МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(технический университет)
Кафедра 309
Реферат на тему:
«Релейная защита и автоматика трансформаторов»
Выполнил:
Студент группы 02-509
Лешков А.М.
Профессор кафедры 309
Бочаров В.В.
Москва 2002
Общие сведения о релейной защите………………………………………………..3
Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов………………4
Виды и назначение автоматических устройств трансформатора…………………4
Токовые защиты трансформаторов…………………………………………………5
Газовая защита трансформатора……………………………………………………8
Продольная дифференциальная токовая защита трансформатора……………….9
Отключение трансформаторов от устройств релейной защиты при отсутствии выключателя на стороне высшего напряжения…………………………………..15
Схема защиты трансформатора на переменном оперативном токе……………..17
Особенности АПВ трансформаторов……………………………………………...19
Автоматическое включение резервного источника питания при отключении трансформатора……………………………………………………………………..19
Автоматическое регулирование коэффициента трансформации (АРКТ)………22
Список литературы…………………………………………………………………24
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ
Все электроустановки оборудуются устройствами релейной защиты, предназначенными для отключения защищаемого участка в цепи или "элемента в случае его повреждения, если это повреждение влечет за собой выход из строя элемента или электроустановки в целом. Релейная защита срабатывает и тогда, когда возникают условия, угрожающие нарушением нормального режима работы электроустановки.
В релейной защите электроустановок защитные функции возложены на реле, которые служат для подачи импульса на автоматическое отключение элементов электроустановки или сигнала о нарушении нормального режима работы оборудования, участка электроустановки, линии и т. д.
Реле представляет собой аппарат, реагирующий на изменение какой-либо физической величины, например тока, напряжения, давления, температуры. Когда отклонение этой величины оказывается выше допустимого, реле срабатывает и его контакты, замыкаясь или размыкаясь, производят необходимые переключения с помощью подали или отключения напряжения в цепях управления электроустановкой.
К релейной защите предъявляют следующие требования:
селективность (избирательность) - отключение только той минимальной части или элемента установки, которая вызвала нарушение режима;
чувствительность - быстрая реакция на определенные, заранее заданные отклонения от нормальных режимов, иногда самые незначительные;
надежность - безотказная работа в случае отклонения от нормального режима; надежность защиты обеспечивается как правильным выбором схемы и аппаратов, так и правильной эксплуатацией, предусматривающей периодические профилактические проверки и испытания.
Необходимая скорость срабатывания реле определяется проектом в зависимости от характера технологического процесса. Иногда для сведения до минимума ущерба от возникших повреждений релейная защита должна обеспечивать полное отключение в течение сотых долей секунды.
По своему назначению реле разделяют на реле управления и реле защиты.
Реле управления обычно включают непосредственно в электрические цепи и срабатывают они при отклонениях от технологического процесса или изменениях в работе механизмов. Реле защиты включают в электрические цепи через измерительные трансформаторы и только иногда непосредственно. Они срабатывают при неформальных или аварийных режимах работы установки. Реле характеризуется следующими показателями:
уставка - сила тока, напряжение или время, на которые отрегулировано данное реле для его срабатывания;
напряжение (или ток) срабатывания - наименьшее или наибольшее значение, при котором реле полностью срабатывает;
напряжение (или ток) отпускания - наибольшее значение, при котором реле отключается (возвращается в исходное положение); коэффициент возврата - отношение напряжения (или тока) отпускания к напряжению (или току) срабатывания.
По времени срабатывания различают реле мгновенного действия и с выдержкой времени.
ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
К повреждениям трансформаторов относят:
междуфазные к.з. на выводах и в обмотках (последние возникают гораздо реже, чем первые);
однофазные к.з. (на землю и между витками обмотки, т. е. витковые замыкания);
«пожар стали» сердечника.
К ненормальным режимам относятся:
перегрузки , вызванные отключением, например, одного из параллельно работающих трансформаторов. Токи перегрузки относительно невелики, и поэтому допускается перегрузка в течение времени, определяемого кратностью тока перегрузки по отношению к номинальному;
возникновение токов при внешних к. з ., представляющих собой опасность в основном из-за их теплового действия на обмотки трансформатора, поскольку эти токи могут существенно превосходить номинальные. Длительное прохождение тока внешнего к. з. может возникнуть при неотключившемся повреждении на отходящем от трансформатора присоединении;
недопустимое понижение уровня масла , вызываемое значительным понижением температуры я другими причинами.
Повреждения и ненормальные режимы работы предъявляют определенные требования к устройствам автоматического управления трансформаторами, рассматриваемые ниже.
ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ТРАНСФОРМАТОРА
На трансформаторах устанавливаются следующие защиты:
защита от коротких замыканий, действующая на отключение поврежденного трансформатора и выполняемая без выдержки времени (для ограничения размеров повреждения, а также для предотвращения нарушения бесперебойной работы питающей энергосистемы). Для защиты мощных трансформаторов применяются продольные дифференциальные токовые защиты, а для маломощных трансформаторов - токовые защиты со ступенчатой характеристикой выдержки временя. Кроме того, при всех повреждениях внутри бака и понижениях уровня масла применяется газовая защита, работающая на неэлектрическом принципе;
защита, от токов внешних к. з., основное назначение которой заключается в предотвращении длительного прохождения токов к. з. в случае отказа выключателей или защит смежных элементов путем отключения трансформатора. Кроме того, защита может работать в качестве основной (на трансформаторах малой модности, а также при к. з. на шинах, если отсутствует специальная защита шин). Защиты от внешних к. з. обычно выполняются токовыми или (значительно реже) дистанционными - с выдержками времени;
защита от перегрузок, выполняемая с помощью одного максимального реле тока, поскольку перегрузка обычно является симметричным режимом. Поскольку перегрузка допустима в течение длительного промежутка времени (десятки минут при токе не больше 1,5I т,ном), то защита от перегрузки при наличии дежурного персонала должна выполняться с действием на сигнал, а при отсутствии персонала - на разгрузку или на отключение трансформатора.
На трансформаторах предусматриваются следующие устройства автоматики:
автоматическое повторное включение, предназначенное для повторного включения трансформатора после его отключения максимальной токовой защитой. Требования к АПВ (автоматическое повторное включение) и способы его осуществления аналогичны рассмотренным ранее устройствам АПВ линий. Основная особенность заключается в запрещении действия АПВ трансформаторов при внутренних повреждениях, которые.отключаются дифференциальной или газовой защитой;
автоматическое включение резервного трансформатора, предназначенное для автоматического включения секционного выключателя при аварийном отключении одного из работающих трансформаторов или при потере питания одной из секций по другим причинам;
автоматическое отключение и включение одного из параллельно работающих трансформаторов, предназначенное для уменьшения суммарных потерь электроэнергии в трансформаторах;
автоматическое регулирование напряжения, предназначенное для обеспечения необходимого качества электроэнергии у потребителей путем изменения коэффициента n трансформации понижающих трансформаторов подстанций, питающих распределительную сеть. Для изменения n под нагрузкой трансформаторы оборудуются устройствами РПН (регулятором переключения отпаек обмотки трансформатора под нагрузкой). Автоматическое изменение n осуществляется специальным регулятором коэффициента трансформации (АРКТ), воздействующим на РПН..
ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Трансформаторы малой мощности до 750 кВ*А при напряжении 10 кВ и до 3200 кВ*А при напряжении 35 кВ тупиковых подстанций, а также цеховые трансформаторы обычно коммутируют выключателями нагрузки ВНП. Для защиты таких трансформаторов от внутренних к. з. допускается применение (рис. 1) предохранителей (например, типа ПК). Номинальный ток плавкой вставки I вс,ном выбирается из тех же условий, что и для линий. Кроме того, необходимо учитывать возможность нежелательного срабатывания предохранителей при бросках тока намагничивания, вызванных включением трансформатора под напряжение. С учетом указанных условий I вс,ном = (1,5…2,5)I т,ном. Селективность защиты обеспечивается согласованием время-токовой характеристики предохранителя с характеристиками защит отходящих присоединений со стороны низшего напряжения трансформатора.
Рис. 1. Защита трансформатора малой мощности с помощью предохранителей.
Для упрощения и удешевления подстанций систем электроснабжения, подключаемых ответвлением к линии электропередачи, применяются открытые плавкие вставки (ОП), а также управляемые предохранители.
Недостатками защит трансформаторов, выполненных с помощью плавких вставок, являются:
нестабильность их защитных характеристик, которая может привести к недопустимому увеличению времени отключения трансформатора при некоторых видах внутренних повреждений;
трудность согласования с защитами смежных участков.
Токовая защита трансформаторов выполняется с использованием вторичных максимальных реле тока (прямого или косвенного действия). При этом следует иметь в виду, что трансформаторы малой мощности представляют для токов к. з. относительно большое сосредоточенное сопротивление. Поэтому защитоспособность первой ступени (отсечки без выдержки времени) получается удовлетворительной. Учитывая это, защиту обычно выполняют двухступенчатой. Первой ступенью защиты является токовая отсечка, ток срабатывания которой выбирается большим максимального тока при к. з. за трансформатором. Чувствительность первой ступени считается удовлетворительной, если k ч = 2 при к. з. на стороне высшего напряжения трансформатора. Вторая ступень представляет собой максимальную токовую защиту, выдержка времени которой согласована с выдержками времени защит отходящих присоединений. Чувствительность максимальной токовой защиты проверяется по току при к, з. на стороне низшего напряжения. Работа токовой защиты как резервной проверяется при к. з. в конце элементов, присоединенных к шинам низшего напряжения (при этом желательно иметь k ч >= 1.2).
При параллельной работе двух трансформаторов следует иметь в виду, что в случае к. з. на низшей стороне максимальные токовые защиты (вторые ступени) трансформаторов могут отключить оба трансформатора. Если имеется секционный выключатель, то этот недостаток устраняется тем, что установленная на нем защита имеет меньшую выдержку времени.
Для повышения чувствительности максимальная токовая защита дополняется пуском от реле напряжения обратной последовательности (при несимметричных к. з.) и от реле минимального напряжения (при симметричных к. з.) (рис. 2).
При несимметричном к. з. на выходе фильтра ФНОП появляется напряжение, пропорциональное напряжению обратной последовательности, максимальное реле напряжения 2РН срабатывает и обусловливает срабатывание минимального реле напряжения 3РН. Если при этом для реле 1РТ I p > I c , p , то защита срабатывает. При симметричном к. з. срабатывает ЗРН и реле тока 1РТ.
Ток срабатывания защиты при этом выбирается по условию отстройки от номинального тока, а не от тока самозапуска электродвигателей, питаемых от защищаемого трансформатора, что и обусловливает повышение чувствительности защиты.
где k отс и k в - коэффициенты отстройки и возврата реле; U ном и K U - номинальное напряжение и коэффициент трансформации трасформатора напряжения ТН.
Напряжение срабатывания ЗРН отстраивается от минимального значения напряжения в месте установки ТН с учетом самозапуска электродвигателей
(1)
Коэффициент чувствительности защиты по напряжению должен быть не ниже k ч = 1,2¸1,3, причем k ч, при симметричном к. з. можно определять не по напряжению срабатывания минимального реле ЗРН, а по напряжению его возврата, так как симметричное к. з. в начальный момент времени является несимметричным, а следовательно, ЗРН срабатывает в результате срабатывания 2РН. Такое взаимодействие реле повышает чувствительность защиты по напряжению при симметричных к. з.
Если трансформатор с высшим напряжением 110 кВ имеет глухозаземлённую нейтраль, то при однофазном к. з. в сети 110 кВ через нейтраль трансформатора будут проходить токи нулевой последовательности, для отключения которых на трансформаторе устанавливается специальная токовая защита нулевой последовательности. Измерительный орган защиты, которая устанавливается только при наличии питания со стороны НН или СН, состоит из одного реле тока 2РТ (рис. 2), подключенного к ТТ, установленному в цепи заземления нейтрали трансформатора. Ток срабатывания защиты выбирается из условия надежной отстройки от тока небаланса в заземляющей цепи при внешних междуфазных к. з. и согласуется с токами срабатывания защит от однофазных к. з., установленных на линиях, примыкающих к защищаемому трансформатору. Значение тока срабатывания обычно находится в пределах 100-200А. Время срабатывания защиты (реле РВ) должно быть на ступень селективности больше времени срабатывания наиболее медленно действующей защиты от однофазных к. з. примыкающих к трансформатору лин-ий электропередачи, При питании трансформатора только со стороны высшего напряжения защита обычно не устанавливается.
Защита трансформатора от перегрузки, выполняемая одним реле, имеет ток срабатывания
где k отс = 1,05 - коэффициент, учитывающий погрешность в значении тока срабатывания.
На трехобмоточных трансформаторах с односторонним "питанием защита от перегрузки устанавливается со стороны питания. При существенно различных мощностях обмоток устанавливается дополнительно защита на питаемой обмотке меньшей мощности.
ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРА
Обмотки большинства трансформаторов помещены в бак, залитый маслом, которое используется как для изоляции обмоток, так и для их охлаждения. При возникновении внутри бака электрической дуги к. з., а также при перегреве обмоток масло разлагается, что сопровождается выделением газа. Это явление и используется для создания газовой защиты.
Защита выполняется с помощью газового реле, установленного в трубе, соединяющей бак трансформатора с расширителем. Газовое реле состоит из кожуха и двух расположенных внутри него поплавков, снабженных ртутными контактами, замыкающимися при изменении их положения. Оба поплавка шарнирно укреплены на вертикальной стойке. Один из них расположен в верхней части, а второй - в центральной. При слабом газообразовании (газ скапливается в верхней частей кожуха реле), а также при понижении уровня масла верхний поплавок опускается, что приводит к замыканию его контактов. При бурном газообразовании потоки масла устремляются в расширитель, что приводит к замыканию контактов обоих поплавков. .Контакты верхнего поплавка носят название сигнальных, а нижнего - основных контактов газового реле.
Движение масла через газовое реле, вызванное к. з. внутри бака трансформатора, обычно является толчкообразным: Поэтому замыкание основных контактов может быть ненадежным (перемежающимся), что учитывается, при выполнении схемы газовой защиты трансформатора.
На рис. 3 изображена схема газовой защиты на переменном оперативном токе. Выходное промежуточное реле защиты РП самоудерживается до отключения выключателя 1В со стороны питания.
Поскольку газовая защита может сработать ложно, например, вследствие выхода воздуха из бака трансформатора после доливки свежего масла, в схеме защиты предусмотрены переключающее устройство ПУ и резистор R, с помощыо которых действие газовой защиты может быть переведено на сигнал.
Достоинствами газовой защиты являются простота выполнения, срабатывание при всех видах повреждения внутри бака трансформатора, высокая чувствительность.
Рис. 3. Принципиальная схема газовой защиту трансформатора,
Однако газовая защита, естественно, не срабатывает при повреждениях вне бака трансформатора. Поэтому она не может быть единственной основной защитой трансформатора.
Трансформаторы мощностью 1 МВ*А и более обычно поставляются комплектно с газовой защитой.
ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРА
На трансформаторах мощностью более 7,5 МВ*А в качестве основной защиты устанавливается продольная дифференциальная токовая защита. Принцип действия защиты аналогичен защите линий электропередачи. Однако особенности трансформатора как объекта защиты приводят к тому, что I нб в дифференциальной защите трансформатора значительно больше, чем в дифференциальных защитах других элементов системы электроснабжения. "Ъсвовными факторами, которые необходимо учитывать при выполнении дифференциальной защиты трансформатора, являются следующие.
Бросок тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение или при восстановлении напряжения после отключения внешнего к. з. Ток намагничивания трансформатора (рис. 4, а) I нам = I 1 п - I 11 п в нормальном режиме работы невелик и составляет 2-3% номинального тока I т,ном. После отключения внешнего к. з., как и при включении трансформатора под напряжение, возникающий бросок тока намагничивания может превышать номинальный ток /т,ном в 6-8 раз.
Рис. 4. Изменение потока и тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение.
а - поясняющая схема; б -изменение тока намагничивания; в - изменения напряжения и магнитного потока; г - характеристика намагничивания.
Значение тока при броске зависит от момента включения трансформатора под напряжение. Наибольшее значение бросок тока намагничивания имеет при включении трансформатора в момент, когда мгновенное значение напряжения U равно нулю (рис. 4, в, г). В этом случае магнитный поток Ф t в сердечнике трансформатора в начальный период времени содержит большую апериодическую составляющую Ф a и превышает при переходном процессе установившееся значение Ф уст практически в 2 раза. Поскольку зависимость Ф = f(I нам) нелинейна, то i нам увеличивается по отношению к установившемуся значению в сотни раз, но остается обычно меньшим максимальных переходных токов внешних (сквозных) к. з. Бросок тока намагничивания может содержать большую апериодическую слагающую, а также значительный процент высших гармоник (прежде всего второй). Затухание броска происходит медленнее, чем тока к. з. В результате кривая броска тока намагничивания i нам,бр (рис. 4, б) может оказаться смещенной по одну сторону оси времени.
Указанные характерные особенности броска тока намагничивания используются для обеспечения отстроенности дифференциальной токовой защиты трансформатора, поскольку при отстройке защиты по току срабатывания она имеет очень низкую защитоспособность, а при отстройке по времени - теряет быстроту срабатывания.
Схемы соединения обмоток трансформатора . Если обмотки высшего и низшего напряжения трансформатора соединены не по схеме Y/Y -12, а по какой-то другой схеме, то между токами фаз трансформатора на сторонах высшего и низшего напряжения существует фазовый сдвиг. Так, при широко распространенной схеме соединения обмоток трансформатораY/D-11 фазовый сдвиг составляет ÐI 1 п I 11 п = 30 эл. град. Поэтому при одинаковых схемах соединения вторичных обмоток групп 1ТТ и 2ТТ трансформаторов тока (на сторонах высшего и низшего напряжения) в дифференциальной цепи защиты при внешнем к. з, проходит значительный ток, равный примерно половине вторичного тока ТТ при внешнем к. з.
Поэтому схемы соединения групп 1ТТ и 2ТТ должны быть такими, чтобы указанный сдвиг по фазе отеутствовал (ÐI 1 п I 11 п = 0). При этом возможны два варианта: вторичные обмотки группы 1ТТ соединяются в треугольник, а группы 2ТТ - в звезду или вторичные обмотки группы 2ТТ - в треугольник, а 1ТТ - в звезду. Схема соединения обмоток ТТ в первом случае ясна из рис. 5. Предпочтение всегда отдается первому варианту, так как соединение в треугольник вторичных обмоток ТТ, установленных со стороны звезды силового трансформатора, предотвращает возможное неправильное срабатывание дифференциальной защиты при внешних однофазных к. з. (когда нейтраль трансформатора заземлена), поскольку соединение в треугольник предотвращает попадание токов нулевой последовательности в реле защиты. При соединении вторичных обмоток 1ТТ в треугольник токи в цепи циркуляции от 1ТТ (I’ 1 в) в ÖЗ раз больше вторичных токов 1ТТ (I 1 в). Поэтому коэффициент трансформации 1ТТ выбирается равным I т Y ном ÖЗ/5, где I т Y ном - номинальный ток трансформатора со стороны обмотки силового трансформатора, соединенной в звезду.
Рис. 5. Схема соединения ТТ дифференциальной токовой защиты трансформатора Y/D-11 и векторные диаграммы.
Несоответствие коэффициентов трансформации ТТ расчетным значениям . Для обеспечения равенства токов в цепи циркуляции должно соблюдаться соотношение
соответственно для трансформаторов с соединением обмоток по схеме Y/Y и Y/D. Выпускаемые промышленностью трансформаторы тока имеют дискретную шкалу коэффициентов трансформации. Поэтому в общем случае I’ 11 в ¹I’ 1 в что вызывает дополнительный ток небаланса в реле защиты.
Регулирование коэффициента трансформации трансформатора . При регулировании коэффициента трансформации трансформатора соотношение между первичными, а следовательно, и между вторичными токами 1ТТ и 2ТТ изменяется, что также приводит к появлению тока небаланса в дифференциальной цепи защиты. Различия типов ТТ, их нагрузок и кратностей токов внешнего к. з. Трансформаторы тока ТТ дифференциальной защиты трансформатора устанавливаются на сторонах трансформатора, имеющих различное напряжение, поэтому они не могут быть одинаковыми. Кроме того, схемы соединения вторичных обмоток ТТ также различны, а следовательно, трансформаторы тока имеют разную нагрузку. Различны у разных групп ТТ (особенно в случае трехобмоточного трансформатора) и кратности тока внешнего к.з. по отношению к их номинальным токам. Все это обусловливает разные погрешности" у разных групп ТТ, что приводит к появлению повышенных токов небаланса в дифференциальной цепи защиты при внешних к. з.
Рассмотренные выше факторы обусловливают применение защит различной сложности и с использованием разных способов обеспечения их защитоспособности и отстроенности. В простейшем случае в качестве РТД (рис, 5) используют обычное реле тока без замедления (такую защиту называют дифференциальной отсечкой). Однако защитоспособность ее мала из-за того, что защита получается весьма грубой. Для повышения чувствительности применяют реле и схемы, основные из которых (реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами в дифференциальной цепи, реле с торможением) были рассмотрены применительно к продольной дифференциальной защите линий. В ряде случаев применяются и более сложные принципы (особенно для обеспечения отстроенности защиты от бросков тока намагничивания трансформатора).
Наибольший (расчетный) ток небаланса в дифференциальной цепи защиты может иметь место при включении трансформатора под напряжение или при внешнем к. з. Поэтому ток небаланса должен определяться в обоих случаях.
При включении трансформатора под напряжение действующее значение броска тока намагничивания I бр.нам в первый период равно (6-8)I т,ном. где I т,ном - номинальный ток трансформатора.
При внешнем к. з., сопровождающемся прохождением через ТТ защиты наибольших токов к. з., ток небаланса
I нб = I" нб + I" нб + I"’ нб, (1)
где I" нб I" нб I"’ нб - токи небаланса, обусловленные соответственно погрешностями ТТ, регулированием коэффициента трансформации трансформатора и неравенством токов в цепи циркуляции от различных групп ТТ.
Раскрывая выражения для отдельных составляющих тока небаланса (1), можно записать:
I нб,расч = (k одн k апер e + DU* рег + Df выр)I к,ве, max (2)
где k одн =1-коэффициент однотипности; k апер - коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей в первичном токе ТТ при внешнем к. з.; e=0,1 -допустимая относительная погрешность ТТ; DU* рег =DU рег /U ном - относительный диапазон изменения напряжения на вторичной стороне трансформатора при регулировании коэффициента трансформации под нагрузкой устройством РПН; Df выр = (I’ 1 в -I’ 11 в)/ I’ 1 в - относительное значение тока небаланса в дифференциальной цепи защиты, обусловленное несоответствием расчетных и фактических коэффициентов трансформации ТТ.
Значения коэффициента k апер в (2) и коэффициента, учитывающего отстройку от броска тока намагничивания, выбираются разными в зависимости от типа применяемого РТД. Так, для дифференциальной отсечки ток срабатывания определяется как
I с,з = k отс I бр,нам;(3)
I с,з = k отс I нб,расч. (4)
При этом в (4) k отс » 2, а выражение (3) с учетом некоторого затухания переходного значения I бр,нам в течение собственного времени срабатывания электромеханического реле принимает вид:
I с,з = (3.5¸4.5) I т,ном (5)
и, как правило, является определяющим. Ток срабатывания реле дифференциальной токовой отсечки
I c,p = I с,з Ö3/K 1TT, (6)
если I с,з отнесен к стороне Y трансформатора, где вторичные обмотки 1ТТ соединены в треугольник. Дифференциальная отсечка считается приемлемой, если при двухфазном к. з. на выводах низшего напряжения трансформатора k ч >= 2. Несмотря на низкую чувствительность дифференциальной отсечки ее достоинство заключается в обеспечении быстроты срабатывания при наибольших кратностях тока к. з.
При использовании реле с насыщающимися промежуточными трансформаторами РНТ выбор тока срабатывания защиты I с,з производится по выражениям;
I с,з = (1 ¸ 1,3I) т,ном (7)
I с,з = k отс (I’ нб + I” нб) (8)
В (8) неучет I” нб объясняется возможностью скомпенсировать эту составляющую (в первом приближении) с помощью промежуточного насыщающегося трансформатора тока ПНТТ с несколькими первичными обмотками (рис. 5,5), когда для предотвращения попадания в реле защиты тока небаланса, обусловленного неравенством токов I’ 11 в и I’ 1 в в цепи циркуляции, производится выравнивание м. д. с. первичных обмоток w 1 , w 2 промежуточных трансформаторов тока так, что I’ 1 в w 1 » I’ 11 в w 2 , т. е. E в,т »0 и I р »0.
Кроме того, в (8) при расчете I’ нб значение коэффициента k апер принимается равным единице.
Существуют специальные реле дифференциальной защиты серии РНТ, содержащие максимальное реле тока, включенное на вторичную обмотку ПНТТ. Они характеризуются постоянной м. д. с. срабатывания (F c,p = const)
Рис. 5.5 Схема включения реле РНТ в дифференциальной токовой защите трансформатора
Принципиальная схема дифференциальной защиты трансформатора с РНТ (в однолинейном изображении) представлена на рис. 5,5.
Следует отметить, что определение составляющей расчетного тока небаланса I” нб обусловленной регулированием напряжения защищаемого трансформатора, и расчетных чисел витков обмоток промежуточных насыщающихся трансформаторов тока реле защиты производится с учетом одинакового максимального регулирования ±DU max в обе стороны по отношению к среднему положению переключателя РПН, принимаемого в качестве расчетного. Такой учет регулирования напряжения соответствует определению оптимальной уставки защиты только при условии независимости сопротивления трансформатора и тока к. з. от положения переключателя РПН.
Для повышения чувствительности дифференциальной токовой защиты трансформатора предусматривают более эффективную (по сравнению с защитой с РНТ) отстройку от броска тока намагничивания трансформатора, используя: несинусоидальность броска тока намагничивания; наличие в нем апериодической слагающей; наличие провалов (ниже заданного уровня) в кривой тока I нам,пер. В настоящее-время желательнона мощных трансформаторах устанавливать защиту с током срабатывания (0,2-0,3)I т,ном. Дифференциальные защиты, применяемые в эксплуатации, можно разделить на три группы: с токовыми реле; с реле РНТ; с реле с торможением.
Наибольший ток срабатывания имеют защиты первой группы (дифференциальные токовые отсечки). Ток срабатывания защит второй группы значительно меньше. Наиболее распространенной разновидностью таких защит является уже рассмотренная защита с применением промежуточных насыщающихся ТТ в дифференциальной цепи. Недостатком этой защиты является, небольшое замедление из-за наличия некоторой апериодической слагающей в токе к. з.
Еще меньший ток срабатывания могут иметь зашиты третьей группы.
В настоящее время выпускается полупроводниковая дифференциальная токовая защита типа ДЗТ-21 , ток срабатывания которой равен примерно 0,3I т,ном.
ОТКЛЮЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВОТ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ ОТСУТСТВИИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ НА СТОРОНЕ ВЫСШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
В настоящее время в системах электроснабжения все более широко применяются понизительные подстанции без выключателей на стороне высшего напряжения. Такие подстанции выполняются по упрощенным схемам присоединения к сети системы электроснабжения (по блочным схемам линия - трансформатор или отпайками от линий электропередачи). Для отключения повреждений в понизительных трансформаторах таких подстанций применяются следующие способы:
установка на выводах высшего напряжения трансформаторов плавких предохранителей; » фиксация и ликвидация повреждений в трансформаторе с помощью защит, установленных на питающих концах линии;
установка короткозамыкателей, автоматически включаемых при срабатывании защит трансформатора и вызывающих к. з, на выводах высшего напряжения, которое ликвидируется затем защитами питающего конца линии;
передача отключающего сигнала по высокочастотному каналу (на базе проводов линии) или по жилам специального кабеля от защит трансформатора на отключение выключателя питающего конца линий.
Если защиты питающего конца линии не обеспечивают необходимой чувствительности при повреждениях в обмотках трансформатора и на его вывоДах низшего напряжения или имеют большие выдержки временнгто для отключения повреждения используются защиты трансформатора, Действующие в сочетании с короткозамыка-телем.
Включение короткозамыкателя осуществляется от защиты трансформатора, а отключение - вручную. В сетях с заземленной нейтралью короткозамыкатель устанавливается в одной фазе, а в сетях с изолированной нейтралью он выполняется двухполюсным с общим приводом и устанавливается на двух фазах.
После включения короткозамыкателя возникает однофазное (или двухфазное) к. з. на выводах высшего напряжения трансформатора. При этом срабатывают быстродействующие защиты, установленные на питающих концах линии. Допускается однократное АПВ питающей линии (хотя оно может вызвать увеличение размеров повреждения трансформатора). Когда к одной линии подключены ответвлениями два или несколько трансформаторов, на каждом из них дополнительно устанавливают отделители (трехполюсные разъединители с автоматическим управлением). Отключение отделителя поврежденного трансформатора осуществляется автоматически в бестоковую паузу после отключения питающей линии. После АПВ восстанавливается питание неповрежденных трансформаторов, оставшихся подключенными к линии.
В простейшем случае для отключения отделителя используется специальное реле прямого действия - блокирующее реле отделителя (БРО), установленное в приводе отделителя и подключенное к трансформатору тока, включенному в цепи короткозамыкателя. Под воздействием тока к. з. взводится боек БРО. После отключения защитой питающей линии и исчезновения тока в цепи короткозамыкателя БРО срабатывает и отключает отдел-итель. Однако такая схема автоматического отключения отделителя не нашла широкого распространения из-за присущих ей недостатков: малой надежности БРО и необходимости оснащения линии двукратным АПВ, поскольку при одновременном срабатывании быстродействующих защит линии и трансформатора (при повреждении в трансформаторе) отделитель в первую бестоковую паузу может не отключиться.
Более надежной является схема автоматического отключения отделителя, использующая в качестве источника оперативного тока предварительно заряженную (от зарядного устройства УЗ) батарею конденсаторов С, показанную на рис. 6. При включении короткозамыкателя К реле тока РТ размыкающим контактом запрещает отключение отделителя О, пока не отключится выключатель питающей линии. Катушка отключения отделителя Кб подключается к.конденсатору С после возврата реле РТ и срабатывания реле РП. Задержка при срабатывании реле.РЯ предотвращает недопустимое отключение отделителя при прохождении через него тока к. з., если вспомогательные контакты К 1 замкнутся раньше основных контактов короткозамыкателя.
Следует отметить некоторые особенности защиты трансформаторов упрощенных подстанций при наличии короткозамыкателей и отделителей. 1. Если в качестве единственной основной защиты применяется газовая защита-(трансформаторы небольшой мощности), то она должна обеспечить включение короткозамыкателя при любых повреждениях внутри бака трансформатора. Поэтому трансформатор собственных нужд (ТСН) или трансформатор напряжения (ТН) уже не может служить источникам оперативного тока для газовой " защиты, поскольку при повреждении силового трансформатора оперативное напряжение может значительно снижаться. Единст-
Рис. 6. Схема отключения отделителя с. применением батарей предварительно заряженных конденсаторов.
венным надежным источником оперативного тока в данном случае могут быть батареи предварительно заряженных конденсаторов.
2. Для включения короткозамыкателя на стороне высшего напряжения трансформатора (и для отключения выключателя на стороне низшего напряжения) часто используют энергию предварительно заряженных конденсаторов при невозможности использования схем с дешунтированием электромагнитов включения короткозамыкателя и отключения выключателя (когда вторичные токи к. з. составляют более 150 А). Такие случаи характерны для трансформаторов 110 кВ малой мощности (2,5; 4; 6,3 МВ*А) при использовании встроенных во вводы трансформатора трансформаторов тока (типа ТВТ-110). Вместе с тем зарядные устройства, включаемые на ТСН или ТН, не могут обеспечить заряд разряженных конденсаторов при включении трансформатора на трехфазное к. з. на его выводах или на шинах НН подстанции. Поэтому заряд конденсаторов в этих случаях обеспечивается применением специального зарядного устройства, питающегося как от цепей напряжения, так и от цепей тока.
3. Вследствие кратковременности разряда конденсатора серьезные требования предъявляются к качеству наладки и состоянию аппаратуры (короткозамыкателей и отделителей). Загрязнения, окисление, загустение смазки могут привести к недолустимому замедлению действия этих аппаратов.
Применение подстанций с короткозамыкателями на "стороне высшего напряжения характеризуется увеличением времени отключения поврежденного участка из-за сравнительно большого собственного времени включения короткозамыкателей. Этот недостаток можно исключить, если вместо короткозамыкателей использовать телеотключение. При передаче команды телеотключения лр кабелю предусматривается постоянный контроль состояния его жил с помощью специального устройства (например, .типа УК-1)
В эксплуатации применяется также передача отклю-,.4 чающего импульса по в. ч. каналу, организованному по проводам линии электропередачи с помощью специальной аппаратуры в. ч. обработки и специальных устройств высокочастотного телеотключения (ВЧТО).
При повреждении трансформатора и срабатывании его защиты одновременно с отключением выключателя и запретом его АПВ подается по линиям сигнал телеотключения (ТО) к передатчику. Сигнал по каналу связи подается на входы приемников питающих подстанций, вызывая срабатывание на них промежуточных реле, отключающих головные выключатели. С целью повышения надежности при осуществлении устройства телеотключения сохраняется и
короткозамыкатель.
СХЕМА ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА НА ПЕРЕМЕННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ
На рис. 7 представлена схема защиты трансформатора отпаечной подстанции. Оба контакта газовой защиты (как сигнальный, так и отключающий) питаются от трансформатора собственных нужд ТСН (рис. 7, а). Это допустимо, поскольку имеется дифференциальная защита, которая, являясь основной, резервирует действие газовой защиты в случае отказа последней при повреждениях трансформатора, сопровождающихся значительным снижением напряжения на шинах собственных нужд. Резистор 2СД (рис. 7, в), подключенный параллельно обмотке реле; ЗРП (типа РП-26), "увеличивает ток в обмотке указательного реле 2РУ (типа РУ-21) для обеспечения более четкой его работы. Реле ЗРП, сработав, самоудерживается через размыкающий.вспомогательный контакт короткозамыкателя 1К.. Резистор 1СД необходим для работы 2РУ при переводе действия газовой защиты отключающим устройством 2ОУ на сигнал.
Дифференциальная защита (1РНТ, 2РНТ) (рис. 7,б) выполнена на реле РНТ-363 (с насыщающимися трансформаторами) и действует на промежуточные выходные реле 1РП и 2РП
Рис. 7. Схема защиты трансформатора отпаечной подстанции, имеющего встроенные трансформаторы тока.
(типа РП-341). Пуск реле РП-341 осуществляется замыкающими контактами реле 1РНТ, 2РНТ. Мощные контакты реле 1РП и 2РП, переключаясь, подключают трансформаторы тока к электромагнитам включения короткозамыкателя 1ЭВК, 2ЭВК. и электромагнитам отключения 1ЭО и 2ЭО выключателя стороны низшего напряжения трансформатора. При подключении электромагнитов возрастает нагрузка на питающие их трансформаторы тока. Для предотвращения возврата пускового реле из-за увеличения нагрузки в токовых цепях контакты реле 1РП и 2РП подключены параллельно контактам пусковых реле защиты. Таким образом, реле РП-341 самоудерживается за счет тока, проходящего по его обмотке, независимо от положения контактов пусковых реле. Чтобы обеспечить надежную работу электромагнита, его ток срабатывания должен быть не более 0,8 тока срабатывания действующей на него защиты. Поскольку чувствительность основных токовых защит должна быть не менее 1,5, то при минимальном токе к. з., при котором она обеспечивается, чувствительность электромагнита будет не менее 1,5/0,8 » 2. Соблюдение этого условия важно, потому что при малых токах, близких к току срабатывания, электромагнит работает замедленно и защита питающей линии может сработать раньше, чем сработает электромагнит короткозамыкателя. Это в свою очередь приведет к неуспешному АПВ выключателя линии.
ОСОБЕННОСТИ АПВ ТРАНСФОРМАТОРОВ
На однотрансформаторной подстанции АПВ трансформатора является обязательным. Осуществление на" двухтрансформаторной подстанции АПВ трансформаторов рекомендуется, если при отключении одного трансформатора оставшийся в работе трансформатор не может обеспечить питание нагрузки без отключения части, потребителей.
Запрет АПВ. при повреждении внутри бака трансформатора осуществляется с помощью сигнального контакта газового реле.
Для осуществления АПВ трансформатора используются те же устройства, что и для АПВ линии. При этом АПВ должно действовать с выдержкой времени для исключения его срабатывания при внутренних к. з., сопровождающихся бурным газообразованием, когда отключающий контакт газового реле замыкается раньше, чем сигнальный.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ РЕЗЕРВНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ТРАНСФОРМАТОРА
На подстанциях широкое распространение получили устройства автоматического включения секционного выключателя С В при исчезновении питания на одной из секций шин низшего напряжения.
Схема АВР СВ, выполненная с помощью реле РПВ-358, представлена на рис. 8. Пуск АВР осуществляется при соблюдении следующих условий: несоответствие положения ключа управления (фиксируемого с помощью реле 1РПФ, обмотки которого не показаны
Рис. 8. Схема АВР СВ с устройством выявления потери питания и проверкой значения встречного напряжения.
на рис. 8,г) и выключателя 1В (рис. 8, а) (фиксируемого с помощью реле РПО, срабатывающего при отключении выключателя). При этом подается «минус» на зажим 5 комплектного устройства РПВ-358 и происходит срабатывание АВР. Действие АВР контролируется замыкающим контактом реле 2РПФ, который замыкается в случае срабатывания защиты от внутренних повреждений в трансформаторе или защиты от потери питания.
Аналогичная цепь пуска АВР предусмотрена на рис. 8, г и при отключении трансформатора Т2, питающего вторую секцию подстанции IIс-(рис. 8, а). Цепь пуска АВР контролируется также размыкающим контактом РПФ, который замкнут при отключенном СВ.
Двухпозиционное реле РПФ срабатывает и переключает свои контакты при отключении СВ ключом управления КУ (фиксируя тем самым отключенное положение выключателя) и при включении выключателя по любой причине от контактов электромагнита включения СВ (фиксируя включенное положение выключателя).
В рассматриваемой схеме АВР предусмотрен также - контроль отсутствия напряжения на резервируемой секции шин, который осуществляется последовательно включенными размыкающими контактами реле минимального напряжения 1РН и 2РН, подающими «плюс» на зажим 6 комплектного устройства РПВ-358. Контроль отсутствия напряжения необходим для предотвращения несинхронного включения резервного источника питания на остаточное напряжение тормозящихся крупных синхронных. или асинхронных двигателей. Затухание э. д. с. синхронного электродвигателя при неотключенном возбуждении будет происходить по мере уменьшения частоты вращения, а при гашении поля -- по мере уменьшения тока в обмотке возбуждения.
Пуск АВР при исчезновении напряжения, на секциях шин, когда выключатель питающего трансформатора останется включенным, с помощью минимальных реле напряжения может оказаться неэффективным, поскольку синхронные двигатели и конденсаторные батареи могут длительно поддерживать остаточное напряжение на шинах, потерявших питание. Поэтому в рассматриваемой схеме пусковой орган АВР дополнен устройством, реагирующим на снижение частоты и изменение направления активной мощности. Этот пусковой орган срабатывает при снижений частоты, если активная мощность через питающую линию или трансформатор стала равной нулю или изменила направление.
Устройство состоит из реле частоты РЧ (рис. 8, в), промежуточных реле РПЧ и РПМ, реле направления мощности 1РМ, 2РМ (рис. 8,б) и реле времени РВ.
К реле мощности подводятся линейное напряжение и ток отстающей фазы: U bc и -I с; U ca и -I a . При таком включении и внутреннем угле, равном 30°, реле имеет положительный момент при направлении активной мощности к шинам и отрицательный - при направлении активной мощности от шин; реле подключается таким образом, чтобы при направлении мощности к потребителю контакты его были замкнуты. Необходимость двух реле направления мощности объясняется тем, что при двухфазном к. з. за трансформатором одно из реле может сработать "неправильно. Уставка срабатывания по частоте реле РЧ принимается равной 48-48,5 Гц. Для облегчения работы контактов реле направления мощности и уменьшения нагрузки на трансформатор напряжения напряжение на обмотки реле мощности подается после снижения частоты. Если срабатывание реле частоты будет обусловлено снижением частоты в энергосистеме, контакты РЧ замкнутся, сработает реле РПЧ, а реле времени (с уставкой 0,3-0,5 с) не сработает, так как контакты реле РПМ останутся разомкнутыми (мощность направлена к шинам, и контакты 1РМ и 2РМ замкнуты).
Если срабатывание реле РЧ произойдет вследствие затухания напряжения на шинах подстанции при потере питания, контакты реле направления мощности останутся разомкнутыми и реле времени сработает.
Запрет АВР осуществляется подачей «плюса» на зажим 8 от замыкающего контакта РПФ, который замкнут при включенном СВ.
Важно отметить, что" устройство АВР СВ должно работать только при потере питания (отключении питающей линии) и при внутренних повреждениях трансформатора. В остальных случаях отключения выключателя на низшей стороне трансформатора (от токовых защит) должно работать АПВ шин низшего напряжения путем повторного включения основного источника (трансформатора). Такое разграничение действия устройств АПВ и АВР СВ вызвано тем, что при включении секционного выключателя на к. з. имеется опасность отключения второго трансформатора и полного обесточения потребителя (при отказе защиты секционного выключателя или неисправности самого выключателя). Для реализации указанного сочетания действия устройств АПВ и АВР СВ в схемах защиты трансформатора устанавливается специальное реле 2РПФ, запоминающее работу защит от внутренних повреждений и потери питания.
В отдельных случаях запрещается работа устройства АВР при наличии замыкания на землю в резервируемой или резервирующей сети из-за опасения повышенной вероятности перекрытия другой фазы вследствие коммутационных перенапряжений в момент включения СВ. При этом может возникнуть двойное замыкание на землю - одно на резервирующей части сети, другое - на резервируемой. Действие АВР должно также запрещаться, если основной источник питания будет отключен от АЧР.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРАНСФОРМАЦИИ (АРКТ)
С целью поддержания требуемого уровня напряжения широко распространено регулирование напряжения U п у потребителей (рис. 9) путем изменения коэффици-
Рис. 9. Поясняющая схема (а) и характеристика изменения напряжения у потребителя при наличии АРКТ (б).
ента трансформации трансформаторов понижающих подстанций, питающих распределительную сеть. Для изменения коэффициента трансформации под нагрузкой трансформаторы оборудуются устройствами РПН (переключение отпаек под нагрузкой). Автоматическое изменение n т осуществляется специальным регулятором АРКТ, воздействующим на РПН.
В общем случае электрическая сеть, получающая питание от шин подстанции, может быть разветвленной и питать значительное количество нагрузок. При этом наиболее выгодно поддерживать неизменным напряжение в некоторой контролируемой точке, представив разветвленную сеть в виде эквивалентной линий с одной нагрузкой на конце. Поскольку значение напряжения U п при данном напряжений на шинах U ш зависит от падения напряжения в эквивалентной линии (U п = U ш – Z э,л I п) , то напряжение U ш должно быть тем больше, чем больше нагрузка потребителя. Такое регулирование напряжения получило названий встречного регулирования.
Неизменность напряжения в контролируемой точке сети при различных режимах нагрузки может быть обеспечена, если смоделировать на входе измерительного органа АРКТ напряжения, существующие в регулируемой цепи. Для этого к нему необходимо подвести напряжение
U п = U ш – sI п
Измерительный орган АРКТ является регулятором по отклонению напряжения от заданного значения U КОНТР, пропорционального напряжению в контролируемой точке. Если sI п будет равно падению напряжения в эквивалентной линии Z э,л (от шин подстанции до контролируемой точки), т, е. sI п = Z э,л I п, то при наличии АРКТ напряжение у потребителя (в контролируемой точке) будет соответствовать заданному значению. Из сказанного следует необходимость ввести в измерительный орган напряжения АРКТ сигнал, пропорциональный току нагрузки. Целесообразно использовать суммарный ток нагрузки, поскольку при различных графиках изменения нагрузок потребителей регулирование по суммарному току более точно отвечает необходимому закону регулирования.
Измерительный орган подключается к трансформатору напряжения ТН и трансформаторам тока ТТ (рис. 9, а).
При отключении выключателя В (рис. 9, а) АРКТ необходимо вывести из работы, что производится вспомогательным контактом В путем отсоединения выхода АРКТ от приводного механизма ПМ устройства РПН. *
На двухтрансформаторных подстанциях, работающих с отключенным СВ, АРКТ устанавливается на каждом трансформаторе. При отключении одного из трансформаторов и включении секционного. выключателя следует убедиться (у АРКТ остающегося в работе трансформатора) в правильности поддержания напряжения при встречном регулировании и при необходимости изменить значение s.
Особенностями АРКТ являются релейность действия, наличие зоны нечувствительности U нч выбираемой большей, чем ступень изменения напряжения DU ст при переключении одной отпайки:
U нч = (1.25¸1.3) DU ст
Переключение отпаек необходимо производить с выдержкой времени, обеспечивающей отстройку от кратковременных колебаний напряжения (например, при пуске электродвигателей). Поэтом при выходе напряжения у потребителя из зоны нечувствительности регулятора (рис. 9, б) АРКТ через время t ср = 1¸2 мин воздействует на РПН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кривенко В.В., Новелла В.Н. «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения» М., «Энергоиздат», 1981
2. Крюков В.И. «Обслуживание и ремонт электрооборудования подстанций и распределительных устройств», М., «Высшая школа», 1983
Как известно, силовой трансформаторы (далее - СТ ) – это наиболее ответственные и дорогие элементы в схемах любых электрических подстанций, поэтому крайне необходимо грамотно подходить в организации их защиты. Только такой подход позволяет полностью исключить возможность повреждения от всех видов коротких замыканий и ненормальных режимов.
Виды повреждений . В процессе эксплуатации трансформаторов могут возникать следующие виды повреждений:
3-х и 2-х фазные КЗ на стороне низкого напряжения;
- однофазные замыкания на корпус на стороне высокого напряжения;
- межвитковые замыкания;
- короткие междуфазные замыкания за трансформатором;
- короткие однофазные замыкания за трансформатором.
Разновидности защит . Для защиты СТ , имеющих мощность более 1МВА, от внутренних повреждений и различных ненормальных режимов сегодня применяются следующие ее разновидности:
Продольная дифференциальная защита , которая предохраняет от всех видов КЗ, как в обмотках, так и на их выводах. Как правило, устанавливается на трансформаторы мощностью 6,3МВА и выше. Зона действия ограничивается трансформаторами тока на высокой и низкой сторонах трансформатора.
9.1. Виды повреждений трансформаторов и типы используемых защит
9.1.1. Повреждения трансформаторов и защиты от них
Виды повреждений :
1. замыкания между фазами внутри бака трансформатора и на наружных выводах обмоток;
2. замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания );
3. замыкания на землю обмоток;
4. повреждение магнитопровода – пожар железа .
Наиболее часто встречающиеся повреждения – КЗ на выводах и витковые замыкания. Многофазные КЗ происходят реже. В трехфазных трансформаторах они маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции; в трансформаторных группах, составленных из трех однофазных трансформаторов, замыкания между фазами практически невозможны.
При витковых замыканиях токи, как правило, небольшие, поэтому защиты трансформаторов, предназначенные для действия при витковых замыканиях, а также при замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с изолированной нейтралью, должны обладать высокой чувствительностью.
Для ограничения разрушений защита трансформаторов должна действовать быстро. Повреждения, сопровождаемые большим током должны отключаться без выдержки времени (время действия защиты составляет 0,05 – 0,1 с.).
Виды защит трансформаторов от повреждений :
1. Дифференциальная – мгновенная защита обмоток, вводов и ошиновок трансформатора.
2. Токовая отсечка – защита ошиновки, вводов и части обмотки со стороны высокого напряжения.
3. Газовая – защита от повреждений внутри бака, сопровождающихся выделением газа, а также при понижении уровня масла.
4. Защита от замыканий на корпус.
9.1.2. Ненормальные режимы трансформаторов и защита от них
К ненормальным режимам трансформаторов относят появление в их обмотках сверх токов при внешних КЗ, качаниях и перегрузках и повышение напряжения.
1. Внешние КЗ
При КЗ на шинах или отходящей от шин линии через трансформатор протекает ток КЗ, существенно превышающий ток нормального режима. При длительном протекании сверх тока обмотки трансформатора недопустимо нагреваются.
Для защиты трансформатора в этом случае используется максимальные токовые защиты (обычная, или с блокировкой минимального напряжения), направленная защита, токовая защита нулевой последовательности. В зону действия данных защит должны входить шины подстанции (1-ая зона защиты) и все присоединения, отходящие от этих шин (2-ая зона защиты). Эти защиты резервируют действие основных защит сборных шин и отходящих линий, а также являются резервными защитами при повреждении самого трансформатора.
2. Перегрузка
Перегрузку трансформатора порядка 1,5 – 2 от номинального значения можно допускать в течение десятков минут. Мощные трансформаторы имеют меньшее допустимое время перегрузки . Кратковременные перегрузки возникают при самозапуске двигателей напряжением 6-10 кВ, подключении мощной нагрузки и др., отключения трансформатора при этом не требуется. Более длительная перегрузка при подключении нагрузки от АВР, отключения параллельно работающего трансформатора, могут быть в течение десятков минут устранены персоналом или автоматикой.
Защита трансформатора от перегрузки должна действовать на отключение только в том случае, когда перегрузка не может быть устранена персоналом или автоматикой. В остальных случаях защита действует на сигнал .
Защита от перегрузки выполняется с помощью токовых реле.
3. Повышение напряжения
В сетях 500-750 кВ при одностороннем отключении длинных линий с большой емкостной проводимостью вероятно опасное для трансформаторов повышение напряжения. При повышении напряжения увеличивается магнитная индукция в магнитопроводе трансформатора. Возрастает ток намагничивания и вихревые токи, что может вызвать пожар железа сердечника.
9.2. Дифференциальная защита трансформаторов
9.2.1. Назначение и принцип действия дифференциальной защиты
Дифференциальная защита (ДЗ) предназначена для защиты от КЗ между фазами, на землю и от витковых замыканий. Принцип действия ДЗ такой же как у продольной дифференциальной защиты линий – основан на сравнении величин и направлении токов до и после защищаемого элемента. Распределение токов при КЗ в трансформаторе и вне его продемонстрировано на рис. 9.2.1.
Задачей при проектировании защиты является уравновешивание вторичных токов в плечах защиты так, чтобы ток в реле отсутствовал и ДЗ не работала при нагрузке и внешних КЗ (рис. 9.2.1. а)). При КЗ в трансформаторе (рис. 9.2.1. б)), если I P > I C . P . – реле сработает и отключит трансформатор.
9.2.2. Особенности дифференциальной защиты трансформаторов
Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей по сравнению с продольной дифференциальной защитой линий.
1. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.
В режиме нагрузки и внешнего КЗ: I II >I I , отношение токов - равно коэффициенту трансформации силового трансформатора.
2. В трансформаторе с соединением обмоток Y / D - токи I I и I II различаются и по величине и по фазе: угол сдвига зависит от группы соединения обмоток трансформатора. Наиболее распространённое соединение обмоток Y / D –11 гр. Векторные диаграммы распределения токов в обмотках трансформатора с такой группой соединения показаны на рис. 9.2.2.
В связи с вышеизложенным необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов по величине: , а при разных схемах соединения обмоток и по фазе, с тем, чтобы поступающие в реле токи в нормальном режиме и при внешнем КЗ были равны.
Пояснение к рис.:
I AI , I BI , I CI – токи в фазах обмотки, соединенной в звезду;
I A , I B , I C - токи в фазах обмотки, соединенной в треугольник.
Фазные токи сдвига не имеют. Однако, в месте установки трансформатора ТА2 проходят токи, равные геометрической разности фазных токов, так в фазе А проходит ток: I AII = I A – I B . Ток I AII сдвинут относительно I AI на угол 330° .
9.2.3. Меры по выравниванию вторичных токов
9.2.3.1. Компенсация сдвига токов I 1 и I 2 по фазе
Выравнивание вторичных токов в плечах защиты по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмоток трансформаторов тока, установленных на стороне звезды силового трансформатора (см. рис. 9.2.3.).
Такой способ обеспечивает компенсацию сдвига фаз не только при симметричной нагрузке и трехфазных КЗ, но и при любом несимметричном повреждении.
9.2.3.2. Выравнивание величин токов I 1 и I 2
Выравнивание величин вторичных токов в плечах дифференциальной защиты осуществляется подбором коэффициентов трансформации n T 1 и n T 2 трансформаторов тока и параметрами, специально для этой цели установленных, промежуточных автотрансформаторов или трансформаторов (см. рис. 9.2.4.).
Коэффициенты трансформации n T 1 и n T 2 выбираются таким образом, чтобы вторичные токи в плечах защиты, по возможности, совпадали I 1 = I 2 (рис. 9.2.4. а)).
При соединении обмоток силового трансформатора Y / Y :
(9.1.)
где:N – коэффициент трансформации силового трансформатора.
При соединении обмоток по схеме Y / D :
Ток в плече, подсоединенном к трансформаторам тока включенным в треугольник , а в плече присоединенномк трансформаторам тока, соединенным в звезду , с учетом этого:
(9.2.)
Задаваясь одним из коэффициентов трансформации, например n TII можно найти, пользуясь выражениями (9.1.) или (9.2.), расчетное значение второго n TI , но он, как правило, получается нестандартным. Используют трансформатор тока с стандартным значением коэффициента трансформации, ближайшим к расчетному значению, а компенсация оставшегося неравенства вторичных токов осуществляется с помощью выравнивающих автотрансформаторов или трансформаторов
Использование автотрансформатора (см. рис. 9.2.4. б)):
Коэффициент трансформации автотрансформатора n a подбирается так, чтобы его вторичный ток I 2 a был равен току I 1 в противоположном плече защиты:
(9.3.)
Использование трансформатора (см. рис. 9.2.5.):
В данном случае используется промежуточный компенсирующий трансформатор с тремя первичными обмотками: w y 1 и w y 2 - уравнительные , включаются в плечи защиты; w ∂ - дифференциальная , включаемая на разность токов I 1 – I 2 . Вторичная обмотка w 2 питает дифференциальное реле КА .
Число витков обмоток подбирается из условия:
9.2.4. Токи небаланса в дифференциальной защите
9.2.4.1. Общие сведенья
При внешних КЗ и нагрузке обеспечить полный баланс вторичных токов, поступающих в реле не удается:
I нб = I 1 – I 2 (9.5.)
В общем случае ток небаланса можно разложить на ряд составляющих:
I нб = I нб.ТА + I нб.рег + I нб.ком + I нб.нам (9.6.)
где:I нб.ТА – ток небаланса из-за погрешностей трансформаторов тока;
I нб.рег – погрешность при изменении коэффициента трансформации N силового трансформатора;
I нб.ком – ток небаланса из-за неточности компенсации токов в плечах защиты;
I нб.нам – составляющая, вызванная наличием тока намагничивания I нам у силового трансформатора.
Составляющая I нб.ТА имеет наибольшую величину и является основной:
I нб.ТА = I II нам – I I нам (9.7.)
где:I I нам , I II нам - токи намагничивания трансформаторов тока.
I нб.рег - Компенсация неравенства первичных токов, осуществляемая с помощью компенсирующего трансформатора или вспомогательного автотрансформатора, обеспечивается при определенном значении коэффициента трансформации силового трансформатора N . Этот коэффициент может изменяться, особенно значительно у силовых трансформаторов оснащенных РПН. Обычно параметры компенсирующих устройств подбираются для среднего значения N . При отклонении от него на ± D N появляется ток небаланса:
(9.8.)
где:I скв - сквозной ток, протекающий через трансформатор.
I нб.ком - Появляется в тех случаях, когда регулирующие возможности компенсирующих устройств не позволяют подобрать расчетные значения w y или n a , необходимые для полной компенсации.
I нб.нам - Ток намагничивания I нам силового трансформатора нарушает расчетное соотношение между первичным и вторичным токами силового трансформатора:
I нб.нам = I нам (9.9.)
В нормальном режиме I нам составляет 1–5% от I ном . Ток намагничивания резко возрастает при увеличении напряжения на трансформаторе, при КЗ ток намагничивания резко уменьшается.
9.2.4.2. Причины повышенного тока небаланса в дифференциальной защите трансформаторов и автотрансформаторов
Величина тока небаланса достигает значительной величины у трансформаторов с РПН, из-за составляющей - I нб.рег .
Из-за конструктивных ограничений часто бывает значительна составляющая I нб.ком .
Особенна велика составляющая I нб.ТА – причины этого:
1. Конструктивная разнотипность трансформаторов тока, применяемых на стороне высшего и низшего напряжения силовых трансформаторов. Особенно резко отличаются характеристики трансформаторов тока, встраиваемых в вводы масляных выключателей (U НОМ = 35 кВ и выше), от характеристик выносных трансформаторов тока, применяемых на напряжении 10 и 6 кВ.
2. Большое сопротивление нагрузки, присоединенной ко вторичным обмоткам трансформаторов тока и значительным различием сопротивлений плеч.
3. У трех обмоточных трансформаторов, кратность токов при внешних КЗ для различных групп трансформаторов тока получаются неодинаковыми. Через одну группу протекает суммарный ток КЗ, через две другие лишь часть этого тока. В результате группа ТА3 (см. рис. 9.2.6.) будет намагничиваться сильнее, токи намагничивания этих трансформаторов увеличатся.
9.2.4.3. Расчет тока небаланса
Ток небаланса оценивается по приближенной формуле, исходя из предположения, что при максимальном токе короткого замыкания, погрешность трансформаторов тока не превышает 10%:
I нб.ТА = k одн 0,1 I к.макс (9.10.)
где:k одн - коэффициент однотипности, учитывающий различие в погрешности трансформаторов тока, образующих дифференциальную схему; k одн = 0,5–1. При существенном различии условий работы и конструкций трансформаторов тока - k одн = 1.
Значение полного тока небаланса:
9.2.4.4. Меры для предупреждения действия защиты от токов небаланса
Простейшее решение: I C.P. > I нб – значительно ограничивает чувствительность защиты. Ток небаланса стараются уменьшить. Так как основной составляющей является I нб.ТА , главный путь уменьшения тока небаланса – правильный подбор трансформаторов тока и их вторичной нагрузки. Трансформаторы тока не должны насыщаться при максимальном значении тока сквозного КЗ.
Однако, даже после принятых мер, ток небаланса все равно остается достаточно большим. Для исключения ложного действия защиты от токов небаланса применяют:
1. дифференциальные реле, включенные через быстро насыщающиеся вспомогательные трансформаторы (БНТ);
2. дифференциальныереле с торможением.
9.2.4.5. Токи намагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов при включении их под напряжение
При включении силовых трансформаторов возникает резкий бросок тока намагничивания, имеющий затухающий характер (рис. 9.2.7.).
Изменение тока I нам во времени характеризуется следующими особенностями:
1. Кривая тока носит асимметричный характер, пока ток I нам не достигнет установившегося значения;
2. кривая может быть разложена на апериодическую составляющую и синусоидальные токи различных гармоник. Апериодическая составляющая имеет весьма большое удельное значение в токе I нам ;
3. Время затухания токов определяется постоянными времени трансформатора и сети, и может достигать 2-3 секунд. Чем мощнее трансформатор, тем дольше продолжается затухание;
4. Первоначальный бросок тока может достигать 5-10 кратного значения номинального тока трансформатора. У мощных трансформаторов кратность меньше, чем у маломощных.
Ток I нам , появляется только в одной обмотке силового трансформатора (той, на которую подается напряжение при его включении (рис. 9.2.8.)). Для предотвращения ложных действий дифференциальной защиты, под влиянием I нам принимают специальные меры :
1. Замедление защиты примерно на 1 секунду (широко применялся ранее). При этом теряется наиболее ценное свойство защиты – её быстродействие;
2. Блокировка при понижении напряжения;
3. Торможение от токов высших гармоник; (опыт эксплуатации отверг эти два способа, они были недостаточно надежны, приводили к чрезмерному усложнению защиты).
В настоящее время применяются следующие два способа:
1. Использование БНТ (быстро насыщающегося трансформатора), через который включаются дифференциальные реле. БНТ не пропускает апериодический ток, который составляет значительную часть тока намагничивания;
2. Отстройка от тока намагничивания по величине I нам С.З. На этом принципе работают дифференциальные отсечки .
Преимущество обоих способов:
1. простота;
2. надежность;
3. быстрота действия.
9.2.5. Схемы дифференциальных защит
9.2.5.1. Дифференциальная токовая отсечка
Схемы токовых цепей дифференциальной токовой отсечки (ДТО) могут выполняться в 2-х вариантах: по полной 3-х фазной схеме с тремя реле, и упрощенной схеме в 2-х фазном исполнении на стороне треугольника силового трансформатора с двумя реле (рис. 9.2.9.).
На трансформаторах большой и средней мощности следует применять 3-х фазную схему, как более совершенную.
Основным условием правильной работы ДТО является отстройка тока срабатывания от намагничивающего тока, возникающего при включении силового трансформатора. Для облегчения отстройки устанавливаются промежуточные реле с временем действия 0,04-0,06 с. (К этому моменту ток намагничивания спадает практически в два раза. (см. рис. 9.2.7.)):
Из-за большой величины тока срабатывания, защита недостаточна чувствительна к витковым замыканиям.
(9.13.)
Достоинства ДТО :
1. Простота принципа действия;
2. Быстрота действия.
Недостатки ДТО :
Ограниченная чувствительность.
ДТО применяется на силовых трансформаторах малой мощности.
9.2.5.2. Дифференциальная защита с токовыми реле, включенными через БНТ
9.2.5.2.1. Общие сведенья
Схема дифференциальной защиты с реле тока РНТ-565 показана на рис. 9.2.10.
Применение БНТ позволяет выполнить простую и быстродействующую защиту, надежно отстроенную от токов небаланса и бросков намагничивания.
БНТ плохо трансформирует апериодические токи. В реле защиты попадает лишь переменная составляющая тока небаланса и броска намагничивающего тока силового трансформатора. (см. рис. 9.2.11. – осциллограммы токов в обмотках БНТ.) Временные зависимости наглядно показывают резкое снижение тока в реле и эффективность насыщающегося трансформатора.
За счет насыщения сердечника БНТ, обусловленного подмагничивающим действием апериодического тока, трансформация переменной составляющей также ухудшается, что ещё больше уменьшает ток в реле.
После затухания апериодической составляющей нормальные условия для трансформации периодического тока восстанавливаются.
Подмагничивающие действие апериодического тока, приводит к замедлению защиты при повреждении в её зоне. Трансформация уменьшается настолько, что ток в обмотке реле меньше тока срабатывания. Время замедления – 0,03 –0,01 секунды. Это является недостатком схемы дифференциальной защиты с БНТ.
Пояснения к рис.:
а) – при включении силового трансформатора под напряжение; б) – при сквозном КЗ. (I нам - ток намагничивания в первичной обмотке; I P - ток намагничивания во вторичной обмотке; I K - ток сквозного КЗ на плече дифференциальной защиты; I нб - ток небаланса в первичной обмотке; - ток небаланса во вторичной обмотке БНТ).
Ток срабатывания защиты должен отстраиваться от переменной составляющей переходных токов намагничивания и небаланса:
Реле РНТ-565 совмещает в себе устройство выравнивания вторичных токов защиты и БНТ. На рис. 9.2.10. : w y1 , w y2 – уравнительные обмотки, позволяют выровнять магнитный поток при неравенстве токов I 1 и I 2 при сквозных КЗ. w ¶ - рабочая (дифференциальная) обмотка. В РНТ-565 используется токовое реле типа РТ-40.
Число витков уравнивающих обмоток регулируется отпайками и подбирается так, чтобы при внешних КЗ ток в обмотке реле КА был равен нулю. (См. формулу 9.4.)
Ток срабатывания защиты регулируется изменением числа витков обмотки w ¶ .
На магнитопроводе реле РНТ имеется короткозамкнутая обмотка w к . Она повышает степень отстройки реле от токов небаланса и бросков намагничивающих токов силового трансформатораособенно, когда эти токи имеют незначительную апериодическую составляющую, что понижает эффективность действия БНТ. Короткозамкнутая обмотка ограничивает периодический ток, возникающий во вторичной обмотке РНТ. Конструктивно размещение обмоток реле РНТ-565 показано на рис. 9.2.12.
Работа БНТ:
Ток I ¶ , поступающий в обмотку w ¶ создает магнитодвижущую силу F ¶ = I ¶ w ¶ , которая образует в среднем стержне магнитный поток Ф ¶ , замыкающийся по крайним стержням магнитопровода.
В общем случае ток I ¶ состоит из переменной I ¶ .п. и апериодической I ¶ .а. составляющих. Соответственно этому образуются два магнитных потока Ф ¶ .п. и Ф ¶ .а. .
Переменный поток Ф ¶ .п. , замыкаясь по стержню 2 , наводит в обмотке w 2 , ЭДС Е 2 . Апериодический поток Ф ¶ .а. ., медленно изменяющийся во времени, не создает ЭДС в w 2 и полностью затрачивается на намагничивание магнитопровода.
Переменная составляющая потока Ф ¶ .п. ,наводит в витках короткозамкнутой обмотки w к ЭДС Е к и ток I к . Короткозамкнутая обмотка создает потоки Ф к и Ф ’ ¶ направленные встречно потоку Ф ¶ .п. и заметно компенсируют его. В результате по магнитопроводу протекает остаточный поток Ф п < Ф ¶ .п. (где Ф ¶ .п. – магнитный поток при отсутствии короткозамкнутой обмотки).
Таким образом короткозамкнутая обмотка уменьшает переменный магнитный поток, создаваемый периодическим током I ¶ .п. , питающим обмотку w ¶ .
Рис. 9.2.12.
9.2.5.2.2. Варианты схем включения обмоток реле РНТ
Варианты схем включения обмоток реле РНТ-565 показаны на рис. 9.2.13. :
а)У 2-х обмоточных трансформаторов для компенсации неравенства токов в плечах защиты достаточно использовать только одну уравнительную обмотку (включается в плечо с меньшим током.
б)Для повышения точности компенсации применяются схемы с включением двух уравнительных обмоток.
в)Схема с использованием только уравнительных обмоток.
г)Защита 3-х обмоточных трансформаторов. Уравнительные обмотки включаются в плечи с меньшими токами. Плечо с большим током подсоединяется непосредственно к дифференциальной обмотке реле.
9.2.5.2.3. Расчет уставок дифференциальной защиты на реле РНТ-565
Самостоятельная работа студентов. (Расчет подробно изложен в методических указаниях к курсовой работе, а для 3-х обмоточного трансформатора в пособии по релейной защите к дипломному проектированию.
9.2.5.3. Дифференциальная защита с реле имеющим торможение
9.2.5.3.1. Общие сведенья
Чувствительность дифференциальной защиты силовых трансформаторов может быть повышена применением дифференциального реле с торможением. (Принципиальная схема токовых цепей дифференциальной защиты с реле ДЗТ-11 для двухобмоточного трансформатора представлена на рис. 9.2.14.)
Ток срабатывания защиты под влиянием тока, протекающего в тормозной обмотке реле, возрастает, что повышает надежность отстройки защиты от появляющихся токов небаланса.
9.2.5.3.2. Характеристика реле с торможением
При КЗ в зоне (рис. 9.2.15.) ток повреждения I K , протекающий по тормозной обмотке, загрубляет реле, но несмотря на это чувствительность тормозного реле выше, чем у реле с БНТ без торможения.
Для обеспечения достаточной надежности действия защиты при повреждениях в зоне и селективности при внешних КЗ коэффициент торможения (наклон характеристики реле) принимается равным 30-60%, а начальный ток I C.P.0 при I T =0 – 1,5-2 А (30-40% от I номТА ).
9.2.6. Оценка дифференциальных защит трансформаторов
Достоинства :
Быстрое и селективное отключение повреждений как самого трансформатора, так и его выводов и ТВЧ.
Применение :
Согласно ПУЭ, дифференциальные защиты устанавливаются:
на одиночно работающих трансформаторах мощностью 6300 кВА и выше;
на параллельно работающих трансформаторах мощностью 4000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности при КЗ на выводах низкого напряжения (k Ч <2) , а МТЗ имеет выдержку времени > 1.
На маломощных трансформаторах используются дифференциальные отсечки.
Если на трансформаторах с РПН и трех обмоточных трансформаторах реле с БНТ не удовлетворяет требованию чувствительности применяют тормозное реле типа ДЗТ.
9.3. Токовая отсечка трансформаторов
Токовая отсечка самая простая быстродействующая защита от повреждений в силовых трансформаторах. Данная защита реагирует только на большие по величине токи и охватывает своей зоной действия лишь часть трансформатора.
На трансформаторах, питающихся от сети с глухозаземленной нейтралью, отсечка устанавливается на трех фазах. Принципиальная схема токовой отсечки показана на рис. 9.3.1.
Ток срабатывания
Ток срабатывания токовой отсечки отстраивается от максимального тока КЗ при повреждении за трансформатором:
I С.З. = k Н I КЗ.макс (9.15.)
где:k Н - коэффициент надежности, =1,25-1,5 – в зависимости от точности токовых реле.
1,25-1,3 – для реле РТ-40;
1,4-1,5 – для реле РТ-80,90.
Рис. 9.3.2.
9.4. Газовая защита
9.4.1. Принцип действия и устройство газового реле
Образование газов в кожухе трансформатора и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора (см. рис. 9.4.1.).
Существует три разновидности газовых реле, к устаревшим конструкциям относят поплавковые и лопастные ; современные газовые реле – чашечного типа.
Конструкция чашечного газового реле представлена на рис. 9.4.2.
Реле имеет два элемента – сигнальный и отключающий (чашки 1 и 2). Чашка может вращаться вокруг оси 3. 4-5 – подвижный контакт; 6-7 – неподвижный контакт; 8-9 – противодействующие пружины; 12 – лопасть на нижней чашке, вращающаяся на оси.
Если в кожухе реле и в чашках нет масла, то контакты разомкнуты. Та же, если кожух реле заполнен маслом. При понижении уровня масла в реле, под весом масла в чашке контакт замыкается. При бурном газообразовании, под действием потока масла лопасть 12 поворачивается и замыкает контакты.
При небольших повреждениях в трансформаторе образование газа происходит медленно, он поднимается к расширителю, проходя через реле, газ заполняет верхнюю часть её кожуха, вытесняя оттуда масло – замкнется контакт 4-6.
При значительном повреждении в трансформаторе, газообразование протекает бурно, под влиянием давления, масло приходит в движение, лопасть 12 замыкает контакты 5-7.
Реле способно различать степень повреждения в трансформаторе. при малых – сигнал, при больших – отключение.
Газовая защита реагирует и на понижение уровня масла – вначале на сигнал, затем на отключение.
Схема включения газового реле представлена на рис. 9.4.3. Для предупреждения неправильного отключения трансформатора, отключающая цепь газовой защиты после доливки масла или включения нового трансформатора переводится на сигнал (до 2-3 суток) до тех пор, пока не прекратится выделение воздуха, отмечаемые по работе защиты на сигнал.
9.4.2. Оценка газовой защиты
Достоинства :
1. Простота;
2. Высокая чувствительность;
3. Малое время действия при значительных повреждениях.
Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформаторов от повреждений его обмоток и особенно витковых замыканий, на которые дифференциальная защита реагирует только при замыкании большого числа витков, а МТЗ и отсечка не реагируют совсем.
Недостатки :
1. Не действует при повреждениях на выводах трансформатора;
2. Должна выводиться из работы после доливки масла.
Применение
Обязательно устанавливается на трансформаторах мощностью 6300 кВА и выше, а также на трансформаторах 1000-4000 кВА не имеющих дифференциальной защиты или отсечки и если МТЗ имеет выдержку времени более 1 секунды. При наличие быстродействующих защит, её применение допускается. На внутрицеховых трансформаторах мощностью 630 кВА и выше обязательна к применению, независимо от наличия других быстродействующих защит.
9.5. Защита от сверхтоков
9.5.1. Назначение защиты от сверхтоков
Защита от сверхтоков служит для отключения трансформаторов при КЗ на сборных шинах или на отходящих от неё присоединениях, если защиты или выключатели этих элементов отказали (см. рис. 9.5.1.). Одновременно защита от сверхтоков используется и для отключения при повреждении в самом трансформаторе. Однако, имея выдержку времени (по условиям селективности) она может использоваться лишь в качестве резервной.
Наиболее простой защитой от внешних КЗ является МТЗ. В тех случаях, когда чувствительность её недостаточна, применяют МТЗ с блокировкой по напряжению.
Понизительные трансформаторы защищаются МТЗ. Кратность тока КЗ обычно значительна и достаточна для действия МТЗ.
Повышающие трансформаторы, устанавливаемые на электрических станциях находятся в худших условиях. МТЗ может иметь недостаточную чувствительность. Кратность тока КЗ невелика. Здесь применяются защиты реагирующие на ток обратной и нулевой последовательности. Также используются МТЗ с пуском по напряжению.
9.5.2. Максимальная токовая защита трансформаторов
9.5.2.1. Защита 2-х обмоточных понизительных трансформаторов
Принципиальная схема МТЗ двухобмоточных понизительных трансформаторов представлена на рис. 9.5.2. По соображениям надежности целесообразно воздействовать на оба выключателя Q1 иQ2, с тем, чтобы при внешних КЗ один выключатель резервировался вторым.
В сети с глухозаземленной нейтралью защита выполняется по 3-х фазной схеме, а в сети с изолированной нейтралью – по 2-х фазной с 1,2 или 3-мя реле, в зависимости от нужной чувствительности. Причем схема с одним реле, включенным на разность токов 2-х фаз на трансформаторах с соединением обмоток звезда/треугольник – не применяется .
Выбор уставок
Ток срабатывания защиты должен быть больше тока перегрузки, не требующей быстрого отключения трансформатора.
(9.16.)
где:I раб.макс – рабочий максимальный ток в режиме длительно возможной перегрузки.
Коэффициент чувствительности:
(9.17.)
где:I кз.мин – минимальный ток сквозного КЗ при повреждении в конце зоны действия МТЗ, установленной на трансформаторе.
Выдержка времени:
t TP = t W + D t (9 .18.)
где:t W – наибольшая выдержка времени защиты присоединения (линий, отходящих от шин низкого напряжения трансформатора);
D t – ступень селективности.
9.5.2.2. Защита трансформаторов с расщепленной обмоткой нижнего напряжения, или работающих на две секции шин
Принципиальная схема защиты представлена на рис. 9.5.3.
9.5.2.3. Защита трехобмоточных трансформаторов
9.5.2.3.1. Защита трехобмоточных трансформаторов при отсутствии питания со стороны обмотки среднего напряжения
Принципиальная схема защиты представлена на рис. 9.5.4.
При внешних КЗ защита должна обеспечивать отключение только той обмотки трансформатора, которая непосредственно питает место повреждения. Комплект со стороны низкого напряжения действует на отключение выключателя этой обмотки. Другой комплект со стороны высокого напряжения действует с двумя выдержками времени, с меньшей на отключение обмотки среднего напряжения и с большей на отключение всех выключателей трансформатора.
9.5.2.3.2. Защита трехобмоточных трансформаторов, имеющих 2-х и 3-х стороннее питание
МТЗ на трехобмоточных трансформаторах, имеющих 2-х или 3-х стороннее питание для обеспечения селективности должна быть направленной (см. рис. 9.5.5.).
При
КЗ в точке К2
выдержка времени защиты 2
должна быть
меньше защиты 1
.
При КЗ в точке К1
, наоборот, защита 1
должна
срабатывать раньше, т.е. простая МТЗ не может обеспечить селективности. Защиту 2
необходимо
выполнить направленной, с выдержкой времени t’ 2
Принципиальная схема защиты комплекта 2 представлена на рис 9.5.6.
Реле KV1 замыкает свой контакт KV1.1 и промежуточное реле KL срабатывает. При трехфазном КЗ реле KV1 замыкает свой контакт KV1.1 .
9 .6. Защита трансформаторов от перегрузки
9.6.1. Подстанция с персоналом
Защита действует на сигнал. Токовое реле включено на ток одной фазы.
(9.19.)
где:k H – составляет – 1,05
Время срабатывания защиты отстраивается от выдержек времени максимальных защит присоединений, чтобы избежать излишних сигналов при КЗ и кратковременных перегрузках.
t ПЕР = t МТЗ + D t (9.20.)
9.6.2. Подстанция без персонала
Защита от перегрузки выполняется трехступенчатой.
Первая ступень срабатывает при малых перегрузках. Действие защиты на сигнал, передаваемый с помощью телемеханики на дежурный пункт.
t 1 = t МТЗ + D t (9.21.)
Вторая ступень от больших перегрузок. Действует на отключение части малоответственных потребителей, разгружая трансформатор до допустимого значения.
t 2 < t доп (9.22.)
где:t доп – допустимое время перегрузки.
Третья ступень действующая на отключение, если вторая ступень не осуществит разгрузки.
При неравной мощности обмоток или 2-х и 3-х стороннем питании защиту от перегрузки ставят на всех обмотках.
9.6.4. Защита от перегрузки автотрансформаторов
Защита от перегрузки устанавливается со стороны низкого и высокого напряжений, а также со стороны нейтрали для контроля за перегрузкой общей части обмотки. Кроме того, на повышающих автотрансформаторах с трехсторонним питанием устанавливается защита со стороны среднего напряжения в режиме, когда в обмотке низкого напряжения нет тока (в таком режиме пропускная мощность автотрансформатора снижается).
Страница 11 из 24
Глава четвертая
ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ПОНИЖАЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
4-1. Типы релейной защиты трансформаторов
Для защиты понижающих трансформаторов от повреждений и ненормальных режимов в соответствии с Правилами и на основании расчета применяются следующие основные типы релейной защиты.
1. Продольная дифференциальная защита - от коротких замыканий в обмотках и на их наружных выводах, для трансформаторов мощностью, как правило, 6,3 MB-А и выше; с действием на отключение трансформатора.
2. Токовая отсечка без выдержки времени - от коротких замыканий на наружных выводах ВН трансформатора со стороны питания и в части обмотки ВН, для трансформаторов, не оборудованных продольной дифференциальной защитой; с действием на отключение.
3. Газовая защита - от всех видов повреждений внутри бака (кожуха) трансформатора, сопровождающихся выделением газа из трансформаторного масла, а также от понижения уровня масла, для масляных трансформаторов мощностью, как правило, 6,3 MB-А и выше; с действием на сигнал и на отключение.
4. Максимальная токовая защита (с пуском или без пуска по напряжению) - от сверхтоков, обусловленных внешними междуфазными короткими замыканиями на сторонах НН или СН трансформатора, для всех трансформаторов, независимо от мощности и наличия других типов релейной защиты; с действием на отключение.
5. Специальная токовая защита нулевой последовательности, устанавливаемая в нулевом проводе трансформаторов со схемой соединения Y/У и Л/У - от однофазных к.з. на землю в сет НН, работающей с глухозаземленной нейтралью (как правило, 0,4 кВ); с действием на отключение.
Максимальная токовая защита в одной фазе - от сверхтоков, обусловленных перегрузкой, для трансформаторов начиная с 400 кВ-А, у которых возможна перегрузка после отключения параллельно работающего трансформатора или после срабатывания местного или сетевого АВР; с действием на сигнал или на автоматическую разгрузку.
Сигнализация однофазных замыканий на землю в обмотке* ВН или на питающем кабеле трансформаторов, работающих в сетях с изолированной нейтралью (с малым током замыкания на землю), к которым относятся сети 3-35 кВ.
Наиболее важные защиты - дифференциальная и газовая - могут применяться и на трансформаторах мощностью менее
MB-А. Так, например, Правила разрешают предусматривать дифференциальную защиту на трансформаторах 1 -
MB-А в тех случаях, когда токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности (§ 5-2), а максимальная токовая защита имеет выдержку времени tc. з ^ 0,6 с. Газовую защиту также стремятся устанавливать на трансформаторах меньшей мощности: от 1 до 4 MB-А, а на внутрицеховых трансформаторах - начиная с 630 кВ-А.
Таким образом, на понижающих трансформаторах релейная защита осуществляется с помощью нескольких типов защит, дополняющих и резервирующих друг друга. Такое резервирование называется ближним . Оно осуществляется не только установкой на трансформаторе (или на другом элементе) двух защит, действующих при одних и тех же видах повреждений, но и путем разделения их цепей, например включения продольной дифференциальной и максимальной токовых защит на разные трансформаторы тока, применения разных источников оперативного тока, установки двух выходных реле . Для повышения эффективности ближнего резервирования следует стремиться к повышению чувствительности защит, к применению более совершенных типов защиты, например дифференциальной защиты вместо токовой отсечки для трансформаторов мощностью менее MB*А.
Перечисленные типы защит рассматриваются в соответствующих главах. Примеры сочетания нескольких типов защит на трансформаторе приведены на рис. 4-1.
Наряду с ближним резервированием защита понижающего трансформатора должна осуществлять дальнее резервирование, т. е. действовать при к.з. в сети НН или СН в случаях отказа собственной защиты или выключателя поврежденного элемента этих сетей. Осуществлять дальнее резервирование способны лишь защиты с относительной селективностью . Из перечисленных защит трансформаторов к ним относятся только максимальная токовая защита от внешних междуфазных к. з. (п. 4) и специальная токовая защита нулевой последовательности от однофазных к.з. на землю в сети 0,4 кВ (п. 5). При разработке схем этих защит и при выборе параметров срабатывания (уставок) следует стремиться к увеличению их чувствительности. Для повышения эффективности дальнего резервирования могут применяться и более сложные типы защит: дистанционные, фильтровые токовые защиты обратной последовательности, как это сейчас делается для мощных трансформаторов и автотрансформаторов.
Рис. 4-1. Типы защит понижающих трансформаторов с высшим напряжением 35-110 кВ (а) и 6-35 кВ (б)
ТД-токовая дифференциальная; ТНВ - максимальная токовая с пуском по напряжению с выдержкой времени; Г -газовая; Г-токовая отсечка; TqB - специальная токовая защита нулевой последовательности от к. з. на землю
Однако до сего времени в целом проблема дальнего резервирования полностью не решена. Современные защиты трансформаторов далеко не во всех случаях обладают достаточной чувствительностью при к. з. на отходящих реактированных кабельных линиях 6 и 10 кВ или при удаленных к.з. на длинных сельских линиях 6 и 10 кВ. В свою очередь повреждения внутри и за понижающими трансформаторами относительно малой мощности очень часто не резервируются защитами питающих линий. Это вынужденно допускается Правилами . Тем большее значение приобретает надежное функционирование собственных защит каждого элемента и их взаимное резервирование.
На сегодняшний день практически все электрические сети на подстанциях должны иметь надежную защиту от перегрузки. Чтобы обеспечить надежную защиту, вам необходимо знать, как выполняется защита трансформатора от перегрузки.
В этой статье мы рассмотрим основные виды защиты и принцип их работы.
Защита трансформатора от перегрузки: основные виды
Все оборудование, которое используется в силовых установках должно быть надежно защищено от образования кратковременных перегрузок. Защита трансформатора от перенапряжений может потребоваться, чтобы проверить, какие нагрузки сможет выдержать устройство. Для защиты обычно специалисты используют предохранители. Если один трансформатор выполнит аварийное завершение работы, тогда другие устройства смогут полностью компенсировать номинальное напряжение. Именно этот процесс позволит обеспечить надежную работу устройства.
Теперь мы решили предоставить вашему вниманию основные виды защиты силовых трансформаторов:
- Предохранители и специальные трехфазные выключатели.
- Использование дифференциальной защиты устройства.
- Газовая защита трансформатора.
- Пожарная защита.
- Сигнальная страховка с помощью компьютерных программ.
Это основные виды защиты, которые могут использоваться на сегодняшний день.
Трехфазные выключатели и предохранители
Этот вид защиты может применяться для мощных распределительных сетей. Также при необходимости вы достаточно легко сможете обеспечить защиту от грозовых скачков. Выключатели считаются достаточно эффективными и применять их можно для стабилизации напряжения. При необходимости можете прочесть про .
Принцип работы газовой защиты
В типовой защите силового трансформатора вы сможете найти газовое реле. Реле состоит из двух отделений, которые выполняют разнообразные функции. Первая камера будет служить для контроля нагнетающего газа из масла. Ее необходимо установить возле расширительного бака. Когда масло дойдет до определенного уровня, тогда бак начнет его выпускать в определенных количествах. В этой ситуации сигнализатором будет служить специальный поплавок.
Индикатор не всегда будет показывать уровень масла. Иногда это устройство будет контролировать проходимость газов диагностируя работу трансформатора. Настроить правильную работу этого реле сможет специальный работник. Второе отделение устройства будет подключено к контуру трансформатора и будет его соединять, открывая путь для поднимающегося газа.
Мембрана в расширительном баке будет выступать в качестве индикатора изменения давления. Если давление повысится, тогда этот процесс сожмет мембрану и диафрагма начнет двигаться. Также движение может происходить в результате изменения атмосферного давления. В результате этого процесса трансформатор прекратит свою работу. Мембрана газового реле – это нежная антикоррозийная деталь, которая может перестать работать корректно при малейшем повреждении.
Автоматическая релейная защита
Реле защиты в трансформаторе представляет небольшую емкость, в которой будет находиться масло. Эту деталь могут использовать в трансформаторах дуговой плавки. Устройство необходимо для защиты трансформатора от перенапряжения. Реле состоит из поплавка и специального резервуара. Поплавок необходимо закрепить на шарнире, чтобы он мог свободно двигаться в зависимости от уровня масла. На поплавок также устанавливают специальный ртутный выключатель. Его положение будет зависеть от уровня масла.
Нижний элемент может состоять из специального реле. Эта пластина будет закреплена специальными шарнирами. Основные элементы реле также могут иметь специальные камеры, клеммы и сигнальные кабеля.
Принцип действия релейной защиты трансформатора считается достаточно простым. Он считается специальным механическим приводом, который способен самостоятельно отключить трансформатор, если в нем возникнут определенные неисправности. Конечно, этот процесс не решит проблему, но сможет значительно продлить срок службы вашего устройства. Если вы не знаете , тогда можете про него прочесть.
Принцип действия токовой дифференциальной защиты
Обычно дифференциальная или тепловая защита может устанавливаться в высоковольтных трансформаторах. Также выключатели должны иметь контроллеры.
Эта защита может иметь определенные преимущества:
- С помощью реле вы можете обнаружить неисправности в ТМГ.
- Дифференциальное реле реагирует на любые повреждение цепей.
- Защитные устройства могут обнаружить практически все ошибки.
Дифференциальная защита имеет простой принцип работы. Реле также способно сравнивать первичный и вторичный ток. Как видите, технологические способы защиты трансформатора основаны на равенстве номинальных показателей. Особое внимание, вам необходимо уделять защите масляных трансформаторов. Решить подобные задачи можно благодаря использованию микропроцессорных технологий.
Микропроцессор самостоятельно может контролировать уровень масла. Если оно достигнет критического уровня, тогда защита самостоятельно отключит устройство. Обычно эту технологию используют для собственных сетей. В правилах ПУЭ указано, что программная защита трансформатора должна применяться для устройств с мощностью от 6 Кв до 35 кВ. Расчет установки должен проводить сотрудник, который обладает необходимыми знаниями. Купить устройства для защиты трансформаторов вы сможете практически в любом городе. Надеемся, что эта информация будет полезной и интересной.