Токовые защиты трансформатора от коротких замыканий

Для защиты трансформатора небольшой и средней мощности от коротких замыканий в его обмотках на выводах и в соединени­ях до выключателей используют токовую отсечку без выдержки времени и токовую защиту со ступен­чатой характеристикой выдержки вре­мени. Защита устанавливается со сто­роны источника питания непосредст­венно у выключателя. При этом в зо­ну действия защиты входят трансфор­матор и его соединения с выключате­лями. Срабатывая, защита действует на отключение выключателей. Она мо­жет быть выполнена посредством вто­ричных реле прямого и косвенного дей­ствия на переменном и постоянном оперативном токе. Схема соединения трансформаторов тока и реле выбира­ется в соответствии с указаниями, при­веденными выше (см. § 6.4), с учетом действия защиты при всех возможных видах коротких замыкании.

Токовая отсечка без выдержки времени. Селективность отсечки обеспечивается выбором ее тока срабатывания по выражению I _с.з = k _зап I _к⁽³⁾_вн.max. Максимальный ток внешнего короткого замыкания I _к⁽³⁾_вн.max определяется при повреждении на шинах низшего напряжения в точке К₁ (рис. 13.3, а). Коэффициент запаса k _зап в зависимости от типа реле, как и для отсечки линии (см. § 6.7), при­нимается k _зап = 1,2÷2,0. При этом отсечка без выдержки времени оказывается отстроенной от бросков тока намагничивания. Сопро­тивление трансформатора обычно достаточно велико, поэтому при коротком замыкании со стороны питания (точка К₂) ток поврежде­ния значительно превышает I _к⁽³⁾_вн.max. Указанное соотношение токов дает возможность использовать токовую отсечку без выдержки времени в качестве защиты трансформаторов, причем она обычно обладает достаточной чувствительностью к коротким замыканиям со стороны питания (k _ч > 2,0). Недостатком отсечки без выдерж­ки времени является неполная защита трансформатора. В ее зону действия входит только часть обмотки. Защита не реагирует на короткие замыкания на выводах и в соединениях с выключателем со стороны низшего напряжения (точка K₃). Однако благодаря простоте выполнения и быстроте отключения от энергосистемы поврежденного трансформатора при наиболее тяжелых коротких замыканиях токовая отсечка широко применяется для защиты пони­жающих трансформаторов небольшой и средней мощности.

Дополненная газовой защитой (см. § 13.5), действующей при повреждении в обмотках, отсечка рекомендуется в качестве основ­ной защиты от внутренних коротких замыканий для одиночно работающих трансформаторов мощностью Р _т < 6300 кВА. В ка­честве примера на рис. 13.3, а показана схема отсечки с реле КА прямого действия типа РТМ.

Токовая защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени. Для отключения коротких замыканий на выводах и в сое­динениях с выключателем со стороны низшего напряжения (точ­ка K₃) токовая отсечка без выдержки времени дополняется макси­мальной токовой защитой, которая является вместе с тем защитой трансформатора от сверхтоков внешних коротких замыканий. По­лучается защита со ступенчатой характеристикой выдержки вре­мени без второй ступени. Схема такой защиты на оперативном пе­ременном токе рассмотрена выше (см. § 6.8, рис. 6.19).

При установке на трансформаторе защита действует на отклю­чение выключателя со стороны высшего напряжения. Его вспомо­гательный контакт Q1 управляет цепью электромагнита YAT от­ключения выключателя Q2, установленного со стороны низшего напряжения (как показано на рис. 13.3, а). Параметры максималь­ной токовой защиты выбираются в соответствии с изложенным вы­ше: выдержка времени — на ступень Δ t больше максимальной вы­держки времени tэл.max защит предыдущих элементов, а ток сраба­тывания — из условия предотвращения срабатывания защиты при перегрузках по выражению (6.7). При этом коэффициент чувстви­тельности должен быть k _ч > 1,5 при коротких замыканиях на низ­шей стороне трансформатора и k _ч > 1,2 при коротких замыканиях в конце линий, отходящих от шин низшего напряжения.

На параллельно работающих трансформаторах защита со сту­пенчатой характеристикой выдержки времени сохраняет селектив­ность только при коротких замыканиях в зоне первой ступени; се­лективное действие тре­тьей ступени обеспечивается лишь при наличии на шинах низшего напряжения параллель­но работающих транс­форматоров секционно­го выключателя с за­щитой, имеющей мень­шую выдержку време­ни. Для повышения чувствительности к по­вреждениям внутри бака защита со ступенчатой характеристикой дополняется газовой защитой (см. § 13.5).

Защита от коротких замыканий на землю. В распределитель­ных сетях широко применяются понижающие трансформаторы с соединением обмоток Y/Yo (звезда — звезда с заземленной ней­тралью) и четырехпроводной системой со стороны низшего напря­жения 0,4—0,23 кВ. В такой системе однофазные короткие замыка­ния на землю и замыкание фазы на нейтральный провод (рис. 13.3, б и 13.4, а) сопровождаются значительными токами поврежде­ния и представляют опасность для трансформатора. Поэтому на понижающих трансформаторах с первичным напряжением до 10 кВ включительно предусматривают действие защиты на отключение при указанных повреждениях на стороне низшего напряжения трансформатора в пределах до шин 0,4 (0,23) кВ. При этом корот­кие замыкания на отходящих от шин присоединениях должны отключаться защитой этих присоединений.

При коротком замыкании, например фазы В, на нейтральный провод ток I⁽¹⁾ _к , как и любой ток однофазного короткого замыкания, содержит составляющие прямой I⁽¹⁾ _1к , обратной I⁽¹⁾ _2к и нулевой I⁽¹⁾ _0к последовательностей, причем I⁽¹⁾ _1к = I⁽¹⁾ _2к = I⁽¹⁾ _0к (рис. 13.4, в).

Мощность рассматриваемых трансформаторов обычно во много раз меньше мощности питающей энергосистемы, поэтому ток I⁽¹⁾ _к можно определять без учета сопротивления системы:

I⁽¹⁾ _к = 3U _ф / (X _1T + X _2T + X _0T ),                                  (13.3)

где X _1T , X _2T, X _0T – соответственно сопротивления (Ом) прямой, обратной и нулевой последовательности трансформатора.

Для трансформатора при любой группе соединения обмоток X _1T = X _2T, сопротивление X _0T для двухобмоточного трансформатора с указанной схемой соединения обмоток определяется сопротивлением намагничивания X _0нам, которое значительно большесопротивления X _1T [9]. Например, для трансформатора мощностью 1000 кВА, напряжением 10,5/0,4 кВ сопротивление X _0T ≈ 9 X _1T. Поэтому ток I⁽¹⁾ _к оказывается в несколько раз меньшим токов трехфазного I⁽³⁾ _к и двухфазного I⁽²⁾ _к коротких замыканий:

I⁽³⁾ _к = U _ф / X _1T и I⁽²⁾ _к = √3 U _ф / (X _1T + X _2T).

Обычно ток однофазного короткого замыкания недостаточен для действия токовой защиты со ступенчатой характеристикой вы­держки времени. При этом, как следует из распределения токов на стороне высшего напряжения (рис. 13.4, а, б), наиболее простая однорелейная схема защиты с включением реле на разность токов двух фаз, например А и С, вообще непригодна, так как отказывает в действии при повреждении на землю фазы В, а схема неполной звезды может оказаться недостаточно чувствительной и поэтому должна дополняться третьим реле, включенным в обратный провод.

Если защита трансформатора выполнена предохранителями, то при однофазных коротких замыканиях на стороне низшего напря­жения возникают пеполнофазные режимы, а время перегорания предохранителей обычно недопустимо велико в связи с малой кратностью тока. Поэтому в ряде случаев применяется специаль­ная токовая защита нулевой последовательности (см. рис. 13.3, б), выполненная посредством, например, вторичного реле КАТ пря­мого действия типа РТВ. Реле присоединяется к трансформатору тока ТА, установленному в нулевом проводе между силовым трансформатором и точкой заземления нейтрали. При нормальной работе ток в реле определяется несимметрией нагрузки и токами 3-й гармонической, имеющей наибольшее значение при подключе­нии к трансформатору газоразрядных ламп.

В соответствии с ГОСТ 11677—75* двухобмоточный трансфор­матор со схемой соединения обмоток Y/Yo рассчитан на продолжи­тельный ток нагрузки нейтрали не более 25 % номинального тока обмотки низшего напряжения. При этом ни в одной из фаз ток не должен превышать номинальное значение более чем на 5 %. По­этому условие для выбора тока срабатывания имеет вид

I _c.p = 0,25 k _зап k _пер I _т.ном /(k _в K_I),                                   (13.4)

где k _пер — коэффициент, учитывающий перегрузку; для масляных трансформаторов, согласно [31], k _пер=1,4; k _зап = 1,1÷1,2.

Выдержка времени защиты согласуется с временем действия защит на отходящих линиях. Чувствительность защиты проверя­ется по минимальному значению тока однофазного короткого замыкания на шинах низшего напряжения. Чувствительность счита­ется достаточной, если k _ч > 1,5. Обычно защита присоединений, от­ходящих от шин 0,4 (0,23) кВ, выполняется плавкими предохрани­телями и автоматами с зависимой характеристикой выдержки вре­мени, поэтому для защиты от коротких замыканий на землю па стороне низшего напряжения трансформатора применяют реле с зависимой характеристикой (типа РТВ, РТ-80), благодаря чему обеспечивается лучшее согласование защит.

Рассмотренная защита должна применяться с учетом вероят­ности однофазных повреждений на выводах трансформатора со стороны низшего напряжения и в соединениях с шинами 0,4 (0,23) кВ. При незначительных расстояниях между трансформато­ром и распределительным щитом 0,4 (0,23) кВ и тщательном вы­полнении проводки между ними возможность повреждений неве­лика.

У трансформаторов с соединением обмоток по схеме Δ/Yo (тре­угольник — звезда с заземленной нейтралью) сопротивление нулевой последовательности практически равно сопротивлению прямой последовательности. Поэтому токи однофазного и трехфазного ко­роткого замыкания при повреждении у выводов низшего напряже­ния трансформатора имеют примерно одинаковое значение. Как в том, так и в другом случае повреждения должны отключаться тре­тьей ступенью токовой защиты трансформатора.

Защита трансформаторов в замкнутых сетях напряжением до 1000 В. Целесообразность построения городских замкнутых сетей напряжением до 1000 В не вызывает сомнения [68]. В заграничной практике такие сети успешно эксплуатируются довольно продол­жительное время. В качестве отключающих и защитных аппаратов используются плавкие предохранители в совокупности с автома­тами обратной мощности [69, 70].

На рис. 13.5 приведена схема простейшей замкнутой сети на­пряжением до 1000 В. Селективное отключение элементов этой се­ти обеспечивается предохранителями, установленными по концам линий, и автоматами SFW обратной мощности, установленными на стороне низшего напряжения трансформаторов Т1 — ТЗ. В нор­мальном режиме и при повреждении в сети (точка К₁) через все трансформаторы, а следовательно, и через автоматы обратной мощ­ности проходит мощность в прямом направлении, т.е. от источни­ка питания ИП к потребителям замкнутой сети. Автоматы обрат­ной мощности при этом не срабатывают, поврежденная линия от­ключается своими предохранителями F1, F2.

Если повреждается какой-либо трансформатор, например Т1 (точка K₂), то мощность через трансформатор Т1 и автомат обрат­ной мощности SFW1 изменяет направление, проходя из замкнутой сети к месту повреждения. Автомат обратной мощности SFW1, реа­гируя на изменение направления мощности, отключает поврежден­ный трансформатор Т1 со стороны низшего напряжения. Со сторо­ны высшего напряжения трансформатор отключается защитой, действующей на его выключатель Q1. Неповрежденные трансфор­маторы остаются в работе, электроснабжение потребителей сохра­няется полностью.

При повреждении одной из питающих линий, в частности в точ­ке К₃ , электроснабжение также полностью сохраняется. Повреж­денная линия со стороны ИП отключается своим выключателем Q3 под действием релейной защиты, а со стороны трансформатор­ного пункта — вместе с трансформатором Т2 автоматом обратной мощности SFW2. В Советском Союзе такие автоматы не выпускаются. Поэтому в городах, где нашли применение замкнутые сети напряжением до 1000 В, защита осуществляется переделанными счетчиками, реле направления мощности разных типов и другими аппаратами, не предназначенными для такой цели. Разработан комплект защиты типа РОМ-3, состоящей из электромеханических реле. Однако эксплуатация опытной партии показывает ряд прин­ципиальных и конструктивных его недостатков [71]. Наиболее совершенной является защита на полупроводниках, разработан­ная совместно Рижским и Ульяновским политехническими институтами [72]. Созданы три модификации защиты применительно к различным схемам распределительных сетей.

На рис. 13.6 показана структурная схема наиболее простой кодификации, которая рекомендуется к установке в сетях рассмотренного типа (см. рис. 13.5). Комплект защиты предназначен для работы от трансформаторов тока ТА серий ТК-40 и ТК-20. Реле направления мощности K. W включается на составляющие прямой последовательности тока (фильтр AZ) и напряжения (фильтр VZ). При этом обеспечивается его срабатывание при всех возможных видах короткого замыкания в защищаемой зоне. Реле создано на принципе сравнения фаз двух электрических величин. Угол максимальной чувствительности реле φ _{р max ч} = π/12. Фильтр тока AZ и фильтр напряжения VZ прямой последовательности можно выполнить в соответствии со схемами, рассмотренными выше (см. § 1.7). Фильтр напряжения включается непосредственно в сеть.

Блок питания VG обеспечивает нормальную работу схемы при значительных колебаниях напряжения сети. Исполнительный релейный элемент KL выполнен па полупроводниках и работает от остаточного напряжения сети. При срабаты­вании реле направления мощности KW создается цепь на катушку отключения автомата SF, в которую включено и указательное реле КН.