Токовые защиты трансформатора от сверхтоков внешних коротких замыканий и перегрузок

 

На трансформаторах наряду с защитами, действующими при повреждении в трансформаторе и его соединениях, предусматрива­ются резервные защиты для действия при внешних коротких за­мыканиях в случае отказа защит или выключателей смежных эле­ментов. Одновременно они являются основными защитами шин, на которые работает трансформатор, если на шинах отсутствует соб­ственная защита. В качестве защит от внешних коротких замыка­ний применяются токовые защиты с выдержкой времени с включе­нием реле на полные токи фаз и на их симметричные составляю­щие. Эти защиты реагируют и на внутренние короткие замыкания, поэтому могут использоваться как резервные или даже как основ­ные защиты трансформаторов. Такой, например, является защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени. Ее третья сту­пень является защитой трансформатора от внутренних поврежде­ний и от сверхтоков внешних коротких замыканий.

Максимальная токовая защита. Схемы максимальной токовой защиты трансформаторов выполняются аналогично схемам третьей ступени защиты со ступенчатой характеристикой выдержки вре­мени, описанным выше. Аналогично производится и расчет их параметтров Однако в ряде случаев для получения достаточной чувствительности необходимо усложнить защиту и выполнить ее по схемам, рассмотренным выше применительно к защитам генера­торов от внешних коротких замыканий (см. § 12.5). Такой защитой является, например, токовая защита обратной последовательности.

На многообмоточных трансформаторах максимальная токовая защита должна обеспечивать отключение только того выключате­ля, со стороны которого происходит короткое замыкание. На трехобмоточном трансформаторе с односторонним питанием это дости­гается путем установки отдельных защит с каждой стороны (рис. 13.7, а, реле КА.2, КТ2) и соблюдения следующего порядка

 

при выборе выдержек времени: t ₂ = t _{эл II max} + Δt; t ₃ = t _{эл III max} + Δt; t ₁= t ₂ + Δt или t ₁ = t ₃ + Δt (выбирается большее значе­ние t ₁). Аналогичным способом выполняется защита и на двухоб­моточных трансформаторах с расщепленными обмотками и одно­сторонним питании.

На рис. 13.7, а каждая защита действует на отключение выклю­чателя соответствующей стороны. Обычно схема выполняется так, что защита со стороны питания воздействует на выходное (про­межуточное) реле, общее для всех основных защит трансформато­ра, и производит отключение всех его выключателей. В целях упро­щения допускается не устанавливать защиты на одной из питае­мых сторон, например II. При этом со стороны питания защита имеет две выдержки времени: с меньшей из них (t ₂) она действует на отключение выключателя той стороны, где защита отсутствует (показано пунктиром на рис. 13.7, а), а с большей (t ₁) — на выход­ное реле (на схеме не показано).

Для получения минимально возможных выдержек времени t ₂и t ₁ защита не устанавливается с той из питаемых сторон, где от­ходящие элементы имеют защиты с большей расчетной выдержкой времени, например t _{эл II max} > t _{эл III max}. При этом t ₃ = t _{эл III max} + Δt, t ₂ = t _элIImax + Δt или t ₂ > t ₃ + Δt (выбирается большее зна­чение) и t ₁ = t ₂ + Δt.

На многообмоточных трансформаторах при питании с несколь­ких сторон, а также на двухобмоточных трансформаторах с дву­сторонним питанием рассмотренная максимальная токовая защита не обеспечивает селективного отключения. Для получения селек­тивности одну из защит со стороны питания, например III, необхо­димо выполнить направленной (рис. 13.7,6). Орган направления мощности KW разрешает ей действовать на отключение с выдерж­кой времени t ₃ реле КТ2 только при внешних коротких замыкани­ях, как и в случае одностороннего питания, поэтому порядок выбо­ра выдержек времени t ₁ — t ₃ остается прежним. При повреждени­ях в трансформаторе защита действует по обходной (для реле на­правления мощности) цепи с выдержкой времени t' ₃ > t ₁ реле КТЗ.

На трехобмоточных трансформаторах защита с комплектом от несимметричных коротких замыканий (токовая защита обратной последовательности), как и обычная максимальная токовая защи­та, устанавливается со всех трех или только с двух сторон. Одна из них выполняется иногда направленной при наличии двух- или трехстороннего питания.

Если повышающий трансфор­матор со стороны высшего напря­жения имеет глухозаземленную нейтраль, то возникает необходи­мость защищать трансформатор от внешних коротких замыканий на землю. Токовая защита обрат­ной последовательности реагиру­ет на этот вид повреждения. Од­нако в большинстве случаев ее чувствительность бывает недоста­точной и трансформатор снабжа­ется специальной токовой защи­той нулевой последовательности.

Рис. 13.8. Принципиальная схема то­ковой защиты нулевой последовательности от внешних коротких замыканий на землю

 

Токовая защита нулевой по­следовательности для повышаю­щих трансформаторов. Защита со­стоит из одного реле тока KAZ, подключенного к трехтрансфор­маторному (ТА1—ТАЗ) фильтру тока нулевой последовательности, установленному на стороне выс­шего напряжения (рис. 13.8, а). Реле времени КТ2 создает необхо­димую выдержку времени. Для выполнения защиты можно исполь­зовать однотрансформаторный фильтр в виде трансформатора тока ТА, установленного в цепи заземленной нейтрали защищаемого трансформатора (рис. 13.8, б). В этом случае в зону защиты входит и обмотка трансформатора, соединенная в звезду, независимо от наличия в системе других заземленнных нейтралей.

Выдержка времени защиты выбирается на ступень селективнос­ти больше, чем время срабатывания защит от коротких замыканий на землю смежных элементов (t = t _{эл max} + Δt), а ток срабатыва­ния согласуется с ними по чувствительности и отстраивается от то­ка небаланса при внешних коротких замыканиях. Обычно прини­мают I _с.з = (0,4÷0,8) I _т.ном. Если определяющим при выборе тока срабатывания является отстройка от тока небаланса, то при недо­статочной чувствительности целесообразно защиту выполнять с выдержкой времени большей, чем время действия защит от много­фазных повреждений смежных элементов. Это дает возможность отстраивать ток срабатывания только от тока небаланса при нор­мальной работе. Токовая защита нулевой последовательности пре­дусматривается на повышающих трансформаторах мощностью р _т = 1000 кВА и более с глухозаземленной нейтралью [31].

Токовая защита от перегрузок. Перегрузка обычно является симметричной, поэтому защита от перегрузки выполняется одним реле тока КА1, включенным в цепь одного из трансформаторов то­ка защиты от внешних коротких замыканий (рис. 13.7, а). Ток сра­батывания реле определяется по выражению I _с.р= (k_зап/k_в)(I _т.ном /K_I ). Коэффициент k_зап учитывает только погрешность в токе срабатывания и принимается равным k_зап = 1,05. Для от­стройки от кратковременных перегрузок и коротких замыканий предусматривается реле времени КТ1, рассчитанное на длительное прохождение тока в его обмотках. Выдержка времени принимается на ступень селективности больше, чем время срабатывания защи­ты трансформатора от внешних коротких замыканий.

На трехобмоточных трансформаторах с обмотками равной мощности и односторонним питанием защита от перегрузки уста­навливается только со стороны питания. Если обмотки имеют раз­ную мощность, то дополнительно устанавливается защита на пита­емой обмотке меньшей мощности. При возможности передачи мощности в любых направлениях защита от перегрузки устанавли­вается со всех сторон (см. рис. 13.7, а, реле КА1, КТ1). Защита от перегрузки предусматривается при параллельной работе несколь­ких трансформаторов мощностью по 400 кВА и более, а также при раздельной работе и наличии УАВР [31].

Рассмотренная защита от перегрузок не позволяет полностью использовать перегрузочную способность трансформатора. Наибо­лее объективным критерием перегрузки является не ток, а темпе­ратура изоляции обмотки трансформатора. На основе разработок Рижского политехнического института [73] созданы температур­ные реле с токовой коррекцией. Реле контролирует температуру изоляции с учетом температурыокружающей среды (масла) и на­грузки трансформатора до появления перегрузки. Температура масла контролируется непосредственно с помощью измерительного преобразователя (датчика) температуры, а температура изоляции обмоток — косвенно электрическим моделированием. Реле рекомендуется применять на двухтрансформаторных подстанциях, где при аварийном отключении одного трансформатора возникают послеаварийные перегрузки оставшегося в работе трансформа­тора.

 

Газовая защита

 

Ток короткого замыкания, проходящий через место установки токовой защиты при повреждении внутри бака трансформатора, например при витковых замыканиях, определяется числом замк­нувшихся витков и поэтому может оказаться недостаточным для ее действия. Однако витковые замыкания представляют опасность для трансформатора и должны отключаться. Опасным внутрен­ним повреждением является также «пожар стали» магнитопровода, который возникает при нарушении изоляции между листами магнитопровода, что ведет к увеличению потерь на перемагничивание и вихревые токи. Потери вызывают местный нагрев стали, ведущий к дальнейшему разрушению изоляции. Токовая и диффе­ренциальная (см. § 13.6) защиты на этот вид повреждения не реа­гируют. Отсюда возникает необходимость в использовании специ­альной защиты от внутренних повреждений — газовой, фиксирующей появление в баке поврежденного трансформатора газа. Обра­зование газа является следствием разложения масла и других изолирующих материалов под действием электрической дуги или недопустимого нагрева. Интенсивность газообразования зависит от характера и размеров повреждения. Это дает возможность вы­полнить газовую защиту, способную различать степень поврежде­ния, и в зависимости от этого действовать на сигнал или отклю­чение.

Основным элементом газовой защиты является газовое реле KSG, устанавливаемое в маслопроводе между баком и расшири­телем (рис. 13.9, а). Ранее выпускалось поплавковое газовое реле типа ПГ-22 [14]. Более совершенным является реле типа РГЧЗ-66 с чашкообразными элементами 1 и 2 (рис. 13.9,6). Элементы выполнены в виде плоскодонных алюминиевых чашек, вращающихся вместе с подвижными контактами 4 вокруг осей 3. Эти контакты замыкаются с неподвижными контактами 5 при опускании чашек. В нормальном режиме при наличии масла в кожухе реле чашки удерживаются пружинами 6 в положении, указанном на рисунке. Система отрегулирована так, что масса чашки с маслом является достаточной для преодоления силы пружины при отсутствии масла в кожухе реле. Поэтому понижение уровня масла сопровождается опусканием чашек и замыканием соответствующих контактов. Сначала опускается верхняя чашка и реле действует на сигнал. При интенсивном газообразовании возникает сильный поток масла и газов из бака в расширитель через газовое реле. На пути потока находится лопасть 7, действующая вместе с нижней чашкой на общий контакт. Лопасть поворачивается и замыкает контакт в цепи отключения трансформатора, если скорость движения масла и га­зов достигает определенного значения (0,6—1,2 м/с). При этом время срабатывания реле составляет t _c.p=0,05÷0,5 с.

Монтаж газовой защиты связан с выполнением некоторых специфических требований: для беспрепятственного прохода газов в расширитель должен быть небольшой подъем — 1,0—1,6% у крышки трансформатора и 2—4% у масло­провода от крышки к расширителю (см. рис. 13.9, а); нижний конец маслопровода, входящий во внутрь трансформатора, должен за­делываться с внутренней поверхности крышки, а ниж­ний конец выхлопной трубы — вдаваться внутрь транс­форматора; контрольный кабель, используемый для соединения газового реле с панелью защиты или проме­жуточной сборкой зажимов, должен иметь бумажную, а не резиновую изоляцию, так как резина разрушается под действием масла; действие газовой защиты на отключение необходимо выполнять с самоудерживанием, чтобы обеспечивать отключение трансформатора в случае кратковременного замыкания или вибрации нижнего контакта газового реле, обусловленных толчками пото­ка масла при бурном газообразовании.

В схеме защиты на переменном оперативном токе (рис. 13.10) самоудерживание достигается путем шунтирования нижнего контакта газового реле KSG верх­ним замыкающим контактом реле KL. Самоудерживание автоматически снимается после разрыва цепи от­ключения вспомогательным контактом Q1.2 выключа­теля Q1.

Достоинства газовой защиты: высокая чув­ствительность и реагирование практически на все виды повреждения внутри бака; сравнительно небольшое время срабатывания; простота выполнения. Наряду с этим защита имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является нереагирование ее на повреждения, расположенные вне бака, в зоне между трансформатором и вы­ключателями. Вследствие несовершенства конструкции современ­ных газовых реле защиту приходится выводить из действия при попадании воздуха в бак трансформатора, что может быть, напри­мер, при доливке масла, после ремонта системы охлаждения и др. В связи с этим газовую защиту нельзя использовать в качестве единственной защиты трансформатора от внутренних повреждений.

Необходимо также отметить, что начальная стадия виткового замыкания может и не сопровождаться появлением дуги и газо­образованием. В таком случае газовая защита не действует и витковые замыкания в трансформаторе могут длительно оставаться незамеченными. Можно создать защиту, позволяющую обнаружить витковые замыкания в начальной стадии и при отсутствии газо­образования. Одна из таких защит основана на изменении про­странственного распределения поля рассеяния обмоток [74].

Газовая защита считается обязательной для трансформаторов мощностью Р _т > 6300 кВА. Допускается устанавливать газовую защиту и на трансформаторах меньшей мощности. Для внутри­цеховых подстанций газовую защиту следует устанавливать на понижающих трансформаторах практически любой мощности, допускающих это по конструкции, независимо от наличия другой быстродействующей защиты.