Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Závady v jištění výkonových transformátorů

Ing. Bernard Lukáš,
specialista silnoproudé elektrotechniky
 
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.
 

1. Zásady jištění primární strany transformátoru proti nadproudům

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 IN. Tento zapínací proud je přechodový, doba zániku na velmi malý proud naprázdno (asi 1,5 % IN) 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.
 

1.1 Provozní proudy nepřesahují jmenovitý proud transformátoru

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 IN transformátoru, je vhodné nastavit vypínací parametr proudu Ia ochrany na 125 % IN transformátoru. Parametr časového zpoždění vypnutí ta 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 ta 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:
Ip < Ia ≤ 1,25 IN
0,3 s ≤ ta < 2 s
 
Kde Ip je největší provozní proud, včetně krátkodobých špiček při spouštění velkých elektromotorů, Ia vypínací hodnota parametru proudu ochrany, ta vypínací hodnota času ochrany.
 

1.2 Provozní proudy přesahují jmenovitý proud transformátoru

Jsou-li provozní proudy v krátkodobých intervalech větší než jmenovitý proud transformátoru, nastavuje se vypínací parametr proudu Ia 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 I2K na sekundární straně transformátoru je alespoň o 25 % větší než nastavená vypínací hodnota proudu Ia.
 
Platí tedy vztahy:
Ia ≥ 1,3Ip
1,25IaI2K
0,3 s ≤ ta < 2 s
 
Kde Ip je největší provozní proud, včetně krátkodobých špiček při spouštění velkých elektromotorů, Ia vypínací hodnota parametru proudu ochrany, ta vypínací hodnota času ochrany, I2K 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:
I3K = k·100IN/uK
I2K = (k·100 IN·√3)/2 uK = (√3/2) · (k·100 IN)/uK = 0,866 I3K
 
Kde IN je jmenovitý primární proud (na straně vn) transformátoru, I3K proud na primární straně (vn) při třífázovém zkratu na svorkách sekundární strany transformátoru, I2K proud na primární straně (vn) při dvoufázovém zkratu na svorkách sekundární strany transformátoru, uK 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 uK 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:
uK = 100IN·ZK/Uf = 100·ZK/ZN = 100·IN/I3K
 
Kde uK je poměrná hodnota napětí nakrátko v %, ZK skutečná hodnota impedance nakrátko transformátoru nebo skutečná impedance vedení, popř. nadřazené soustavy v ohmech, ZN Uf/IN jmenovitá impedance transformátoru v ohmech nebo zvoleného vztažného výkonu, z něhož se vypočte, I3K proud třífázového zkratu transformátoru nebo rozvodné soustavy se zvoleným vztažným výkonem, IN jmenovitý proud transformátoru nebo rozvodné soustavy se zvoleným vztažným výkonem, Uf fázové napětí soustavy, ve které se výpočet vykonává.
 

2. Zásady jištění transformátoru strany nn (sekundární) proti nadproudům

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 I3K nebo dvoufázový zkratový proud I2K menší než nastavená vypínací hodnota proudu Ia 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.
 

2.1 Popis události

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 IK 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 IK:
IK = k·100IN/2uK = 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:
IKP = 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).
 

2.2 Volba správného nastavení parametrů nadproudových ochran jističů na sekundární straně transformátorů

 

2.2.1 Proudové nastavení parametru závislé nadproudové ochrany

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

2.2.2 Volba nastavení parametru zkratové spouště jističe

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 Ia (na sekundární straně) s ohledem na selektivitu jištění přibližně o 25 až 30 % menší, než je přepočtená hodnota Ia 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:
 
Ia ≥ 1,3Ip ≥ 1,3 × 1 000 ≥ 1 300 A
1,25IaI2K ≤ 0,866 × 6 825 ≤ 5 910 A
a z toho pak:
Ia ≤ 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.
 

3. Závěr

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.
 
Obr. 1. Ilustrační foto
Obr. 2. Blokové schéma jištění technologického zařízení objektu
 

*)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.