitanju spoj trokut, namotaji su priključeni na linijski napon, • kod spoja trokut linijska struja u datoj fazi je vektorski zbir struja dva namotaja, • zavisno od vrste jezgra transformatora i drugih uvjeta, samo neki od stupova transformatora mogu biti u zasićenju. • Kao rezultat prethodno navedenog, struje u pojedinim fazama mogu izgledati kao u slučaju uključenja samo jedne faze ili postati izobličenog ali i oscilatornog valnog oblika (slika 2.)

14. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Struje uključenja transformatora u prazni hod • Slika 2. Uključenje transformatora spoja zvijezda-trokut

15. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Struje uključenja transformatora u prazni hod • Zbog velike i sporo padajuće DC komponente struja magnetiziranja pri uključenju transformatora može se izazvati zasićenje strujnih transformatora čak i kada je magnituda ove struje prilično niska. Kada se nalazi u zasićenju strujni transformator uzrokuje određeno izobličenje sekundarne struje što može smanjiti sadržaj drugog harmonika. • Kada se bliži vanjski kvar isključi odgovarajućom zaštitom i pripadajućim prekidačem napon na priključcima transformatora se vraća na normalan naponski nivo. Ovako stvoreni uvjeti su slični energizaciji transformatora i mogu dovesti do pojave struje magnetiziranja. Međutim, dva faktora čine ovu situaciju drukčijom: • korak promjene napona je obično puno manji nego tokom uključenja transformatora osim kod pojave i otklanjanja bliskog trofaznog kratkog spoja kada se situacija podudara s uključenjem transformatora, • obično tokom vanjskog kvara nema značajne neusuglašenosti toka, te je vjerojatnoća pojave ozbiljnog zasićenja jezgra transformatora mala.

16. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Struje uključenja transformatora u prazni hod • Dijagrami struja prilikom uključenja transformatora u paralelni rad

17. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Ponovimo o praznom hodu transformatora • Prazni hod transformatora je pogonsko stanje u kojem je primarna strana transformatora priključena na nazivni napon dok mu je sekundar otvoren. • U tom slučaju kroz primarni namotaj teče struja koja se sastoji od dvije komponente. Sastoji se od jalove komponente koja služi za magnetiziranje željezne jezgre transformatora te djelatne kojom predstavljamo gubitke u praznom hodu. • Zbog nelinearnosti karakteristike B = f (H), struja magnetiziranja je nesinusnog valnog oblika, dakle sadržava i više harmonike, od kojih je najznačajniji treći.

18. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kratki spoj u mreži • Kratki spoj je najteže vrsta kvara u mreži. Do kratkog spoja dolazi vodljivim premoštenjem izolacije između dijelova električnog postrojenja koji se nalaze na različitim potencijalima. • Struje kratkog spoja obično dosežu višestruku vrijednost pogonskih struja, tako da treba računati sa znatnim dinamičkim i termičkim naprezanjima svih pogonskih uređaja pa tako i transformatora. • Dakle pri konstrukciji transformatora kao i pri dimenzioniranju zaštite treba voditi računa da transformator do isključenja struje kratkog spoja bude u stanju podnositi kako dinamička, tako i termička naprezanja. S druge strane, potrebno je odrediti i minimalne struje kratkog spoja jer one su mjerodavne pri izboru zaštitnih uređaja. • Prilikom proračuna kratkog spoja od interesa su dakle dvije vrste struja: • Maksimalna struja kratkog spoja, koja je važna kod dimenzioniranja prekidača te kod elektrodinamskih naprezanja transformatora kao i ostalih dijelova mreže, • Minimalna struja kratkog spoja, koja ima važnu ulogu pri izboru podešenja zaštite

19. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kratki spoj u mreži U mreži razlikujemo, kako smo već učili nekoliko vrsta karatkih spojeva: • tropolni kratki spoj • dvopolni kratki spoj • dvopolni kratki spoj uz istovremeni dodir sa zemljom (u uzemljenoj mreži) • jednopolni kratki spoj (u uzemljenoj mreži) a) b) c) d)

20. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kratki spoj u mreži Statistika kvarova u mreži pokazuje: • tropolni kratki spoj 5% • dvopolni kratki spoj + dvopolni kratki spoj sa zemljom 15% • jednopolni kratki spoj 80% Općenito struju kratkog spoja, takozvanu trajnu struju kratkog spoja možemo definirati izrazom : gdje su: • Un i In nazivni napon i struja transformatora, • Uk napon kratkog spoja odnosno uk njegov iznos izražen u postotcima nazivnog napona, a određujemo ga pokusom kratkog spoja.

21. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kratki spoj u mreži • Izračunima i iskustvom došlo se do spoznaje kako udarna struja kod malih transformatora praktički ne prelazi 40-struku, a kod velikih transformatora 30-struku vrijednost nazivne struje. • Struja kratkog spoja je i u ustaljenom stanju velika, dok joj najveća vrijednost u prijelaznom stanju dostiže 30% do 80% više od amplitude ustaljene struje kratkog spoja. • Na slici možemo vidjeti vremenski tok udarne struje kratkog spoja važne za fizičko dimenzioniranje transformatora.

22. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kratki spoj u mreži • Najjednostavnija jednadžba kojom se opisuje sila F koja djeluje na vodič u magnetskom polju s indukcijom “B”, protjecan strujom vrijednosti “I” dužine “l” glasi : • Sile i njihov način djelovanja kod različitih izvedbi namota možemo vidjeti na slici. Te sile u normalnom pogonu nisu prevelike da ih bakar u namotaju ne bi mogao podnijeti, no problem predstavljaju veći kvarovi kod kojih dolazi do udarne struje kada te sile višestruko rastu.

23. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kratki spoj u mreži Slike posljedica kvara u mreži

24. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru • Kvarovi koji mogu utjecati na ispad transformatora mogu biti vanjski i unutarnji kvarovi. • Teško je međutim strogo definirati razliku između ove dvije vrste kvarova budući kao vanjske kvarove možemo definirati razna pogonska stanja u daljim dijelovima mreže, prenapone, kratke spojeve, preopterećenja kao i razne atmosferske neprilike koje izravno utječu na transformator. • Unutarnji kvarovi transformatora su pak najčešće posljedica nekih vanjskih kvarova te se tako vidi veza između vanjskih i unutarnjih kvarova. • Možemo reći kako kvarovi izvan transformatora (u mreži, atmosferi...) kao posljedicu izazivaju kvar unutar samog transformatora Općenito, kvarove na transformatoru možemo podijeliti na slijedeće: • Kvarovi na namotajima i izvodima transformatora, • Kvarovi jezgre transformatora, • Kvarovi transformatorskog pribora i spremnika, • Abnormalna pogonska stanja, • Održivi ili neočišćeni vanjski kvarovi, • Kvarovi na namotajima i izvodima transformatora .

25. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru Općenito, kvarove na transformatoru možemo podijeliti na slijedeće: • Kvarovi na namotajima i izvodima transformatora, • Kvarovi jezgre transformatora, • Kvarovi transformatorskog pribora i spremnika, • Nenormalna pogonska stanja, • Održivi ili neočišćeni vanjski kvarovi, Kada je riječ o kvarovima na namotajima, pri definiranju reda veličine struje određenog kvara moramo imati na umu nekoliko faktora koji utječu na veličinu struje kvara. Značajke kvara ovise o: • impendanciji izvora, • impendanciji uzemljenja zvjezdišta, • rasipnoj reaktanciji transformatora, • naponu kratkog spoja i • vrsti spoja namotaja

26. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru Kada govorimo o kvarovima namotaja susrećemo nekoliko različitih slučajeva koji svaki ima posebne značajke glede struja kvara u primarnom i sekundarnom namotaju, navodimo primjer kod trafa s namotajem spojenim u zvijezdu i s zvjezdištem uzemljenim preko otpora. Struja koja se javlja kod kvara u ovakvom spoja ovisi o vrijednosti impendancije uzemljenja i također je proporcionalna udaljenosti kvara od neutralne točke jer će napon kvara biti izravno proporcionalan toj udaljenosti. Za kvar na sekundarnom namotaju trafa pripadajuća struja primara ovisi o prijenosnom omjeru između broja zavoja primarnog namotaja te broja kratkospojenih zavoja sekundarnog namotaja. Također dolazimo do razlika koje ovise o mjestu kvara tako je struja kvara kroz primarni namotaj proporcionalna kvadratu dijela namotaja koji se kratko spojio.

27. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru Namot spojen u zvijezdu s krutim uzemljenjem Struja kvara uglavnom ovisi o rasipnoj reaktanciji namota koja na složen način varira u ovisnosti o položaju kvara. Također i kod ovakvog kvara napon kvara ovisi o položaju kvara slično kao i kod prethodnog slučaja. Za kvarove koji su blizu neutralnom kraju namota reaktancija je vrlo mala, što rezultira najvećim iznosima struja kvara Za kvarove sekundarnog namota, struja kvara primarnog namota određena je promjenjivim omjerom transformacije. Budući struja kvara kroz sekundar zadržava veliku vrijednost kroz namota, struja kvara primara je velika za većinu točaka mogućeg mjesta kvara duž namota

28. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u mreži i utjecaj na transformator • Kvarovi u mreži uzrokuju i određene probleme za transformator kao dio te mreže, bez obzira što se sam kvar nije dogodio na promatranom transformatoru nego negdje unutar mreže. • Kratki spojevi uzrokuju relativno veliko zagrijavanje sabirnica transformatora a i povećanje struje može uzrokovati i dodatno zagrijavanje namota transformatora pa pri tome i povećanje gubitaka u bakru. • Gubici u bakru rastu proporcionalno s kvadratom struje kvara po jedinici. Tipično vrijeme trajanja vanjskih kratkih spojeva koje transformator može podnijeti bez oštećenja, ako je struja ograničena samo s vlastitom reaktancijom, su :

29. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u mreži i utjecaj na transformator Namotaj spojen u trokut • Nijedan dio namota spojenog u trokut ne djeluje s naponom prema zemlji manjim od 50% faznog napona. • Veličina struje kvara stoga je manja nego kod zvijezda spojenih namota. • Stvarna vrijednost struje kvara i dalje će ovisiti o načinu uzemljenja tj. o impendanciji. • Očekivana impendancija je između 25% i 50% temeljeno na prijenosnom omjeru transformatora. kako je napon prema zemlji prije kvara sada polovica faznog napona, struja zemljospoja ne može biti veća od nazivne ili pak manja od te vrijednosti ako je impendancija uzemljenja mjerljiva. • Struja će teći ka mjestu kvara kroz svaku stranu dvije polovice namota i bit će podijeljena između dvije faze sistema. • Pojedinačna struja kroz fazu može biti relativno mala što također može uzrokovati probleme pri projektiranju zaštite s gledišta ostvarenja osjetljivosti.

30. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u mreži i utjecaj na transformator Kvarovi jezgre transformatora • Do kratko spojenog kruga u jezgri dolazi obično na tupom spoju ili ga stvaraju loše izolirani vijci i tlačne ploče kojima je stegnuta jezgra. • Pri tome dolazi do zagrijavanja koje ovisi o vrijednosti struje. Zagrijavanje samo po sebi se teže detektira jer i u normalnom pogonu dolazi do zagrijavanja transformatora. No uslijed zagrijavanja jezgre može doći do oštećenja izolacije namota, a i transformatorsko ulje gubi svoja svojstva. • U najgorem slučaju dolazi do taljenja željeza. Zato je preporučljivo da se takav kvar detektira prije nego što izazove neko veće oštećenje. • Sam kvar neće proizvesti veće promjene u iznosima izlazne struje te ga se ne može otkriti uobičajenim zaštitnim uređajima utemeljenim na mjerenju struje.

31. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u mreži i utjecaj na transformator Kvarovi transformatorskog pribora i spremnika • Gubitak ulja uzrokovan curenjem će trenutno dovesti do neželjenih opasnih uvjeta bilo zbog smanjenja izolacije namota ili zbog pregrijavanja uzrokovanog gubitkom ulja koje služi i kao sredstvo hlađenja. • Pregrijavanje se također može pojaviti uslijed preopterećenja, blokiranja otvora za hlađenje ili kvara na uređajima za prisilno hlađenje ako ga transformator ima.

32. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u mreži i utjecaj na transformator Kvarovi transformatorskog pribora i spremnika • Gubitak ulja uzrokovan curenjem će trenutno dovesti do neželjenih opasnih uvjeta bilo zbog smanjenja izolacije namota ili zbog pregrijavanja uzrokovanog gubitkom ulja koje služi i kao sredstvo hlađenja. • Pregrijavanje se također može pojaviti uslijed preopterećenja, blokiranja otvora za hlađenje ili kvara na uređajima za prisilno hlađenje ako ga transformator ima.

33. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u mreži i utjecaj na transformator Maksimalno mehaničko naprezanje namotaja događa se u prvoj periodi trajanja kvara. Problemi vezani uz ovakve vrste kvarova rješavaju se samom konstrukcijom namotaja. Prenaponi koji utječu na transformator mogu se podijeliti u dvije vrste : • Tranzjentni udarni naponi • Prenaponi pogonske frekvencije Tranzjentni prenaponi nastaju uslijed kvarova, isključenja transformatora iz mreže na koju je priključen ili uslijed atmosferskih pražnjenja i odgovorni su za kvarove na namotajima koji su već opisani. Ovakvi prenaponi razlikuju se i po duljini trajanja i po intenzitetu. Za transformatore su općenito, zbog svog intenziteta najopasniji prenaponi nastali atmosferskim pražnjenjem. Oni ovise i o mjestu mjestu pražnjenja. Tranzjentni udarni prenaponi otklanjaju se ugradnjom odvodnika prenapona koji prenapon preuzimaju na sebe, odnosno, „režu“, a prednost im je u tome što nakon eliminiranja kvara mreža ostaje i dalje napajana električnom energijom.

34. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u mreži i utjecaj na transformator Prenaponi pogonske frekvencije • odlikuju se relativno dugim vremenom trajanja, a mogu biti neprigušeni ili slabo prigušeni. • prenaponi pogonske frekvencije uzrokuju stres na izolaciji transformatora i njegovih namotaja i proporcionalni porast magnetskog toka. • posljedica kvarova od prenapona pogonske frekvencije: • javlja se povećani gubitak u željeznoj jezgri i neproporcionalni porast struje magnetiziranja, • magnetski se tok skreće u druge željezne dijelove trafa, pa dolazi do znatnog zagrijavanja na vijcima i stezaljkama, a to ako se kvar ne ukloni na vrijeme, može dovesti do oštećenja jezgre transformatora

35. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru – unutarnji kvarovi transformatora Općenito, na samom transformatoru mogu nastupiti slijedeći kvarovi: • Proboj izolacije namotaja prema masi transformatora, 2. Proboj izolacije između primarnog i sekundarnog namotaja, • Proboj izolacije između faza, • Spoj među zavojima iste faze, • Kratki spoj u jezgri.

36. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru • Tok struje kvara po fazama

37. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru – unutarnji kvarovi transformatora Kod kvarova prikazanih pod 1), 2) i 3) moramo razlikovati dva slučaja: • Proboj izolacije od prenapona, koji obično nemaju snage podržati luk, nego odmah nestanu, stvaraju sitnu rupicu kroz tvrdi dio izolacije koju zalije ulje pa ostaje tek mala vidljiva točkica. Namotaj nije teže oštećen no izolacija na tom mjestu je ipak trajno oslabljena te s vremenom i pojavom sličnih stanja može doći do težeg oštećenja transformatora. • Proboj izolacije djelovanjem udarnih naponskih valova većih snaga ili od pogonskih prenapona koji su takvog reda veličine da odmah razvijaju i podržavaju električni luk te tope bakar vodiča. Ovakvi proboji trenutno i trajno oštećuju namotaj transformatora.

38. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Kvarovi u transformatoru – unutarnji kvarovi transformatora Kod spoja među zavojima, kvar 4., moramo isto tako razlikovati dva tipična slučaja : • spoj među zavojima transformatora male snage Kod transformatora male snage sa malim naponom između zavoja napon je premalen da bi podržavao luk, pa nastupa samo zagrijavanje kratkospojenog zavoja radi struje kratkog spoja. Vodič se sve više grije, izolacija na kratko spojenom zavoju gori, postepeno izgori izolacija i na susjednim zavojima, pa se i između njih stvara kratki spoj, te se kvar relativno polako širi i traje čak nekoliko minuta. • spoj među zavojima transformatora velike snage Kod transformatora velikih snaga je napon jednog zavoja dovoljno velik da spoj među zavojima odmah pretvori u luk. Pri tom se bakar topi i kvar se velikom brzinom širi. .

39. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova • Kvarovi u transformatorima su najčešće potaknuti kvarovima u mreži ali djelomično nastaju spontano u samim transformatorima. Kvarovima smo se prethodno bavili, a sada ćemo se baviti i zaštitom transformatora i postrojenja od kvarova. • U pogonu su najčešći pojavni oblici kvarova preskoci na izvodima iz transformatora i spojevi među zavojima iste faze. • Međufazni kratki spojevi događaju se rjeđe jer je izolacija između faza znatno dimenzionirana razmještajem namota na stupovima jezgre. • Izolaciju među zavojima naprežu vrlo strmi prenaponski valovi. Česti su i preskoci ili proboji prema uzemljenim dijelovima. Osim kvarova, u pogonu se javljaju i opasna pogonska stanja kao: • preopterećenje transformatora izazvano ispadom drugih transformatora ili dalekovoda koji paralelno napajaju isto područje. • protok struje kratkog spoja u mreži kroz transformator

40. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova Zahtjevi pred djelovanjem zaštite • U slučaju kvara u transformatoru uređaji zaštite (releji) trebaju transformator što prije odvojiti od svih izvora napajanja kako bi se izbjegle neželjene posljedice i pretjerano velika oštećenja transformatora • Kod najave opasnih stanja koja još nisu dovela do kvara, zahtijeva se signaliziranje kvara te potom s vremenskom odgodom i isključenje transformatora iz pogona, a prije nego dođe do prelaska opasnog stanja u kvar, odnosno do proširenja kvara i znatnijih oštećenja transformatora.

41. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Od unutarnjih kvarova mogu se primijeniti slijedeći kriteriji za djelovanje zaštite: • kriterij razlike struje (diferencijalni kriterij-diferencijalna zaštita) • kriterij velike struje (nadstrujni kriterij-kratkospojna nadstrujna zaštita) • kriterij pojave plina (plinski kriterij-Buholz zaštita), • kriterij visoke temperature ( temperaturni kriterij-termička zaštita) • kriterij nulte struje (nadstrujni kriterij-zemljospojna zaštita) • kriterij pada impedancije (podimpedantni kriterij-distantna zaštita) Za pojedine vrste kvarova i poremećaja koriste se: • zaštita od preopterećenjai prekomjernog zagrijavanja - termička zaštita, • zaštita od vanjskog KS - nadstrujna zaštita sa strujno nezavisnom vremenskom karakteristikom ili pak distantna zaštita, • zaštita od unutarnjeg KS – diferencijalna zaštita, kratkospojna nadstrujna zaštita, Buholz zaštita, distantna zaštita, • zaštita od unutarnjeg jednofaznog KS – jednofazna nadstrujna zaštita, zemljospojna zaštita, kotlovska zaštita

42. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Diferencijalni kriterij-Diferencijalna zaštita

43. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Diferencijalna zaštita • Diferencijalna zaštita transformatora je pouzdana i sigurna zaštita transformatora posebno za međufazne kratke spojeve, spojeve među zavojima i kod proboja izolacije prema uzemljenim dijelovima ako je neutralna točka mreže kruto ili uzemljena preko djelatnog otpora. • Diferencijalna zaštita radi na principu razlike struja, dakle koristi kriterij razlike struja. • Pri pogonu bez kvara kroz štićeni objekt i pripadajuće strujne transformatore teku pogonske struje te, s obzirom na odabrane prijenosne omjere strujnih transformatora, i kroz sekundarne namotaje strujnih transformatora teku jednake struje. • Pri pogonu bez kvara kroz diferencijalnu zaštitu, koja mjeri razliku struja sekundara strujnih transformatora, ne teče nikakva struja jer su one istog iznosa i faznog pomaka (ΔI = 0). • Pri pogonu bez kvara zaštita neće reagirati jer ne postoji nikakva diferencijalna struja koja bi pokrenula rad zaštite. • U slučaju kvara u transformatoru struja koja će teći biti će veća od najveće pogonske te će tada kroz zaštitu poteći razlika struja koja će djelovati na proradu zaštite u smislu isključenja energetskog transformatora iz pogona.

44. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora

45. ZAŠTITAELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Diferencijalna zaštita – uporaba međutransformatora • Zato što se kod transformatora razlikuju nazivne struje na primarnoj i sekundarnoj strani u pogonu bez kvara u uređaj zaštite bi za tvorbu kriterija razlike struja tekle različite struje i time dovele do pojave razlike stuja dovoljne za proradu zaštite. • Nazivne struje na primarnoj i sekundarnoj strani razlikuju se i odnose se kao : • Kako bi razlika struja u pogonu bez kvara bila jednaka nuli, potrebno je izjednačiti iznose struje na ulazima u zaštitu s obje strane transformatora po iznosu i faznom položaju i to: • uvažavajući različite prijenosne odnose mjernih transformatora, • uvažavajući grupu spoja transformatora. • To je kod analognih zaštita ostvarivo s međutransformatorima, a kod digitalnih zaštita se izvodi programiranjem djelovanja zaštite.

46. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Načelna shema primjene međutransformatora (dvonamotajni transformator) Međutransformatori za diferencijalnu zaštitu su jednofazne jedinice i odgovarajućim spajanjem triju međutransformatora dobije se trofazni međutransformator. Kako su to jednofazne jedinice, pod prijenosnim omjerom smatra se odnos struja koje teku kroz pojedinačni transformator, tj. pMT = I1'/I2', a ne I1/I2.

47. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Načelna shema primjene međutransformatora kod tronamotajnog transformatora

48. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Problem vanjskih jednofaznih kvarova • Ako je neutralna točka štićenog transformatora na promatranoj strani (primarnoj ili sekundarnoj) uzemljena direktno, kod jednopolnih kratkih spojeva u mreži pojavljuju se struje nulte komponente na sekundarnoj strani glavnih strujnih transformatora. • Nulta komponenta struje javlja se s one strane transformatora na kojoj je nastao kvar. Ukoliko je zemljospoj nastao u niženaponskoj mreži tada nulta komponenta struje može «proći» do uređaja diferncijalne zaštite i poremetiti mu ravnotežu struja uzrokojući njegovu proradu. Stoga je potrebno imati filtar nulte komponente struje koji će spriječiti proradu diferncijalne zaštite, a to je uobičajeno bio međutransformator (MT). • Kako bi se izbjeglo, nepotrebno djelovanje zaštite, sekundarnu stranu MT spajamo u trokut tj. trebao bi biti grupe spoja Yd, a diferencijalna zaštita mora se spajati iza namota spojenog u trokut. Ako je pripadni namotaj štićenog transformatora spojen u trokut, primarni namotaj međutransformatora treba biti spojen u zvijezdu, već prema zahtjevima za finom prilagodbom sekundarnih struja

49. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Nacrt spajanja diferencijalne zaštite tronamotajnog transformatora

50. ZAŠTITA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVAZaštita energetskih transformatora Zaštita transformatora od unutarnjih kvarova i poremećaja Utjecaj struje magnetiziranja i struje uključenja • struja magnetiziranja transformatora djeluje na diferencijalnu zaštitu transformatora kao struja kvara jer se ta struja pojavljuje samo u primarnom namotaju. • struja magnetiziranja ne prelazi iznose veće od 10% nazivne struje transformatora pa ne utječe na djelovanje diferencijalne zaštite koja se obično podešava tako da djeluje u slučaju kada diferencijalna struja dostigne vrijednosti oko 30% nazivne struje. Takvo podešavanje potrebno je kako bi se spriječilo djelovanje diferencijalne zaštite u slučaju povišenja napona, koji može nastati uslijed priključenja transformatora na dugi vod ili pak ako je povišenje potrebno iz pogonskih razloga. Tada, naime raste i struja magnetiziranja koja raste brže od porasta napona pa može uzrokovati probleme u djelovanju diferencijalne zaštite. • Pri uključenju transformatora javlja se relativno velika struja uključenja koja se, slično kao i ona kratkog spoja, sastoji od istosmjerne i izmjenične komponente, a osim toga u izmjeničnoj komponenti pojavljuju se i viši harmonijski članovi.