Способ защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений
METHOD FOR PROTECTION OF POWER TRANSFORMER OF AC TRACTION SUBSTATIONS FROM INTERNAL DAMAGES

Способ защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений относится к области электрифицированных железных дорог, и может быть использован для снижения ущерба при повреждении трансформатора.
Общеизвестно, что для защиты от внутренних повреждений силового трансформатора тяговых подстанций используется релейная защита (газовая, дифференциальная и др.)
Для силовых трансформаторов тяговых подстанций переменного тока известна проблема ложного срабатывания (несрабатывания) релейной защиты при внутреннем повреждении трансформатора.
Известен способ защиты от внутренних повреждений (газовая защита) силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока [Бей Ю.М. Тяговые подстанции / Ю.М. Бей, P.P. Мамошин, В.Н. Пупынин / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с; Фигурнов Е.П. Релейная защита / Е.П. Фигурнов / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп.- Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с]. Способ защиты от внутренних повреждений силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока включающий силовой трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) и устройство релейной защиты и автоматики (РЗА).
Известный способ защиты от внутренних повреждений силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока заключается в следующем.
Внутреннее повреждение силового трансформатора приводит к газообразованию, повышению давления в силовом трансформаторе и разрушению стекла, защищающего от разрушения бака трансформатора. При повреждении масло и газ выбрасываются из трансформатора и создают пожароопасную ситуацию. Газовая защита силовых трансформаторов срабатывает при потоке трансформаторного масла и (или) газа при газообразовании в баке трансформатора в результате разложения масла и изолирующих материалов, а также при понижении уровня масла. Датчиком срабатывания газовой защиты являются контакты газового реле. Конструктивное исполнение предусматривает замыкание цепи при появлении газообразования и на понижение уровня масла. При появлении газообразования и (или) снижения уровня масла силовой трансформатор тяговой подстанции отключается устройствами РЗА при помощи коммутационных аппаратов.
Достоинство способа защиты от внутренних повреждений (газовая защита): отключение выключателей для защиты силового трансформатора при его повреждении. Поток масла и (или) газа в расширитель трансформатора являются критерием повреждения. При этом срабатывает газовая защита.
Недостаток способа защиты от внутренних повреждений (газовой защита) заключается в следующем, что защита не предусматривает реагирование на повреждения, которые предшествуют появлению газообразования и могут привести к тяжелым последствиям (вплоть до возгорания). Запоздалые срабатывания (несрабатывания) защиты приводят к развитию повреждений и увеличению ущерба от внутреннего повреждения трансформатора.
Известен способ защиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита) силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока [Бей Ю.М. Тяговые подстанции / Ю.М. Бей, P.P. Мамошин, В.Н. Пупынин / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с; Фигурнов Е.П. Релейная защита / Е.П. Фигурнов / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп.- Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с]. Способ защиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита) силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока, который включает силовой трансформатор с устройством РПН, измерительные трансформаторы тока, устройство релейной зашиты и автоматики (РЗА).
Известный способ защиты от внутренних повреждений силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока заключается в измерении токов со стороны высшего, тягового и районного напряжения силового трансформатора, определении баланса токов, что является критерием для отключения устройством РЗА (дифференциальная защита) силового трансформатора.
Способ защиты осуществляется следующим образом.
Дифференциальная защита реагирует на небаланс токов при внутренних повреждениях силового трансформатора. Вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока со стороны высшего и тягового напряжения соединяют между собой так, чтобы определить баланс токов приведенных к одному напряжению вторичных токов. При балансе токов (сумма токов меньше уставки) повреждение в трансформаторе отсутствует. При внутреннем повреждении трансформатора (например, повреждение изоляции одной из обмоток) возрастает ток обмоток высшего напряжения при неизменном токе тяговой обмотки и возникает небаланс токов. Дифференциальная защита срабатывает при превышении принятой уставки небаланса для отключения напряжения с поврежденного трансформатора.
Достоинство способа защиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита): защита срабатывает до появления газообразования и (или) потока масла и (или) газа через газовое реле. Отключение происходит без выдержки времени, что позволяет исключить дальнейшее разрушение трансформатора и снижает последствия ущерба от повреждения трансформатора.
Недостаток способа зашиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита) заключается в том, что при изменении коэффициента трансформации, например, устройством РПН силового трансформатора для приведения токов вторичных обмоток трансформаторов тока к одному напряжению не учитывается действительный коэффициент трансформации.
Известный способ работы дифференциальной защиты предусматривает уставку небаланса токов, которая может приводить к ложному срабатыванию (несрабатыванию) защиты. Способ функционирования дифференциальной защиты силового трансформатора тяговых подстанций основанный на небалансе токов не учитывает влияние действительной потери мощности в стали и меди на баланс токов.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в разработке способа защиты от внутренних повреждений силового трансформатора, которая снижает вероятность ложного срабатывания (несрабатывания) релейной защиты при условиях, которые могут приводить к тяжелым технологическим нарушениям и дальнейшему разрушению силового трансформатора.
Для решения поставленной задачи в способе защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений, основанный на измерении токов в обмотках высшего, тягового и районного напряжения, дополнительно измеряют напряжение обмоток высшего, тягового и районного напряжения при помощи измерительных трансформаторов напряжения и определяются небаланс мощности. Небаланс мощности является критерием внутреннего повреждения трансформатора.
Наличие в заявляемом способе защиты от внутренних повреждений силового трансформатора дополнительных измерений показателей электрической энергии - напряжения и определение небаланса мощности отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие в заявляемом способе существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Применение в способе защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений дополнительных измерений напряжения и определение небаланса мощности позволяют снизить вероятность ложного срабатывания (несрабатывания) релейной защиты, исключить развитие предаварийных ситуаций, приводящей к дальнейшему разрушению силового трансформатора и созданию угрозы экологической безопасности и существенного экономического ущерба.
Это обусловлено тем, что способ основан на анализе баланса мощности, который учитывает действительные коэффициенты трансформации силовых трансформаторов тяговых подстанций и потери мощности в трансформаторе, что позволяет исключить ложное срабатывание (несрабатывание) релейной защиты и дальнейшее развитие негативных последствий повреждения трансформатора.
Причинно-следственная связь «Способ защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений», основанного на совершенно другом принципе анализа небаланса мощности не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, следовательно, она является новой. Новизна причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Способ зашиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений иллюстрируется чертежом.
Заявляемый способ предложен для тяговой подстанции переменного тока, как новый способ защиты от внутренних напряжений силового трансформатора, основан на анализе небаланса мощности устройством РЗА включающий измерение токов и напряжений обмоток высшего, тягового и районного напряжения силового трансформатора при помощи измерительных трансформаторов тока и измерительных трансформаторов напряжения.
Баланс потребления активной мощности и расхода, потерь в меди и стали силового трансформатора определим по формуле.
В
Т
Р
где Р, Р, Р - активная мощность, потребляемая силовым трансформатором, расхода распределительных устройств тягового и районного напряжения соответственно, кВт;
СТ
М
ΔР, ΔР - потери в стали и меди силового трансформатора, кВт.
Потери в стали зависят от действительного напряжения на обмотках силового трансформатора и определяются по формуле [Инструкция по организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям - утв. приказом Минэнерго РФ от 30 декабря 2008 г. №326].
х.х
где ΔР - номинальные потери холостого хода, кВт;
ном
U - номинальное напряжение, кВ;
действ.
U - действительное напряжение, кВ.
Потери мощности в меди определим по формулам [Григорьев, Н.П. Управление потерями электрической энергии в силовых трансформаторах тяговых подстанций / Н.П. Григорьев, А.П. Парфианович, А.А. Вукотич // Математическое и экспериментальное моделирование физических процессов: сб. матер, междунар. заочной науч. - практ. конф. / под науч. ред. М.В. Кандели (г. Биробиджан, 20 декабря 2016 г.) - Биробиджан: Изд-во Приамур. гос. ун-та им. Шолом-Алейхема, 2017. - С. 132-139].
AX
BY
CZ
где I, I, I - токи обмоток высшего напряжения силового трансформатора, А;
ax
by
cz
I, I, I - токи обмоток тягового напряжения силового трансформатора, А;
P
P
P, Q - активная и реактивная мощность районной нагрузки силового трансформатора, кВт, кВАр;
B
T
P
R, R, R - активные сопротивления обмоток высшего, тягового, районного напряжения силового трансформатора, Ом.
Баланс реактивной мощности определим по следующей формуле
B
T
P
где Q - реактивная мощность, потребляемая трансформатором, Q - расход реактивной мощности на тяговые нагрузки, и Q - расход реактивной мощности на районные нагрузки напряжением соответственно кВАр;
CT
M
ΔQ, ΔQ - потери реактивной мощности в стали и меди силового трансформатора, кВАр.
Соответственно, небаланс мощности, превышающий уставку небаланса мощности, принятую для устройства РЗА, приводит к срабатыванию релейной защиты дифференциальной мощности силовых трансформаторов, отключаются коммутационные аппараты распределительных устройств высшего, тягового и районного напряжения. При этом способ учитывает влияние действительных коэффициентов трансформации силовых трансформаторов и потери мощности в нем, что снижает вероятность ложного срабатывания (несрабатывания) релейной защиты при условиях, которые могут приводить к тяжелым последствиям технологического нарушения.