Protezione del trasformatore e guasto del trasformatore

Esistono diversi tipi di trasformatori, come quelli a due o tre avvolgimenti, trasformatori elettrici di potenza, autotrasformatori, trasformatori regolatori, trasformatori di messa a terra, trasformatori rettificatori, ecc. Diversi trasformatori richiedono schemi diversi di protezione del trasformatore a seconda della loro importanza, delle connessioni degli avvolgimenti, dei metodi di messa a terra e del modo di funzionamento, ecc.
È pratica comune fornire la protezione con il relè Buchholz a tutti i trasformatori da 0,5 MVA in su. Per tutti i piccoli trasformatori di distribuzione, vengono utilizzati solo fusibili ad alta tensione come dispositivo di protezione principale. Per tutti i trasformatori di distribuzione di maggiore dimensione e importanza, viene applicata la protezione contro i sovracorrenti insieme alla protezione contro i guasti a terra limitati.
La protezione differenziale deve essere fornita nei trasformatori con una potenza superiore a 5 MVA.

A seconda delle condizioni normali di servizio, della natura dei guasti del trasformatore, del grado di sovraccarico sostenuto, dello schema di cambio di rapporto, e di molti altri fattori, vengono scelti gli schemi di protezione del trasformatore più adatti.

Natura dei guasti del trasformatore

Anche se un trasformatore elettrico di potenza è un dispositivo statico, le tensioni interne dovute a condizioni anormali del sistema devono essere prese in considerazione.
Un trasformatore generalmente subisce i seguenti tipi di guasto:

1. Sovracorrente dovuta a sovraccarichi e cortocircuiti esterni,

2. Guasti terminali,

3. Guasti agli avvolgimenti,

4. Guasti incipienti.

Tutti i guasti del trasformatore menzionati sopra causano tensioni meccaniche e termiche all'interno degli avvolgimenti del trasformatore e delle sue connessioni. Le tensioni termiche portano a sovraccaloramenti che alla fine influiscono sul sistema di isolamento del trasformatore. La degradazione dell'isolamento porta a guasti agli avvolgimenti. A volte, il fallimento del sistema di raffreddamento del trasformatore, porta a sovraccaloramenti del trasformatore. Quindi, sono necessari schemi di protezione del trasformatore.

La corrente di cortocircuito di un trasformatore elettrico è normalmente limitata dalla sua reattanza e per una reattanza bassa, il valore della corrente di cortocircuito può essere eccessivamente alto. La durata dei cortocircuiti esterni che un trasformatore può sostenere senza danni è data dalla norma BSS 171:1936.

I guasti generali agli avvolgimenti del trasformatore sono o guasti a terra o guasti tra spire. I guasti tra fasi negli avvolgimenti di un trasformatore sono rari. I guasti di fase in un trasformatore elettrico possono verificarsi a causa di scariche sulla bushing o guasti nell'equipaggiamento di cambio di rapporto. Qualunque sia il tipo di guasto, il trasformatore deve essere isolato immediatamente durante il guasto, altrimenti potrebbe verificarsi un guasto grave nel sistema elettrico di potenza.
I guasti incipienti sono guasti interni che non costituiscono un pericolo immediato. Tuttavia, se questi guasti vengono trascurati e non gestiti, possono portare a guasti gravi. I guasti in questo gruppo sono principalmente cortocircuiti tra lamierini a causa del cedimento dell'isolamento tra i lamierini, abbassamento del livello d'olio a causa di perdite, ostruzione dei percorsi di flusso dell'olio. Tutti questi guasti portano a sovraccaloramenti. Quindi, è necessario uno schema di protezione del trasformatore anche per i guasti incipienti. Il guasto a terra molto vicino al punto neutro dell'avvolgimento stellato del trasformatore può anche essere considerato come un guasto incipiente.
Influenza delle connessioni degli avvolgimenti e della messa a terra sulla magnitudine della corrente di guasto a terra.
Esistono principalmente due condizioni affinché la corrente di guasto a terra possa fluire durante i guasti degli avvolgimenti a terra,

1. Esiste una corrente per il flusso di ingresso e uscita dall'avvolgimento.

2. Si mantiene l'equilibrio degli ampere-volte tra gli avvolgimenti.

Il valore della corrente di guasto a terra degli avvolgimenti dipende dalla posizione del guasto sull'avvolgimento, dal metodo di connessione degli avvolgimenti e dal metodo di messa a terra. Il punto neutro degli avvolgimenti può essere messo a terra solidamente o tramite un resistore. Sul lato delta del trasformatore, il sistema è messo a terra attraverso un trasformatore di messa a terra. Il trasformatore di messa a terra fornisce un percorso a bassa impedenza per la corrente sequenza zero e un'alta impedenza per le correnti sequenza positiva e negativa.

Avvolgimento stellato con resistenza di messa a terra neutrale

In questo caso, il punto neutro del trasformatore è messo a terra tramite un resistore e il valore dell'impedenza di esso è molto più elevato rispetto all'impedenza degli avvolgimenti del trasformatore. Ciò significa che il valore dell'impedenza degli avvolgimenti del trasformatore è trascurabile rispetto all'impedenza del resistore di messa a terra. Il valore della corrente di guasto a terra è quindi proporzionale alla posizione del guasto sull'avvolgimento. Poiché la corrente di guasto nella parte primaria dei trasformatori è proporzionale al rapporto tra le spire secondarie cortocircuitate e le spire totali sulla parte primaria, la corrente di guasto primaria sarà proporzionale al quadrato della percentuale di avvolgimento cortocircuitato. La variazione della corrente di guasto sia nella parte primaria che in quella secondaria è mostrata di seguito.

Avvolgimento stellato con messa a terra solida del neutro

In questo caso, la magnitudine della corrente di guasto a terra è limitata esclusivamente dall'impedenza degli avvolgimenti e il guasto non è più proporzionale alla posizione del guasto. La ragione di questa non linearità è il legame di flusso non bilanciato.

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