Jak dobrać zabezpieczenia do transformatorów?

Transformator to serce większości instalacji elektroenergetycznych, a zarazem jeden z najdroższych elementów infrastruktury sieciowej. Niezależnie od tego, czy mówimy o potężnej jednostce olejowej w GPZ (Główny Punkt Zasilania), czy mniejszym transformatorze żywicznym zasilającym halę produkcyjną, jego awaria oznacza zazwyczaj jedno: całkowity paraliż zasilanego obszaru, ogromne koszty naprawy lub wymiany oraz straty wynikające z niedostarczonej energii (ENS).

W dobie rosnącej liczby odbiorników nieliniowych, generacji rozproszonej (OZE) i coraz bardziej wyżyłowanych parametrów sieci, dobór zabezpieczeń przestaje być prostym zadaniem polegającym na odczytaniu tabeli. To prawdziwa kompetencja inżynierska, wymagająca zrozumienia zjawisk elektromagnetycznych i termicznych.

W tym artykule dogłębnie przeanalizujemy, jak dobrać zabezpieczenia transformatora, aby zagwarantować nie tylko ciągłość zasilania, ale przede wszystkim bezpieczeństwo obsługi i selektywność działania w złożonych układach sieciowych.

Dlaczego transformator wymaga odpowiednich zabezpieczeń?

Każdy transformator energetyczny pracuje w trudnym środowisku. Jest on węzłem, w którym spotykają się problemy sieci zasilającej (przepięcia, zapady napięcia) z problemami odbiorników (zwarcia, przeciążenia, wyższe harmoniczne). W praktyce inżynierskiej system ochrony transformatora (EAZ – Elektroenergetyczna Automatyka Zabezpieczeniowa) realizuje trzy nadrzędne cele:

1. Ochrona przed skutkami zwarć wewnętrznych i zewnętrznych:
   • Zwarcia zewnętrzne (przelotowe)
     Powodują przepływ ogromnych prądów przez uzwojenia, co generuje potężne siły elektrodynamiczne. Mogą one doprowadzić do deformacji uzwojeń, pęknięcia izolacji, a w konsekwencji do zwarcia wewnętrznego. Zabezpieczenie musi wyłączyć taki prąd, zanim transformator ulegnie zniszczeniu cieplnemu lub mechanicznemu.
   • Zwarcia wewnętrzne
     Np. zwarcia zwojowe (między zwojami tej samej fazy), które są niezwykle trudne do wykrycia przez standardowe zabezpieczenia nadprądowe, ponieważ prąd na zaciskach transformatora rośnie nieznacznie, podczas gdy w miejscu zwarcia powstaje łuk elektryczny niszczący izolację i rdzeń.
       
2. Ochrona sieci zasilającej (systemowa)
   Zabezpieczenie musi działać selektywnie. Uszkodzenie transformatora dystrybucyjnego nie może powodować wyłączenia linii zasilającej 110 kV czy 15 kV dla całego miasta. Szybkie odłączenie uszkodzonej jednostki zapobiega "siadaniu" napięcia w sieci i destabilizacji systemu elektroenergetycznego.
    
3. Bezpieczeństwo ludzi i ekologia
   W przypadku transformatorów olejowych zwarcie łukowe wewnątrz kadzi powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia (rozkład oleju na gazy palne). Bez szybkiego wyłączenia grozi to rozerwaniem kadzi, wyciekiem płonącego oleju i pożarem stacji. Dobrze dobrane zabezpieczenia to polisa ubezpieczeniowa dla życia obsługi i środowiska.

Transformator Zasilacz prądu zmiennego z zabezpieczeniem terrmicznym 25VA 12/14V

Jakie rodzaje zabezpieczeń stosuje się w transformatorach?

Dobór konkretnego zestawu zabezpieczeń zależy od mocy jednostki, jej znaczenia w systemie oraz rodzaju wykonania (olejowy vs suchy). Możemy podzielić je na dwie główne grupy: elektryczne i nieelektryczne.

Zabezpieczenia elektryczne (podstawowe i rezerwowe)

Reagują na mierzalne parametry prądu i napięcia. W nowoczesnych polach SN/WN realizowane są przez cyfrowe sterowniki polowe.

• Zabezpieczenie zwarciowe (50/51 - wg kodu ANSI)
  Podstawa ochrony. Człon bezzwłoczny (50) reaguje na duże prądy zwarciowe, a człon zwłoczny (51) chroni przed mniejszymi prądami z odpowiednią charakterystyką czasową.
• Zabezpieczenie ziemnozwarciowe (50N/51N)
  Niezbędne w sieciach SN, gdzie najczęstszym typem awarii są zwarcia jednofazowe do ziemi. Czułość tego zabezpieczenia jest kluczowa, zwłaszcza w sieciach z kompensacją prądu ziemnozwarciowego.
• Zabezpieczenie różnicowe (87T)
  Podstawowe zabezpieczenie dla transformatorów dużej mocy (zwykle > 6,3 MVA, w przemyśle często > 2 MVA). Porównuje prądy wpływające i wypływające z transformatora.
• Zabezpieczenie od zwarć do kadzi (tzw. kadziowe)
  Wariant ochrony ziemnozwarciowej, mierzący prąd płynący przez uziemienie kadzi transformatora.

Listwa kontrolna LKW zabezpieczenie różnicowe transformatora

Zabezpieczenia nieelektryczne (technologiczne)

Działają bezpośrednio na fizyczne skutki awarii wewnątrz urządzenia. Są one często szybsze i bardziej niezawodne przy zwarciach wewnątrzkomorowych niż zabezpieczenia prądowe.

• Przekaźnik Buchholza (dla transformatorów olejowych z konserwatorem)
  Montowany na rurze między kadzią a konserwatorem.
  • Stopień I (Alarm): Reaguje na gromadzenie się gazu (powolny rozkład izolacji).
  • Stopień II (Wyłączenie): Reaguje na gwałtowny przepływ oleju (fala udarowa przy zwarciu).
• Zabezpieczenie DGPT2 / RIS (dla transformatorów hermetycznych)
  Integruje w sobie pomiar ciśnienia, temperatury i poziomu oleju. Nagły wzrost ciśnienia w szczelnej kadzi powoduje natychmiastowe wyłączenie (trip).
• Zabezpieczenia termiczne
  Monitorują temperaturę uzwojeń (wskaźnik "gorącego punktu" – hot spot) lub górnej warstwy oleju.

Jak dobrać zabezpieczenia do mocy i charakterystyki transformatora?

Prawidłowy dobór zabezpieczeń to proces obliczeniowy. Nie można polegać wyłącznie na prądzie znamionowym, ignorując dynamikę stanów nieustalonych.

1. Analiza prądu znamionowego i przeciążalności

Pierwszym krokiem jest wyznaczenie prądu znamionowego (In) po stronie zasilania (najczęściej SN).

Należy pamiętać, że transformatory mają określoną przeciążalność (np. 1,1 I_n długotrwale, 1,5 I_n przez krótki czas – zgodnie z normą PN-IEC 60354). Zabezpieczenie przeciążeniowe nie może ograniczać zdolności produkcyjnych transformatora, ale musi "uciąć" zasilanie przed osiągnięciem temperatury krytycznej dla izolacji.

2. Prąd udarowy (Magnetizing Inrush Current) – krytyczny punkt doboru

To najczęstsza przyczyna błędnego działania zabezpieczeń ("wyrzucania" przy załączaniu). W momencie podania napięcia na transformator w stanie jałowym, rdzeń wchodzi w nasycenie. Powstaje prąd udarowy, który:

• Może osiągać wartość 10–15 krotności I_n
• Jest jednokierunkowy i bogaty w parzyste harmoniczne (głównie drugą).
• Zanik prądu udarowego może trwać od kilku cykli do nawet kilku sekund (dla dużych jednostek).

Jak to uwzględnić?

• Bezpieczniki: Dobieramy wkładki tak, aby ich charakterystyka w czasie 0,1s leżała powyżej 10-12 krotności I_n
• Zabezpieczenia cyfrowe: Stosuje się blokadę od drugiej harmonicznej. Jeśli zabezpieczenie wykryje duży udział 2. harmonicznej w prądzie (powyżej 15-20%), uznaje to za stan załączenia, a nie zwarcie, i blokuje działanie członu różnicowego lub nadprądowego.

3. Grupa połączeń i składowa zerowa

Dla inżyniera doboru zabezpieczeń kluczowa jest grupa połączeń, np. Dyn5 lub Yyn0.

Dlaczego? Transformator o konfiguracji Delta (D) po stronie pierwotnej nie przepuszcza składowej zerowej prądu zwarciowego z sieci nN do sieci SN.

Oznacza to, że jeśli dojdzie do zwarcia jednofazowego (L-N) po stronie niskiego napięcia, zabezpieczenie ziemnozwarciowe po stronie średniego napięcia "nie zobaczy" tego jako zwarcia doziemnego, a jedynie jako zwarcie międzyfazowe o mniejszej wartości. Dobór zabezpieczeń musi uwzględniać te transformacje prądów.

Zabezpieczenia nadprądowe, różnicowe i termiczne – omówienie

Wejdźmy w szczegóły techniczne trzech najważniejszych filarów ochrony.

Zabezpieczenia nadprądowe (50/51) – Bezpiecznik czy wyłącznik?

Dla transformatorów dystrybucyjnych (do ok. 1000-1600 kVA) standardem ekonomicznym są bezpieczniki topikowe WN.

• Zasada doboru bezpiecznika: I_fuse≥ 1,3...1,5×I_n Musi wytrzymać prąd udarowy i zapewnić selektywność z wyłącznikiem głównym po stronie nN.
• Wady bezpieczników: Starzenie się elementu topikowego, brak możliwości zdalnego sterowania, ryzyko pracy dwufazowej (po przepaleniu jednej wkładki).

Dla jednostek większych (>2 MVA) lub w systemach automatyki (Smart Grid) stosuje się wyłączniki z przekaźnikami cyfrowymi. Pozwalają one na kształtowanie charakterystyk:

• Charakterystyki niezależne (DT): Stały czas zadziałania niezależnie od prądu (dobre dla zwarć, gdzie znamy prąd graniczny).
• Charakterystyki zależne (IDMT): Czas zadziałania maleje wraz ze wzrostem prądu (odwzorowuje charakterystykę cieplną urządzenia).

Zabezpieczenia różnicowe (87T) – Precyzja i szybkość

To najbardziej zaawansowana forma ochrony. Działa na zasadzie I Prawa Kirchhoffa dla całego urządzenia.

• Zasada: Prąd wpływający do uzwojenia WN jest porównywany z prądem wypływającym z uzwojenia nN (przeliczonym przez przekładnię).
  
  
  
  
  W stanie normalnym suma wynosi zero. Przy zwarciu wewnętrznym suma rośnie gwałtownie.
• Wyzwania: Przekaźnik musi cyfrowo kompensować przesunięcie fazowe wynikające z grupy połączeń (np. o 150 stopni dla Dyn5) oraz różnice w przekładniach przekładników prądowych (CT).
• Zaleta: Działa bezzwłocznie (poniżej 20-30ms) i jest absolutnie selektywne – nie reaguje na zwarcia poza transformatorem, co ułatwia koordynację z innymi zabezpieczeniami w sieci.

Zabezpieczenia termiczne (49) – Model vs pomiar

Ochrona przed przegrzaniem realizowana jest dwutorowo:

1. Bezpośredni pomiar:
   • W transformatorach olejowych: Termometry kontaktowe (np. tarcze AKM) z dwoma stykami: Alarm (np. 85°C) i Trip (np. 95°C).
   • W transformatorach suchych: Czujniki PT100 lub termistory PTC zaszyte bezpośrednio w uzwojeniach faz A, B, C. Są one podłączone do zewnętrznego przekaźnika temperatury.
2. Model cieplny (Obraz cieplny)
   Funkcja w sterowniku polowym, która na podstawie pomiaru prądu obciążenia i stałej czasowej nagrzewania transformatora oblicza temperaturę uzwojeń. Jest to ochrona zapasowa na wypadek awarii czujników fizycznych.

Wyłącznik MS132‑0.63T do zabezpieczenia transformatora

Najczęstsze błędy przy doborze zabezpieczeń transformatorów

Nawet w profesjonalnych projektach zdarzają się błędy skutkujące awariami lub nieuzasadnionymi wyłączeniami (tzw. "over-tripping").

1. Niedopasowanie przekładników prądowych (CT):
   Zastosowanie przekładników o zbyt małej mocy lub złym współczynniku granicznym (ALF). Podczas zwarcia przekładnik wchodzi w nasycenie i "obcina" przebieg prądu wtórnego. Zabezpieczenie cyfrowe "widzi" mniejszy prąd niż w rzeczywistości i może nie zadziałać lub zadziałać ze zbyt dużą zwłoką.
    
2. Brak zasilania gwarantowanego:
   Najnowocześniejszy przekaźnik cyfrowy jest bezużyteczny, jeśli w momencie zwarcia (i zapadu napięcia) straci zasilanie pomocnicze. Obwody zabezpieczeń muszą być zasilane z baterii akumulatorów (UPS DC) monitorowanych w trybie ciągłym.
    
3. Błędna koordynacja (Selektywność):
   Typowy błąd: Nastawa czasowa po stronie SN jest zbyt krótka w stosunku do wyłącznika głównego nN. Przy zwarciu na szynach rozdzielnicy nN, wyłącza się transformator (lub cała sekcja SN), zamiast tylko wyłącznika nN. Poprawna koordynacja wymaga zachowania marginesu (zazwyczaj Δt ~ 200-300ms) między stopniami.
    
4. Ignorowanie wpływu temperatury na bezpieczniki:
   Wkładki bezpiecznikowe mają charakterystyki podawane dla 20°C. W słabo wentylowanej stacji transformatorowej temperatura może sięgać 40-50°C. Powoduje to przesunięcie charakterystyki ("derating") – bezpiecznik zadziała przy prądzie niższym niż znamionowy, powodując uciążliwe przerwy w zasilaniu.

Normy i zalecenia dotyczące ochrony transformatorów

Projektant i elektryk muszą poruszać się w gąszczu przepisów. Nie jest to tylko dobra wola, ale wymóg prawny.

• PN-EN 61936-1
  "Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV". To "biblia" dla projektantów stacji. Określa m.in. wymagania co do uziemień i ochrony przeciwporażeniowej powiązanej z automatyką wyłączeniową.
   
• Instrukcje IRiESP / IRiESD
  Instrukcje Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej/Dystrybucyjnej. Każdy Operator Systemu Dystrybucyjnego (Tauron, PGE, Enea, Energa) ma własne wytyczne w IRiESD, które precyzują, jakie zabezpieczenia są wymagane przy przyłączaniu stacji klienckiej (np. wymóg stosowania zabezpieczenia ziemnozwarciowego biernego lub admitancyjnego).
   
• Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska w sprawie warunków technicznych – określa ramy prawne bezpieczeństwa.
  Warto również pamiętać o normach branżowych (np. dla górnictwa czy kolejnictwa), które mogą narzucać bardziej rygorystyczne wymogi (np. szybsze czasy wyłączeń).

Podsumowanie – skuteczna ochrona transformatora w praktyce

Odpowiedź na pytanie "jak dobrać zabezpieczenia transformatora?" nie zamyka się w jednym wzorze. To suma analizy:

1. Parametrów samego transformatora (moc, napięcie zwarcia, grupa połączeń).
2. Parametrów sieci (moc zwarciowa, sposób uziemienia punktu neutralnego).
3. Wymagań odbiorcy (niezawodność, charakterystyka obciążenia).

Dobrze zaprojektowana automatyka zabezpieczeniowa jest niewidoczna – "śpi" przez lata, by w ułamku sekundy uratować majątek firmy przed zniszczeniem. Błędy na etapie doboru mszczą się zazwyczaj w najmniej odpowiednim momencie. Dlatego zawsze warto weryfikować nastawy przy użyciu specjalistycznego oprogramowania (np. wymuszalników prądowych przy uruchomieniu) i konsultować je z dostawcą energii.