Глава седьмая
ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА
1. Принцип действия и область применения
Газовая защита в соответствии с ГОСТ 10472—71 предназначена для защиты силовых трансформаторов с масляным заполнением, снабженных расширителями, от всех видов внутренних повреждений, сопровождающихся выделением газа, ускоренным перетеканием масла из бака в расширитель, а также от утечки масла из бака трансформатора.
Измерительным органом газовой защиты является газовое реле. Газовое реле представляет собой металлический сосуд с двумя поплавками (элементами), который врезается в наклонный трубопровод, связывающий бак трансформатора с расширителем. При нормальной работе трансформатора газовое реле заполнено трансформаторным маслом, поплавки находятся в поднятом положении и связанные с ними электрические контакты— разомкнуты. При незначительном повреждении в трансформаторе (например, витковое замыкание) под воздействием местного нагрева из масла выделяются газы, которые поднимаются вверх, к крышке бака, а затем скапливаются в верхней части газового реле, вытесняя из него масло. При этом верхний из двух поплавков (элементов) опускается вместе с уровнем масла, что вызывает замыкание его контакта, действующего на предупредительный сигнал. При серьезном повреждении внутри трансформатора происходит бурное газообразование и под воздействием выделившихся газов масло быстро вытесняется из бака в расширитель. Поток масла проходит через газовое реле и заставляет сработать нижний поплавок (элемент), который дает команду на отключение поврежденного трансформатора. Этот элемент срабатывает также и в том случае, если в баке трансформатора сильно понизился уровень масла (например, при повреждении бака и утечке масла).
Газовая защита является очень чувствительной и весьма часто позволяет обнаружить повреждение в трансформаторе в самой начальной стадии. При серьезных повреждениях трансформатора газовая защита действует достаточно быстро: 0,1—0,2 с (при скорости потока масла не менее чем на 25% выше уставки). Благодаря этим достоинствам газовая защита обязательно устанавливается на всех трансформаторах мощностью 6,3 MB-А и более, а также на всех внутрицеховых понижающих трансформаторах, начиная с мощности 630 кВ-А. Допускается установка газовой защиты и на трансформаторах от 1 до 4 MB-А. На трансформаторах с РПН дополнительно предусматривается отдельная газовая защита устройства РПН [1].
7-2. Типы газового реле и схемы газовой защиты
Первые газовые реле появились около 50 лет назад. Это были так называемые поплавковые реле. В СССР они имели обозначение ПГ-22 и ПГЗ-22 (поплавковое газовое Запорожского трансформаторного завода). В качестве поплавков использовались полые запаянные металлические цилиндры. Контакты выполнялись в виде стеклянных колбочек, частично заполненных ртутью. Каждый из этих ртутных контактов жестко связан с соответствующим поплавком. При опускании верхнего поплавка или опрокидывании потоком масла нижнего поплавка соответствующий ртутный контакт поворачивается и ртуть внутри него переливается таким образом, что замыкает впаянные в колбочку электрические контакты, создавая цепь на сигнал или на отключение [2,3].
В связи с большим количеством неправильных действий газовых защит, в том числе из-за конструктивных недостатков реле ПГ-22 и ПГЗ-22, в 1950-х годах было предложено несколько новых конструкций газовых реле. Наибольшее распространение получило разработанное в Челябэнерго газовое реле РГЧ-61, промышленный выпуск которых освоил Запорожский трансформаторный завод (РГЧЗ-66). Конструкция этого реле описана в § 7-3.
С начала 1970-х годов на отечественных трансформаторах устанавливается газовое реле Бухгольца типа BF-80/Q производства Германской Демократической Республики. Конструкция этого реле описана в § 7-4.
В соответствии с ГОСТ 10472—71 все газовые реле должны иметь два элемента и обеспечивать замыкание двух независимых электрических цепей: сигнальной и отключающей. Правилами [1] предусматривается возможность перевода действия отключающего элемента газовой защиты на сигнал. О том, в каких случаях допускается этот перевод, говорится в § 7-5.
Источниками оперативного тока для газовой защиты могут служить: аккумуляторная батарея, блоки питания, предварительно заряженные конденсаторы и трансформатор собственных нужд (или трансформатор напряжения). Использование в качестве источника переменного оперативного тока ТСН (или TJH) допустимо только в том случае, если для дифференциальной и максимальной токовой защит этого же трансформатора используется другой источник оперативного тока — трансформатор тока (§ 4-5) или предварительно заряженный конденсатор (§ 4-6). При таком сочетании источников оперативного тока повышается надежность защиты трансформатора [23].
Использование для всех защит трансформатора, и в том числе газовой, в качестве источника оперативного тока только предварительно заряженных конденсаторов допустимо лишь при условии обеспечения надежного их заряда не только от источ-ника переменного напряжения 6 или 10 кВ, но и от тока к.з. (§ 4-6).
Рис. 7-1. Часть принципиальной схемы выходных оперативных цепей защиты трансформатора, в том числе газовой, с предварительно заряженными конденсаторами
На рис. 7-1 приведена часть принципиальной схемы выходных цепей защиты трансформатора, в которой источником оперативного тока служат предварительно заряженные конденсаторы БК. Разряд конденсаторов на катушку выходного промежуточного реле РП происходит при срабатывании газовой защиты (замыкается контакт РГО), а также дифференциальной ДЗ или максимальной токовой защиты МТЗ. Одновременно с РП срабатывает соответствующее указательное реле РУ или /РУ, обеспечивая действие аварийной сигнализации. Промежуточное реле действует своими контактами на отключение выключателей всех сторон трансформатора, а также на включение короткозамыкателя или на запуск устройства передачи отключающего импульса. Источниками оперативного тока при выполнении каждой из этих операций служат отдельные блоки конденсаторов (на схеме не показаны). Кроме того, один из замкнувшихся контактов реле РП обеспечивает его самоудерживание.
Это необходимо потому, что при бурном газообразовании и большой скорости потока масла контакт отключающего элемента РГО может замыкаться лишь кратковременно.
С помощью отключающего устройства (накладки) ОУ можно перевести действие отключающего элемента РГО на сигнал (это положение 2 устройства ОУ).
В цепи отключающего элемента РГО имеется размыкающий контакт реле РПКЗ. Он размыкается после включения короткозамыкателя трансформатора, поскольку на этом действие газовой защиты должно прекратиться, несмотря на то, что контакт РГО может остаться в замкнутом положении из-за конструктивных особенностей газового реле.
На рис. 7-2 приведена принципиальная схема отключающих цепей газовой защиты на переменном оперативном токе. Источником оперативного тока служит трансформатор собственных нужд ТСН, включенный со стороны НН трансформатора 10 или 6 кВ. В этой схеме, как и в предыдущей, предусмотрена возможность перевода действия отключающего элемента РГО на сигнал с помощью перестановки отключающего устройства ОУ в положение 1. Имеется также цепь самоудерживания промежуточного реле РП через его замыкающий контакт РП\ и размыкающий контакт РПКЗ, который размыкается после включения короткозамыкателя, когда самоудерживания уже не требуется, но оно могло бы продолжаться, если питание цепей оперативного напряжения производится от ТСН соседнего, неповрежденного трансформатора. Контакты РП2 и РЯ3 действуют соответственно на электромагнит включения короткозамыкателя ЭВКЗ и на электромагнит отключения выключателя 10(6) кВ ЭОВу а на трехобмоточном трансформаторе — и на электромагнит отключения выключателя 35 кВ (на схеме не показан). Все электромагниты предназначены для питания от источника переменного напряжения 220 В. У этих же коммутационных аппаратов имеются и другие ЭВ и ЭО, предназначенные для работы от трансформаторов тока или от предварительно заряженных конденсаторов при действии дифференциальной или максимальной токовой защит трансформатора [23].
Рис. 7-2. Принципиальная схема отключающих цепей газовой защиты на переменном оперативном токе
3. Реле чашечковое РГЧЗ-66
Реле газовое чашечковое, выпускавшееся Запорожским трансформаторным заводом до 1978 г. (РГЧЗ-66), отличается от поплавковых реле ПГ-22 главным образом инструкцией выемной части. Последняя состоит из двух элементов — сигнального и отключающего. Сигнальный элемент представляет собой плоскодонную чашку из анодированного алюминия с жестко прикрепленным контактом, который передвигается при повороте чашки навстречу неподвижному контакту. В нормальном, верхнем, положении чашка удерживается пружинкой, при этом контакты разомкнуты. Когда происходит повреждение трансформатора со слабым газообразованием, газ накапливается в верхней части газового реле и вытесняет из него масло. При понижении уровня масла ниже дна чашки сигнального элемента она опускается под воздействием собственного веса и веса оставшегося в пей масла. Опускаясь, чашка поворачивается вокруг своей оси и сигнальные контакты при этом замыкаются.
Отключающий элемент также представляет собой чашку с контактом, которая удерживается в верхнем положении пружинкой. В отличие от сигнального отключающий элемент имеет пластину (лопасть), расположенную против входного отверстия газового реле. При серьезном повреждении в трансформаторе, сопровождающемся бурным газообразованием, поток масла устремляется через газовое реле и поворачивает пластину. При этом замыкаются контакты, действующие на отключение трансформатора. Сама чашка при повороте пластины не поворачивается. Такая конструкция обеспечивает быстродействие газовой защиты: не более 0,2 с при скорости потока масла не менее чем на 25% выше уставки.
В комплекте реле РГЧЗ имеются три разные пластины, каждая из которых откалибрована на соответствующую скорость потока масла (уставку): 0,6; 0,9; 1,2 м/с. Уставка 0,6 м/с рекомендуется для трансформаторов до 40 MB-А с масляным охлаждением и естественной циркуляцией масла и с дутьем и естественной циркуляцией масла (буквенные обозначения соответственно М и Д). Уставка 0,9 м/с — для трансформаторов свыше 40 MB-А с дутьем (Д). Уставка 1,2 м/с — для трансформаторов любой мощности с масляно-водяным охлаждением с принудительной циркуляцией масла (Ц) и масляным охлаждением с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ) [24].
При аварийной утечке масла из бака трансформатора масло из газового реле уходит и обе чашки опускаются. Контакты газового реле действуют на сигнал и на отключение. Таким образом, отключающие контакты могут замыкаться и при повороте пластины и при опускании отключающей чашки, причем в последнем случае поворачивается также пластина.
Подробное описание реле РГЧЗ-66, указания по наладке и обслуживанию газовой защиты с этим реле приведены в [24].
4. Реле Бухгольца (ГДР)
Газовое реле Бухгольца выпускается Магдебургским заводом электротехники и приборостроения (EGEM) в Германской Демократической Республике. В СССР поставляется с начала 1970-х годов одна из модификаций реле Бухгольца: двухпоплавковое реле BF-80/Q. Индекс В указывает на наличие двух элементов (поплавков), F — на способ крепления — фланцем, Q— на квадратную форму фланца, цифра 80 обозначает внутренний диаметр в миллиметрах трубопровода, в который врезается газовое реле. Присоединительные размеры этого реле такие же, как у реле РГЧЗ-66.
Реле Бухгольца, в том числе BF-80/Q, состоит из металлического корпуса, крышки и встроенного блока. Для осмотра встроенного блока в корпусе имеются застекленные отверстия с откидными крышками,
На крышке реле закреплены: встроенный блок, пробный кран, контрольная клавиша для опробования действия реле путем имитации ухода масла из трансформатора. Здесь же расположены зажимы для присоединения электрических цепей.
Рис. 7-3. Двухпоплавковый блок газового реле Бухгольца (ГДР)
Встроенный блок двухпоплавкового реле (рис. 7-3) состоит из двух элементов: верхнего (сигнального) и нижнего (отключающего). К верхнему поплавку 3 сигнального элемента жестко прикреплен постоянный магнит 6. При уходе масла из корпуса реле верхний поплавок 3 поворачивается в направлении, показанном стрелкой, магнит 6 приближается к магнитоуправляемому контакту 5, что вызывает замыкание цепи сигнализации (два правых зажима 4). Принцип действия и устройство магнитоуправляемых контактов (герконов) описаны в работе [2].
Нижний (отключающий) элемент состоит из поплавка 9, жестко прикрепленного к нему постоянного магнита 7, магнитоуправляемого контакта 8, а также напорного клапана (заслонки)
1, который удерживается в исходном состоянии батареей постоянных магнитов 2. Зазор между магнитами и напорным клапаном может изменяться в зависимости от того, при какой скорости потока масла (уставке) должно срабатывать реле. Уставки отключающего элемента реле Бухгольца несколько отличаются от уставок реле РГЧЗ-66 (§ 7-3). Уставка 0,65 м/с у реле Бухгольца принимается для тех трансформаторов, для которых на реле РГЧЗ-66 устанавливается 0,6 м/с. Во всех остальных случаях используется уставка 1 м/с. Уставку 1,5 м/с у реле BF-80/Q применять не рекомендуется [24].
При серьезном повреждении трансформатора, которое сопровождается бурным газообразованием и сильным перетоком масла из бака в расширитель, поток масла входит в газовое реле и опрокидывает напорный клапан (заслонку) / (на рис. 7-3 направление потока масла показано стрелкой). При этом поворачиваются нижний отключающий поплавок 9 и жестко прикрепленный к нему постоянный магнит 7. После приближения магнита 7 к магнитоуправляемому контакту 8 замыкается цепь отключения газовой защиты (два левых зажима 4).
Время срабатывания реле Бухгольца на отключение при скорости потока масла, на 25% превышающей уставку, составляет по данным завода-изготовителя 0,22 с — для ранее выпускавшихся реле и 0,09 с — для новых реле с измененной конструкцией напорного клапана (заслонки).
При уходе масла из бака трансформатора и, следовательно, из газового реле отключающий поплавок 9 опускается, поворачиваясь таким образом, что постоянный магнит 7 приближается к магнитоуправляемому контакту 5, в результате чего замыкается цепь отключения газовой защиты.
Проверка исправности сигнального элемента на установленном реле Бухгольца производится с помощью испытательного насоса, который навинчивается на пробный кран, расположенный на крышке реле. Проверка работы сигнального и отключающего элементов реле производится путем нажатия контрольной клавиши. За движением поплавков можно наблюдать через застекленное окно в корпусе реле.
При проверке электрической прочности изоляции жил контрольного кабеля газовой защиты с реле Бухгольца необходимо помнить, что электрическая прочность магнитоуправляемых контактов составляет 500—600 В, и поэтому это реле на время проверки необходимо отсоединять. Измерение сопротивления изоляции контактов реле Бухгольца следует производить мегаомметром на 500 В [14]. В 1979 г. Минэнерго СССР выпустило инструкцию по обслуживанию реле BF80/Q.
