Автоматические выключатели для защиты силовых трансформаторов: принципы выбора, расчет уставок и особенности эксплуатации

Защита силовых трансформаторов является критически важной задачей в проектировании и эксплуатации электрических сетей и подстанций. Автоматические выключатели (АВ), выполняющие функции аварийного отключения, должны обеспечивать селективность, надежность и соответствовать всем характеристикам защищаемого оборудования. Выбор и настройка АВ для трансформатора требуют комплексного учета множества факторов: номинальных параметров, режимов работы, токов короткого замыкания (КЗ) и видов повреждений.

1. Виды защит трансформатора и роль автоматических выключателей

Полноценная защита трансформатора реализуется комплексом устройств, где автоматический выключатель, как правило, является исполнительным органом для части из них. Основные виды повреждений и ненормальных режимов, от которых защищает АВ в составе системы:

• Сквозные токи КЗ (внешние и внутренние): Защита от междуфазных, двухфазных на землю и трехфазных КЗ на сторонах ВН и НН. Основная функция АВ – отключение сверхтоков.
• Токи перегрузки: Длительное превышение тока над номинальным значением из-за перегрузки потребителей или нарушения условий охлаждения. Защита должна иметь выдержку времени.
• Замыкания на землю: Для трансформаторов с заземленной нейтралью (глухозаземленная или резистор) критически важна защита от однофазных КЗ на землю.

Автоматический выключатель в цепи трансформатора обеспечивает, прежде всего, максимальную токовую защиту (МТЗ) и, в некоторых случаях, токовую отсечку. Более сложные защиты (дифференциальная, газовая, тепловая) обычно реализуются с помощью реле, которые подают сигнал на независимый расцепитель АВ.

2. Ключевые параметры выбора автоматического выключателя

Выбор АВ производится для первичной (сторона ВН) и вторичной (сторона НН) обмоток трансформатора. Параметры отличаются из-за разницы напряжений и токов.

2.1. Номинальное напряжение (U_e)

Номинальное напряжение АВ должно быть не ниже номинального напряжения сети, в которую он устанавливается. Для масляных выключателей на стороне ВН 6(10) кВ это, как правило, 10-12 кВ. Для воздушных или вакуумных выключателей на стороне НН 0,4 кВ – 690 В или 1000 В.

2.2. Номинальный ток (I_n)

Номинальный ток расцепителя АВ выбирается исходя из номинального тока защищаемой обмотки трансформатора с учетом допустимой длительной перегрузки.

• Для стороны НН: I_н.тр.НН = S_тр / (√3
• U_н.НН)
• Для стороны ВН: I_н.тр.ВН = S_тр / (√3
• U_н.ВН)

Номинальный ток расцепителя (I_н.р) выбирается из условия: I_н.р ≥ I_н.тр. Для учета перегрузочной способности трансформатора (например, 1,3-1,5 от номинала в течение короткого времени) часто применяют коэффициент 1,25: I_н.р ≥ 1.25

• I_н.тр.

2.3. Номинальная отключающая способность (I_cu / I_cn)

Это максимальный ток КЗ, который АВ способен отключить без повреждения. Должен превышать расчетный ток трехфазного КЗ в месте установки выключателя. Для стороны НН точкой расчета обычно являются выходные клеммы трансформатора. Ток КЗ на стороне НН рассчитывается по формуле: I_к.НН = I_н.тр.НН / U_к, где U_к – напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах. Необходимо выполнение условия: I_cu ≥ I_к.расч.

2.4. Селективность (избирательность)

Обеспечение селективности требует координации времятоковых характеристик (ВТХ) АВ на стороне ВН и НН трансформатора, а также с выключателями отходящих линий на НН. Используется принцип временной селективности (выдержки времени) и, реже, энергетической (токовой). Характеристики АВ на стороне ВН должны быть смещены относительно характеристик АВ на стороне НН на ступень селективности (Δt = 0,3-0,5 с).

3. Расчет и настройка уставок расцепителей

Современные интеллектуальные расцепители (например, для воздушных выключателей) или настройки релейной защиты (для выключателей ВН) требуют точного расчета.

Таблица 1. Типовые уставки максимальной токовой защиты (МТЗ) для трансформатора 1000 кВА, 10/0,4 кВ, U_к=6%

Параметр	Сторона ВН (10 кВ)	Сторона НН (0,4 кВ)	Примечание
Ном. ток трансформатора (Iн.тр)	57,7 А	1443 А	Расчет: S/(√3*U)
Ток срабатывания МТЗ (Iс.з)	65 — 75 А	1600 — 1800 А	Kотс Iн.тр, Kотс=1.13-1.25
Выдержка времени	0,5 — 1,0 с	0,1 — 0,3 с	Для селективности с защитами НН
Ток срабатывания отсечки (Iс.о)	6 — 12 Iн.тр	3 — 8 Iн.тр	Отстройка от броска тока намагничивания и токов КЗ на НН
Мгновенная отсечка (t ≈ 0)	Нет или >20*Iн.тр	Да	На ВН часто отключается для селективности

3.1. Защита от перегрузки (I_p или L)

Уставка срабатывания: I_р = K_н

• I_н.тр, где K_н – коэффициент возврата (обычно 1,05-1,25). Время срабатывания выбирается по характеристике, как правило, с обратно-зависимой выдержкой, чтобы обеспечить время на ликвидацию перегрузки без отключения.

3.2. Защита от токов КЗ с выдержкой времени (I_sd или S)

Обеспечивает отключение токов, превышающих уставку перегрузки, но не достигающих значений мгновенного срабатывания. Критически важна для селективности. Уставка по току: I_sd = (1,5 — 2,5)

• I_н.тр. Выдержка времени (t_sd) настраивается по кривой, например, ETU или IEC. На стороне ВН t_sd должна быть на ступень больше, чем у АВ на стороне НН.

3.3. Мгновенная защита (отсечка, I_i или I)

Срабатывает без выдержки времени. На стороне НН уставка должна быть отстроена от пикового тока КЗ в конце защищаемой линии (например, на шинах РУ-0,4 кВ). I_i ≥ 1,2

• I_{к.макс.на шинах НН}. На стороне ВН мгновенная отсечка часто отключается или устанавливается на значение, превышающее ток КЗ на шинах НН, приведенный к стороне ВН, чтобы не срабатывать при КЗ на НН.

3.4. Защита от замыканий на землю (G)

Для трансформаторов с заземленной нейтралью на стороне НН (система TN-S) обязательна. Уставка по току нулевой последовательности (I₀) обычно составляет 20-40% от I_н.тр для обеспечения чувствительности. Выдержка времени – для селективности с нижестоящими защитами.

4. Особенности защиты на стороне ВН и НН

4.1. Сторона высшего напряжения (ВН, 6-35 кВ)

Применяются вакуумные (ВВ), элегазовые (ЭВ) или масляные выключатели. Управление и защита чаще осуществляются через отдельный шкаф релейной защиты (РЗА), который выдает сигнал на отключающий электромагнит выключателя. Требования к отключающей способности очень высоки из-за значительных токов КЗ в сетях среднего напряжения. Ключевая задача – обеспечить селективность с выключателями на стороне НН и с выключателями питающей линии.

4.2. Сторона низшего напряжения (НН, 0,4-1 кВ)

Применяются воздушные автоматические выключатели (ACB) в литом корпусе (MCCB) или в модульном исполнении (для маломощных трансформаторов). Основная сложность – высокие токи КЗ (до 40-50 кА) и необходимость точной координации с автоматикой отходящих линий. Широко используются выключатели с электронными расцепителями (типа Micrologic у Schneider Electric, ETU у ABB), позволяющие гибко настраивать ВТХ.

5. Координация с другими защитными устройствами

Защита трансформатора не существует изолированно. Необходима координация (временная или логическая) со следующими устройствами:

• Предохранители-выключатели нагрузки на ВН: В схемах с упрощенной коммутацией. Время-токовая характеристика предохранителя должна лежать выше ВТХ АВ на НН.
• Дифференциальная защита трансформатора: Является основной и быстродействующей (0,04-0,1 с). АВ на сторонах ВН и НН выступают в роли исполнительных органов для системы дифзащиты.
• Защита отходящих фидеров на НН: АВ на вводе трансформатора (секционный выключатель) должен иметь ВТХ, смещенную вправо и вверх относительно ВТХ отходящих выключателей.

Таблица 2. Сравнение типов автоматических выключателей для защиты трансформаторов

Тип выключателя	Типовое применение	Преимущества	Недостатки
Вакуумный (ВВ) выключатель	Сторона ВН (6-35 кВ)	Высокая коммутационная стойкость, малое время гашения дуги, долгий срок службы, не требует обслуживания.	Риск перенапряжений при отключении малых индуктивных токов, высокая стоимость.
Воздушный выключатель (ACB)	Ввод на стороне НН (до 6300 А)	Высокая отключающая способность (до 100 кА), возможность установки различных типов расцепителей, ремонтопригодность.	Большие габариты, необходимость обслуживания контактов и механизма.
Выключатель в литом корпусе (MCCB)	Ввод/отходящие линии НН (до 2500 А)	Компактность, герметичность конструкции, устойчивость к воздействию среды.	Ограниченная отключающая способность у крупных номиналов, меньшая ремонтопригодность.

6. Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Как отстроить защиту трансформатора от броска тока намагничивания?

Бросок тока намагничивания при включении трансформатора может достигать 8-12-кратного значения номинального тока и длиться до 0,1-0,2 с. Для отстройки:
1. Мгновенная токовая отсечка (I_i) на стороне ВН должна иметь уставку не менее 12-15

• I_н.тр или быть отключена.

2. Использовать расцепители с функцией защиты от броска тока (например, функция «Magnetizing Inrush» в электронных расцепителях), которая блокирует мгновенную отсечку на короткое время после включения.
3. Применить дифференциальную защиту с гармоническим торможением (2-я гармоника).

Вопрос 2: Что важнее при выборе АВ для трансформатора: номинальный ток или отключающая способность?

Оба параметра критичны, но приоритет зависит от места установки. Отключающая способность (I_cu) – параметр безопасности, гарантирующий, что выключатель не разрушится при КЗ. Его несоответствие недопустимо. Номинальный ток (I_n) определяет долговременную работоспособность в нормальном режиме. Сначала необходимо убедиться, что I_cu > I_к.макс, а затем выбрать I_n ≥ I_н.тр.

Вопрос 3: Нужно ли устанавливать автоматический выключатель и со стороны ВН, и со стороны НН?

Да, как правило, защита требуется с обеих сторон. Выключатель на стороне ВН защищает от сквозных КЗ и перегрузок, а также является точкой селективности с сетью энергосистемы. Выключатель на стороне НН обеспечивает защиту от внутренних КЗ в трансформаторе (вместе с дифзащитой) и является основной защитой от КЗ в распределительной сети 0,4 кВ. Исключение могут составлять маломощные трансформаторы, где на стороне ВН используются предохранители.

Вопрос 4: Как проверить селективность между выключателем на стороне ВН и НН трансформатора?

Селективность проверяется путем построения и сравнения времятоковых характеристик (ВТХ) обоих выключателей на одном графике в логарифмическом масштабе. Для полной временной селективности ВТХ выключателя ВН на всем протяжении должна лежать выше и правее ВТХ выключателя НН с временным интервалом не менее 0,3-0,5 с. Современное программное обеспечение производителей АВ (например, SIMARIS, Ecodial) позволяет проводить такой расчет автоматически.

Вопрос 5: Каков порядок действий при срабатывании автоматического выключателя, защищающего трансформатор?

1. Зафиксировать сигналы (какая защита инициировала отключение: МТЗ, отсечка, защита от замыкания на землю).
2. Провести внешний осмотр трансформатора и распределительного устройства на предмет явных повреждений, следов дуги, перегрева, выброса масла.
3. Измерить сопротивление изоляции обмоток трансформатора (между фазами и на землю).
4. Проверить сопротивление обмоток постоянному току (для выявления витковых замыканий).
5. Если электрические испытания не выявили неисправностей, отключить все нагрузки на стороне НН и попытаться включить трансформатор через выключатель ВН под наблюдением. Успешное включение указывает на проблему в сети НН. Неуспешное – требует углубленного анализа (газовая защита, химический анализ масла).

Заключение

Проектирование защиты силового трансформатора автоматическими выключателями – это инженерная задача, требующая системного подхода. Она включает в себя корректный выбор аппаратов по номинальным параметрам и отключающей способности, точный расчет уставок максимальной токовой защиты, отсечки и защиты от замыканий на землю, а также обязательную проверку селективности с смежными защитными устройствами. Использование современных выключателей с электронными расцепителями и средств компьютерного моделирования позволяет оптимизировать защиту, обеспечивая максимальную надежность и минимальное время простоя оборудования при аварийных ситуациях. Регулярная проверка и испытание как самих выключателей, так и трансформаторов, являются неотъемлемой частью поддержания данной системы в работоспособном состоянии.