Závady v jištění výkonových transformátorů

 

V tomto příspěvku se chci zaměřit na vady v jištění výkonových transformátorů, jejichž důsledkem jsou chybná, pro transformátor škodlivá vypínání nebo nežádoucí časově zpožděná vypínání s přerušením dodávky elektrické energie většího technologického celku. Důvodem uvedeného problému jsou většinou nesprávně nastavené vypínací parametry ochran na primární straně vn a jističů na sekundární straně nn. Tento příspěvek se netýká jištění tavnými pojistkami a ochran transformátorů velkých výkonů vybavených navíc ochranami ke chránění vnitřních poruch vinutí – např. rozdílovými ochranami.

 

Ačkoliv způsob jištění a nastavení vypínacích parametrů ochran má být stanoven projektem, je častým jevem chybné nastavení jejich vypínacích hodnot. K posouzení a volbě správného jištění není postačující znalost technických norem, ale je i nutno znát fyzikální princip funkce transformátoru, význam jeho štítkových parametrů, zejména jmenovitých napětí a proudů (primárních i sekundárních), napětí nakrátko a přípustnou dobu trvání největšího zkratového proudu (kovový třífázový zkrat na sekundární straně), který – není-li výrobcem uvedeno jinak – je stanoven technickou normou na 2 s. Dále je nutná znalost maximálních neporuchových provozních proudů a nárazového (zapínacího) proudu, jehož průběh tvoří časově rychle klesající exponenciála, avšak s vrcholovou hodnotou proudu dosahující až čtrnáctinásobku jmenovitého proudu I_N. Tento zapínací proud je přechodový, doba zániku na velmi malý proud naprázdno (asi 1,5 % I_N) je závislá na konstrukci a výkonu transformátoru a pohybuje se u transformátorů do 2,5 MV·A v rozmezí 0,2 až 0,3 s. Hodnota nárazového zapínacího proudu je závislá i na hodnotě napětí v okamžiku zapnutí. Největší hodnota rázového proudu nastává při zapnutí transformátoru v čase, kdy napětí je blízké nule a naopak. Při návrhu nebo posouzení jištění primární strany transformátoru je vhodné postupovat, jak je popsáno dále.

 

Nepřesahují-li dosavadní a výhledově předpokládané provozní proudy (i krátkodobého trvání např. po dobu rozběhu výkonově největších asynchronních nebo synchronních elektrických motorů nakrátko) jmenovitý proud I_N transformátoru, je vhodné nastavit vypínací parametr proudu I_a ochrany na 125 % I_N transformátoru. Parametr časového zpoždění vypnutí t_a se volí s ohledem na selektivitu jištění, tj. tak, aby byl při poruše vypnut pouze vlastní poruchový vývod transformátoru. Zbylá neporuchová část elektrorozvodné soustavy má zůstat zapnuta. S ohledem na rázový zapínací proud se nastaví u transformátorů vn/nn do 2,5 MV·A vypínací čas t_a na 0,3 s a větší, ne však delší, než je výrobcem stanovena maximální doba trvání zkratu, která bývá do 2 s.

 

Obecně platí doporučené vztahy:

I_p < I_a ≤ 1,25 I_N

0,3 s ≤ t_a < 2 s

 

Kde I_p je největší provozní proud, včetně krátkodobých špiček při spouštění velkých elektromotorů, I_a vypínací hodnota parametru proudu ochrany, t_a vypínací hodnota času ochrany.

 

Jsou-li provozní proudy v krátkodobých intervalech větší než jmenovitý proud transformátoru, nastavuje se vypínací parametr proudu I_a na hodnotu, která je asi o 30 % větší než maximální provozní proud (maximálním provozním proudem se rozumí běžný zatěžovací provozní proud zvětšený o nárůst krátkodobých rozběhových proudů elektromotorů nakrátko největších současně spouštěných výkonů). Není-li transformátor trvale proudově vytížen (alespoň na 80 % jmenovité hodnoty), nezpůsobí ani až trojnásobné překročení jmenovitého proudu po dobu spouštění (max. 50 s) jeho přehřátí. Kromě toho musí být transformátor chráněn proti trvalému přetěžování proudovou časově závislou ochranou s inverzní charakteristikou (převážně na straně nn ochrana jističem) nebo je vinutí chráněno vestavěnými tepelnými čidly. Následně se vykoná kontrola, zda primární proud na straně vn při vzniku dvoufázového zkratu I_2K na sekundární straně transformátoru je alespoň o 25 % větší než nastavená vypínací hodnota proudu I_a.

 

Platí tedy vztahy:

I_a ≥ 1,3I_p

1,25I_a ≤ I_2K

0,3 s ≤ t_a < 2 s

 

Kde I_p je největší provozní proud, včetně krátkodobých špiček při spouštění velkých elektromotorů, I_a vypínací hodnota parametru proudu ochrany, t_a vypínací hodnota času ochrany, I_2K hodnota primárního proudu při dvoufázovém zkratu na nn straně transformátoru.

 

S vyhovující mírou přesnosti jsou hodnoty tří- a dvoufázových zkratových proudů na primární straně vn dány vztahy:

I_3K = k·100I_N/u_K

I_2K = (k·100 I_N·√3)/2 u_K = (√3/2) · (k·100 I_N)/u_K = 0,866 I_3K

 

Kde I_N je jmenovitý primární proud (na straně vn) transformátoru, I_3K proud na primární straně (vn) při třífázovém zkratu na svorkách sekundární strany transformátoru, I_2K proud na primární straně (vn) při dvoufázovém zkratu na svorkách sekundární strany transformátoru, u_K napětí nakrátko transformátoru v %, k konstanta útlumu napájecího vedení k transformátoru a napájecí sítě (volí se 0,8 až 0,9).

 

V případě, že útlum napájecí sítě a napájecího vedení k transformátoru již není zanedbatelný (např. zkratový výkon napájecí sítě nedosahuje alespoň čtyřnásobku výkonu transformátoru nebo je napájecí vedení k transformátoru dlouhé), převede se u_K na skutečné hodnoty v ohmech nebo se složky impedance vedení převedou na poměrné procentní hodnoty, sečtou se a vykoná se upřesňující výpočet^*).

 

Výpočet je snadný, měl by ho zvládnout každý revizní technik pomocí kapesní kalkulačky, ví-li, že:

u_K = 100I_N·Z_K/U_f = 100·Z_K/Z_N = 100·I_N/I_3K

 

Kde u_K je poměrná hodnota napětí nakrátko v %, Z_K skutečná hodnota impedance nakrátko transformátoru nebo skutečná impedance vedení, popř. nadřazené soustavy v ohmech, Z_N U_f/I_N jmenovitá impedance transformátoru v ohmech nebo zvoleného vztažného výkonu, z něhož se vypočte, I_3K proud třífázového zkratu transformátoru nebo rozvodné soustavy se zvoleným vztažným výkonem, I_N jmenovitý proud transformátoru nebo rozvodné soustavy se zvoleným vztažným výkonem, U_f fázové napětí soustavy, ve které se výpočet vykonává.

 

Transformátory vn/nn mají, kromě speciálních transformátorů (např. pro usměrňovače), na sekundární straně převážně jistič, který je vybaven proudově závislou ochranou (s inverzní charakteristikou) proti přehřátí transformátoru nadproudem a zkratově nezávislou ochranou reagující mžikově v čase asi 50 ms. Jističe současné i předcházející generace mají široké rozmezí nastavení parametrů vypínacích hodnot proudů, což při jejich správném nastavení umožňuje dosáhnout dobré selektivity působení, tj. zajistit vypnutí transformátoru pouze v případě poruchy příslušného chráněného úseku.

 

Hodnoty proudově závislých článků jističů (proti přetížení) bývají nastaveny správně. Naproti tomu proudově nezávislé zkratové články jsou v mnoha případech nastavovány na příliš velké hodnoty, které nejsou ničím odůvodněny. V případě zkratu za jističem v jeho chráněném úseku je pak skutečný zkratový proud I_3K nebo dvoufázový zkratový proud I_2K menší než nastavená vypínací hodnota proudu I_a a vzniklý zkrat je vypínán v delším čase záložní ochranou nebo výkonovými pojistkami na primární straně. Příklad nesprávného nastavení zkratových článků jističů na sekundární straně nn, který způsobil v technologickém objektu vážné problémy, je uveden v dalším textu.

 

Technologické zařízení objektu (viz obr. 2) bylo napájeno z transformoven R1 a R2. Vypínač S1 a odpojovač S2 na straně 6 kV, jakož i jističe S5, S6 na straně 400/230 V byly v zapnutém stavu (naznačeno červeně). Odpojovač S3 transformátoru T2 byl vypnut, zkratován a uzemněn. Parametry nadproudových ochran byly nastaveny na hodnoty uvedené v popisu obr. 2. Chybnou manipulací byl sepnut jistič S4, přičemž došlo k toku vyrovnávacího zkratového proudu I_K přes zkratovanou a uzemněnou primární stranu transformátoru T2. Na zkratový proud nereagovaly jističe S4, S5, S6. Došlo k vypnutí vypínače S1 na straně 6 kV působením ochrany nastavené na vypínací hodnotu 150 A v čase 0,4 s. Vzhledem k tomu, že majitel technického objektu měl ve své správě jen transformovny R1 a R2 400/230 V a protože v transformovně R 6 kV, která patří jinému majiteli, není stálá obsluha, došlo k více než hodinovému přerušení dodávky elektrické energie se všemi z toho vyplývajícími provozními a bezpečnostními problémy.

 

Důvodem nevypnutí zkratu v čase do 50 ms jističi S4, S5, S6 byly velké hodnoty proudového nastavení jejich zkratových ochran.

 

Z informativního výpočtu je zřejmé, že hodnota zkratového proudu na straně 400 V byla v naznačeném případě menší než nastavené vypínací hodnoty proudu. V uvedeném případě byl zkratový proud I_K:

I_K = k·100I_N/2_uK = 0,9 × 100 × 910/(2 × 6) = 6 825 A

 

Kde k je konstanta útlumu na straně 6 kV (volí se podle délky napájení a zkratového výkonu primární napájecí soustavy, přesnější postup viz odst. 1.2).

 

Zkratový proud na straně 6 kV:

I_KP = 6 825 × 0,4/6 = 455 A

 

Nadproudová ochrana byla u vypínače S1 na straně 6 kV nastavena správně, časové zpoždění 0,4 s je nutné z důvodu nárazového zapínacího proudu, který je při zapínání větší než 150 A (v čase po 0,3 s je již přechodový zapínací proud pod hodnotou 120 A – viz odst. 1 a 1.1).

 

Proudové nastavení parametru závislé nadproudové ochrany I_at (proti trvalému přetěžování) se upraví na jmenovitou proudovou hodnotu transformátoru I_N, tj. v tomto případě na 0,9 kA. Obecně platí:

 

I_at ≤ I_N

 

Kde I_at je hodnota proudového parametru ochrany proti trvalému přetížení (proti přehřátí), IN jmenovitý proud transformátoru.

Vypínací čas vyplývá z inverzní charakteristiky výrobce jističe. Protože jde o ochranu závislou, je vypínací čas nepřímo úměrný nadproudu.

 

Volba nastavení parametru zkratové spouště jističe je stejná jako na straně primární podle odstavce 1.2 s tím, že hodnoty proudů jsou sekundární, tj. hodnoty primární strany násobené převodem transformátoru p = U₁/U₂. Je-li to technicky a provozně možné, volí se vypínací hodnota zkratové spouště I_a (na sekundární straně) s ohledem na selektivitu jištění přibližně o 25 až 30 % menší, než je přepočtená hodnota I_a na primární straně. Není to však nutné, protože jistič na sekundární straně vypne zkrat za svým chráněným úsekem v podstatně v kratším čase než ochrana na straně primární.

V tomto případě měl podle výkonové skladby technologie maximální provozní proud (včetně spouštěcích proudů elektromotorů nakrátko a potřebné rezervy) na straně 400 V hodnotu 1 000 A.

 

Podle vztahů odst. 1.2 platí:

 

I_a ≥ 1,3I_p ≥ 1,3 × 1 000 ≥ 1 300 A

1,25I_a ≤ I_2K ≤ 0,866 × 6 825 ≤ 5 910 A

a z toho pak:

I_a ≤ 4 728 A

 

Byly proto sníženy vypínací hodnoty zkratových článků jističů S4, S5, S6 na hodnotu 2 kA, což vyhovuje všem uvedeným podmínkám i požadavku rychlého vypnutí zkratů vzniklých v chráněném úseku za jističi, v tomto případě i na primární straně vypnutého transformátoru.

Přestože uvedený příspěvek neobjevuje nic nového, zpracoval jsem ho k úvaze především pro revizní techniky. Popsaná poruchová událost se stala měsíc po vykonané výchozí revizi. V neformální diskusi s revizními techniky o zmíněné události jsem byl jejich reakcí zaskočen. Převažoval názor, že nastavení ochran je věcí projektu, a není-li v projektu, tak se jich problém netýká, neboť v ČSN způsob ochrany transformátorů proti zkratu není konkretizován. Podotýkám, že profese revizní technik elektrických zařízení díky platné, ale v současné době již archaické vyhlášce 50/78 Sb. je v našem bezpečnostním systému elektrického zařízení (mimo Slovensko) téměř světovou výjimku, a nepředpokládám, že tento systém bude v blízké době měněn. Doporučuji jim proto, aby pečlivěji přistupovali k posuzování a ověřování těch prvků a částí elektrické instalace, které mají na bezpečnost rozhodující vliv, a nezabývali se malichernostmi, jak tomu v častých případech je.

 

Myslím si, že jejich profesní odbornost nespočívá jen v tom, být „právníkem“ ČSN, ale i elektrotechnickým odborníkem.

 

 

^*)Pozn. redakce: Jeden z příkladů upřesňujícího postupu bude uveden v článku Ing. Bernarda Lukáše s názvem Posouzení jištění transformátoru proti nadproudům, který bude publikován v časopise Elektro 12/2008.