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 Δt 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 ≈ 9X 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 = √3U 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 = 0,25k зап k пер I т.ном /(k в KI), (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.