Силовые трансформаторы конструктивно достаточно надежны, благодаря отсутствию вращающихся частей. Однако в процессе эксплуатации возможны и случаются повреждения и нарушения нормальных режимов работы. Повреждения силовых трансформаторов: витковые замыкания, замыкания на корпус, короткие замыкания обмоток, короткие замыкания на вводах и т. д., ненормальные режимы: недопустимые перегрузки, понижение уровня масла, разложение его при перегреве, прохождение токов внешних КЗ.
Силовые трансформаторы относительно малой мощности обычно защищают предохранителями со стороны высшего напряжения и предохранителями или автоматами со стороны отходящих линий низшего напряжения. Ток плавкой вставки высоковольтного предохранителя выбирается с учетом отстройки от бросков тока намагничивания при включении силового трансформатора под рабочее напряжение. С учетом этого номинальный ток предохранителя
Соответствие высоковольтных предохранителей мощности защищаемых ими силовых трансформаторов напряжением 6 — 10 кВ дано в справочниках. Защита предохранителями конструктивно осуществляется наиболее просто, но имеет недостатки — нестабильность параметров защиты, что может привести к недопустимому увеличению времени срабатывания защиты при некоторых видах внутренних повреждений силовых трансформаторов. При защите предохранителями возникают сложности согласования защит смежных участков сети. Более совершенна релейная максимально-токовая защита трансформаторов (рис.1).
Рис.1. Схема максимально-токовой защиты от перегрузки понижающего двухобмоточного трансформатора с односторонним питанием
Трансформаторы тока ТТ поставлены со стороны высшего напряжения (источника питания). Если бы они были установлены со стороны низшего напряжения (как показано на схеме пунктиром), то защита действовала бы только при повреждениях на шинах 6,6 кВ и присоединенных к ним нагрузкам, так как в этом случае через трансформаторы тока не будут протекать токи короткого замыкания.
При повреждении любой из трех фаз трансформатора ток короткого замыкания пройдет через соответствующий трансформатор тока, замкнет контакты рабочего реле Т, что вызовет срабатывание реле времени В, а через него — промежуточного реле П, оперативный ток приведет в действие катушку отключения КО-1, которая отключит выключатель В1, обесточив защищаемый трансформатор.
Рис. 2. Схема максимально-токовой защиты трансформатора
На рис. 2 изображена схема трансформаторной подстанции, которая со стороны низшего напряжения питает две группы нагрузок. Здесь трансформатор защищен как со стороны высшего, так и со стороны низшего напряжений. Обе секции питаются через самостоятельные выключатели. Для нормальной работы схемы предусматриваются три комплекта максимальной токовой защиты: два из них на стороне низшего и один - на стороне высшего напряжения.
Ток срабатывания защиты, установленной со стороны низшего напряжения, выбирается по нагрузке своей схемы с учетом пусковых токов двигателей, обслуживаемых этой частью схемы. Выдержка времени выбирается по условиям селективности с защитой элементов, присоединенных к данной части схемы. Ток срабатывания защиты, устанавливаемой со стороны высшего напряжения, определяется по суммарной нагрузке обеих секций с учетом пусковых токов электродвигателей, а выдержка — на ступень выше выдержки со стороны низшего напряжения.
Для токовой защиты трехобмоточных трансформаторов недостаточно одного комплекта защитных приборов. Для того чтобы при повреждении в системе одного напряжения отключить только одну обмотку и сохранить трансформатор в работе с двумя другими обмотками, приходится каждую обмотку трансформатора снабжать самостоятельным комплектом максимальной токовой защиты. Ток срабатывания выбирают по нагрузке каждой обмотки. Выдержку времени устанавливают по условию селективности с защитой других элементов в сети данного напряжения.
Обычно силовые трансформаторы допускают значительные перегрузки. Так, трансформатор нормального исполнения допускает двухкратную перегрузку в течение 10 мин. Этого времени вполне достаточно для того, чтобы дежурный персонал разгрузил трансформатор. Поэтому на трансформаторах мощностью 560 кВА и выше устанавливается защита от перегрузки. На подстанциях с постоянным дежурным персоналом защита действует на сигнал, а на подстанциях без постоянного дежурного персонала защита производит отключение перегруженного трансформатора или части его нагрузки.
Максимально-токовая защита мгновенного действия с ограниченной зоной действия называется токовой отсечкой. Для обеспечения селективности в пределах зоны действия токовая отсечка отстраивается от токов короткого замыкания на стороне низшего напряжения трансформатора, от пусковых токов электродвигателей, от тока короткого замыкания (КЗ) в конце линии или в начале следующего участка. Характер изменения тока КЗ при удалении места КЗ от источника питания показан на рис.3.
Рис. 3. Диаграмма токовой защиты
Ток срабатывания отсечки выбирается таким образом, чтобы она не сработала при повреждениях на соседней линии. Для этого ток срабатывания должен быть больше максимального тока короткого замыкания на шинах низшего напряжения.
Зона действия определяется графически, как показано на рис.3. Вычисляются токи, проходящие при коротких замыканиях в начале (точка 1) и в конце линии (точка 5), а также в точках 2 — 4. Строится кривая изменения тока короткого замыкания в зависимости от удаленности от места питания (кривая 1). Определяется ток срабатывания отсечки, и на том же графике строится прямая тока срабатывания 2. Точка пересечения кривой 1 с прямой 2 определяет конец зоны действия отсечки (заштрихованная часть).
Токовая отсечка может защищать всю линию, на которую включен только один трансформатор, если ток срабатывания отсечки выбирается так, чтобы она не действовала при повреждении на линии низшего напряжения, отходящей от защищаемого трансформатора. Для этого в графике при подсчете следует учитывать максимальный ток короткого замыкания, наблюдаемый на шинах низшего напряжения. При этом токовая отсечка будет надежно защищать линию, шины и часть обмотки высшего напряжения трансформатора.
Схемы отсечек отличаются от схем максимально-токовых защит отсутствием реле времени, вместо которых устанавливаются промежуточные реле. Токовая отсечка защищает только часть линии, поэтому она применяется как дополнительная защита. Использование токовой отсечки дает возможность ускорить отключение повреждений, сопровождающихся наибольшими значениями токов КЗ, и снизить выдержки времени максимально-токовой защиты. При сочетании токовой отсечки с максимально-токовой защитой получается ступенчатая по времени токовая защита: первая ступень (отсечка) действует мгновенно, а последующие — с выдержкой времени.