Газовая защита

Релейная защита трансформаторов

Газовая защита основана на использовании явления газообразования в баке поврежденного трансформатора. 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, устанавливаемое в маслопроводе между баком и расширителем.

Достоинства газовой защиты: высокая чувствительной и реагирование практически на все виды повреждения внутри бака; сравнительно небольшое время срабатывания; простота выполнения, а также способность защищать трансформатор при недопустимом понижении уровня масла по любым причинам. Наряду с этим защита имеет ряд существенных недостатков, основной из которых - нереагирование ее на повреждения, расположенные вне бака, в зоне между трансформатором и выключателями. Защита может подействовать ложно при попадании воздуха в бак трансформатора, что может быть, например, при доливке масла, после ремонта системы охлаждения и др. Возможны также ложные срабатывания защиты на трансформаторах, установленных в районах, подверженных землетрясениям. В таких случаях допускается возможность перевода действия отключающего элемента на сигнал. Это допускается также на внутрицеховых понижающих трансформаторах мощностью 2,5 МВ·А и менее, не имеющих выключателей на стороне высшего напряжения.

14.3. Токовые и токовые направленные защиты трансформатора
от коротких замыканий

Газовая защита не действует при КЗ на выводах трансформатора его соединениях с выключателями, поэтому для отключения трансформатора при этих повреждениях на трансформаторах небольшой и средней мощности (менее 6,3 МВ·А) предусматривается токовая защита от многофазных K3. Она содержит обычно две ступени: первую - токовую отсечку без выдержки времени, третью - максимальную токовую защиту. В ряде случаев она дополняется защитой от однофазных K3 на выводах низшего напряжения трансформатора, питающего четырехпроводную сеть напряжением 0,4-0,23 кВ. В городских замкнутых сетях напряжением до 1 кВ для селективного отключения поврежденного трансформатора должна предусматриваться токовая направленная защита.

Токовая защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени от многофазных K3. 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. § 5.2), с учетом действия защиты при всех возможных видах коротких замыканий.

Селективность отсечки обеспечивается выбором ее тока срабатывания по выражению Iс.зI = kотсI Iк.вн.max(3). Максимальный ток внешнего короткого замыкания Iк.вн.max(3) определяется при повреждении на шинах низшего напряжения в точке К1 (рис. 14.3, а). Коэффициент отстройки kотсI в зависимости от типа реле, как и для отсечки линии, принимается kотсI = 1,2...2,0, при этом отсечка без выдержки времени оказывается отстроенной от бросков тока намагничивания. Сопротивление трансформатора обычно достаточно велико, поэтому при K3 со стороны питания (точка К2) ток повреждения значительно превышает Iк.вн.max(3). 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 (kч > 2,0). Недостаток отсечки без выдержки времени состоит в неполной защите трансформаторов. 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 К3).

Для отключения коротких замыканий на выводах и в соединениях с выключателем со стороны низшего напряжения (точка К3) токовая отсечка без выдержки времени дополняется максимальной токовой защитой, полностью защищающей трансформатор и являющейся вместе с тем его защитой от сверхтоков внешних коротких замыканий. Получается защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени без второй ступени.

При установке на трансформаторе защита действует на отключение выключателя со стороны высшего напряжения. Его вспомогательный контакт Q1.1 управляет цепью электромагнита УАТ2 отключения выключателя Q2, установленного со стороны низшего напряжения (как показано на рис. 14.3, а).

Селективность максимальной токовой защиты обеспечивается ее параметрами, которые выбирают 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. При этом коэффициент чувствительности должен быть kч >= 1,5 при коротких замыканиях на низшей стороне трансформатора и kч >= 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. Защита имеет недостаточную чувствительность к витковым замыканиям и не обеспечивает требуемого быстродействия при многофазных повреждениях в обмотке. Для повышения чувствительности к повреждениям внутри бака защита со ступенчатой характеристикой дополняется газовой защитой.

Защита от коротких замыканий на землю. В распределительных сетях широко применяются понижающие трансформаторы с соединением обмоток Y/Yо (звезда - звезда с заземленной нейтралью) и четырехпроводной системой со стороны низшего напряжения 0,4-0,23 кВ. В такой системе однофазные КЗ на землю и замыкание фазы на нейтральный провод (рис. 14.3, б) сопровождаются значительными токами повреждения и представляют опасность для трансформатора. Поэтому на понижающих трансформаторах с высшим напряжением до 35 кВ 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.

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 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. Из-за этого в ряде случаев применяется специальная токовая защита нулевой последовательности (см. рис. 14.3, 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 11687-75 двухобмоточный трансформатор со схемой соединения обмоток Y/Yо 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

Iс.р = 0,25 kотсkперIт.ном(kвKi),

где kпер - коэффициент, учитывающий перегрузку; для масляных трансформаторов kпер = 1,4; kотс = 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 kч > 1,5. Обычно защита присоединений, отходящих от шин 0,4 (0,23) кВ, выполняется плавкими предохранителями и автоматическими выключателями с зависимой характеристикой выдержки времени, поэтому для защиты от коротких замыканий на землю на 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 (до 30 м) и тщательном выполнении проводки между ними возможность повреждений невелика и защиту допускается не применять.

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

14.4. Дифференциальные токовые защиты трансформаторов
и особенности их выполнения

Дифференциальный принцип позволяет выполнить быстродействующую защиту трансформатора, реагирующую на повреждения в обмотках, на выводах и в соединениях с выключателями. При этом она может иметь недостаточную чувствительность только при витковых замыканиях и "пожаре стали". Для осуществления защиты используют трансформаторы тока TAI, TAII, установленные с обеих сторон защищаемoro трансформатора вблизи выключателей Q1, Q2 (рис. 14.7). Вторичные обмотки трансформаторов тока и реле КА соединяются в схему продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами. При этом в реле КА при отсутствии повреждения в защищаемой зоне проходит ток небаланса. Однако этот ток в дифференциальной защите трансформатора определяется не только погрешностью трансформаторов тока, но и рядом дополнительных факторов. Они обусловливают особенности схемы, усложняют ее и должны учитываться при выполнении дифференциальной защиты трансформатора. Рассмотрим эти факторы на примере защиты двухобмоточного трансформатора.

Ток намагничивания трансформатора. У силовых трансформаторов коэффициент трансформации nт не равен 1, поэтому в защите должны сравниваться токи I1I и I1II/nт. При отсутствии повреждения в защищаемой зоне ток намагничивания Iнам = I1I - I1II/nт обусловливает неравенство сравниваемых токов I1I и I1II/nт. В связи с этим в обмотке реле появляется дополнительная составляющая тока небаланса Iнб.нам, которая при нормальной работе и внешних коротких замыканиях незначительна и поэтому может не учитываться.

Иное происходит при появлении в питающей обмотке трансформатора броска тока намагничивания Iнб.нам, максимальные мгновенные значения которого достигают 6-8-кратных значений амплитуды номинального тока в первый момент включения трансформатора под напряжение и при восстановлении напряжения после отключения внешних коротких замыканий. Весь ток намагничивания, проходя через реле, может вызвать неправильное срабатывание защиты. Переходный ток намагничивания содержит значительные высшие гармонические (2-ю и З-ю), а также значительную апериодическую составляющую, в результате чего кривая его мгновенных значений почти полностью смещается от оси времени.

Время полного затухания переходного тока намагничивания определяется постоянными времени ветви намагничивания трансформатора и сети и может достигать нескольких секунд. Однако уже по истечении времени t = 0,3...0,5 с его максимальные мгновенные значения становятся меньше амплитуды номинального тока трансформатора. Отстройка дифференциальной защиты от бросков тока намагничивания является первым условием при выборе тока срабатывания. В этом случае другими слагающими тока небаланса, малыми по сравнению с Iбр.нам, можно пренебречь, поэтому расчетный первичный ток небаланса Iнб.рсч.max1 = Iбр.нам.

Отстройка защиты от броска тока намагничивания достигается в основном тремя путями: загрублением защиты по току срабатывания: включением реле через промежуточные насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ); выявлением различия между формой кривой тока K3 и формой кривой тока намагничивания (реле в комплекте устройства ЯРЭ-2201). При этом ток срабатывания выбирают, исходя из значения номинального тока трансформатора по условию

Iс.з >= kотсIт.ном.

В зависимости от используемых реле и способа отстройки коэффициент kотс принимается равным 0,3...4,5.

Схемы соединения обмоток трансформатора и трансформаторов тока. Так как nт не равен 1, то при нормальной работе и сверхтоках, обусловленных перегрузкой или внешними короткими замыканиями, токи I1I и I1II на стороне высшего U1I и низшего U1II напряжений не равны между собой. В трансформаторах с соединением обмоток Y/Y-12 токи отличаются только по абсолютному значению (ток намагничивания не учитывается).

В случае разного соединения обмоток трансформатора, например по схеме Y/Δ первичные токи сдвинуты по фазе на угол, определяемый группой соединения обмоток. Соответственно сдвинуты по фазе и вторичные токи I2I и I2II.

Для группы соединения Y/Δ-11 угол сдвига фаз составляет π/6. Поэтому при отсутствии повреждения в защищаемой зоне в симметричном режиме в обмотке реле появляется значительный ток Iнб. Для его устранения необходимо, чтобы сравниваемые вторичные токи независимо от группы соединения трансформатора совпадали по фазе.

Дифференциальная защита трансформаторов с соединением обмоток Y/Δ-11 должна выполняться так, чтобы сравнивались совпадающие по фазе токи:

IAΔ и (IAY-IBY); IBΔ и (IBY-ICY); и IСΔ и (IСY-IАY);.

Это достигается путем соединения вторичных обмоток трансформаторов тока TAI, установленных со стороны звезды защищаемого трансформатора, по схеме треугольника, а TAII со стороны его треугольника - по схеме звезды. Группа соединения трансформаторов тока должна соответствовать группе соединения обмоток защищаемого трансформатора. При этом в случае заземленной нейтрали по схеме треугольника должны соединяться именно рансформаторы тока TAI со стороны звезды защищаемого трансформатора.

Дифференциальная защита трансформатора с указанным соединением трансформаторов тока может правильно работать при условии, если в фазных токах при нормальной работе и внешних коротких замыканиях нет составляющей нулевой последовательности Io. Такое положение имеется лишь при изолированной нейтрали трансформатора.

В случае же заземленной нейтрали при КЗ на землю появляются токи нулевой последовательности в фазных проводах на стороне звезды защищаемого трансформатора. Они не проходят в фазные провода обмотки, соединенной в треугольник. Поэтому, если трансформаторы тока TAI будут соединены в звезду, то токи нулевой последовательности будут попадать в реле, и защита может неправильно сработать при внешних КЗ на землю.

Соединение трансформаторов тока по схеме треугольника со стороны звезды защищаемого трансформатора с заземленной нейтралью исключает проникновение токов нулевой последовательности в цепи циркуляции и в реле и тем самым предотвращает возможность неправильной работы защиты при внешних коротких замыканиях на землю.

14.5. Схемы, выбор параметров и область использования
дифференциальных защит трансформаторов

Схемы выполнения защиты. Дифференциальные токовые защиты трансформаторов выполняются в виде дифференциальной токовой отсечки; дифференциальной токовой защиты с промежуточными насыщающимися трансформаторами тока; дифференциальной токовой защиты с реле, имеющими торможение.

Дифференциальная токовая отсечка. Отсечка является наиболее простой из дифференциальных защит трансформаторов. Она выполняется посредством максимальных реле тока КА1, КА2, например РТ-40 или РТМ, включаемых непосредственно в дифференциальную цепь схемы без каких-либо промежуточных устройств (рис. 14.9, а). При этом отстройка от бросков тока намагничивания достигается выбором тока срабатывания с учетом собственного времени действия реле РТМ, а в схемах с реле косвенного действия - времени срабатывания реле тока и выходного (промежуточного) реле (tс.р = 0,04...0,06 с). За это время ток намагничивания успевает снизиться, в связи с чем появляется возможность выбирать ток срабатывания защиты не по максимальному значению броска тока, а с учетом его затухания по условию (14.3), принимая kотс = 3,0...4,5.

Если трансформаторы тока выбраны так, что их полная погрешность не превышает ε = 10 %, то отстройка от броска тока намагничивания обеспечивает также отстройку и от максимального тока небаланса при внешних коротких замыканиях при условии допустимого различия токов в цепях циркуляции.

Достоинством дифференциальной токовой отсечки являются быстродействие и простота, однако из-за большого тока срабатывания дифференциальная токовая отсечка иногда недостаточно чувствительна, поэтому она применяется на трансформаторах относительно небольшой мощности. При этом отсечка должна обеспечивать необходимую чувствительность при коротких замыканиях на выводах трансформатора.

Дифференциальная токовая защита с промежуточными насыщающимися трансформаторами тока. Для выполнения защиты используются реле с НТТ типа РНТ-565. Принципиальная схема защиты трансформатора с TL4T в однофазном изображении показана на рис. 14.9, б. Реле РНТ-565 применяются в том случае, если чувствительность токовой отсечки недостаточна или требуются дополнительные устройства для выравнивания токов в схеме с реле косвенного действия. При этом требуемую чувствительность защита имеет обычно на двухобмоточных трансформаторах мощностью менее 25 МВ·А. Расчет параметров защиты начинается с предварительного определения тока срабатывания:

по условию отстройки от броска тока намагничивания;

по условию отстройки от максимального первичного тока небатанса с учетом того, что для защиты с НТТ коэффициент kап = 1, а составляющая тока небаланса Δfвр в первом приближении не учитывается благодаря соответствующему выбору числа витков уравнительных обмоток НТТ.

В ряде случаев, особенно при наличии встроенного регулирования напряжения под нагрузкой и на трансформаторах с числом групп трансформаторов тока более двух, имеющих источники питания с нескольких сторон, определяющим при выборе тока срабатывания является отстройка от максимального тока небаланса при внешних коротких замыканиях. При этом чувствительность защиты с реле РНТ может оказаться недостаточной. В таких случаях дифференциальная защита выполняется посредством реле с торможением.

Дифференциальная токовая защита на основе реле с магнитным торможением. В нашей стране для дифференциальной защиты трансформаторов выпускаются реле с магнитным торможением типа ДЗТ. Реле ДЗТ-11 имеет одну тормозную обмотку. При выполнении защиты важен выбор стороны, к трансформаторам тока которой целесообразно присоединить тормозную обмотку, чтобы обеспечить минимальное торможение при КЗ в зоне защиты и максимальное торможение при внешних повреждениях. Двухобмоточный трансформатор имеет одностороннее питание, поэтому тормозную обмотку целесообразно присоединить к трансформаторам тока питаемой стороны. Такое включение обеспечивает торможение только при внешних коротких замыканиях. При двустороннем питании иногда целесообразно тормозную обмотку разделить на две секции и включить каждую из них соответственно в первую и вторую цепи циркуляции защиты. Этим уменьшается тормозное действие при коротком замыкании в защищаемой зоне.

На двухобмоточных трансформаторах с расщепленной обмоткой тормозная обмотка включается на сумму токов трансформаторов тока, установленных в цепи каждой из расщепленных обмоток.

На защищаемых трансформаторах с числом групп трансформаторов тока более двух, имеющих источники питания с нескольких сторон, токи небаланса имеют, как правило, большие значения, чем для двухобмоточных трансформаторов. Обычно токи Iнб.рсч при коротких замыканиях с разных сторон неодинаковы. Поэтому при использовании реле ДЗТ-11 его тормозная обмотка включается в ту цепь защиты, в которой при внешнем коротком замыкании проходит ток, обусловливающий наибольший ток небаланса. В некоторых случаях при недостаточной чувствительности возникает необходимость применять реле с несколькими тормозными обмотками, например ДЗТ-13.

14.6. 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.

Токовая защита от сверхтоков внешних многофазиых коротких замыканий. В соответствии с ПУЭ на трансформаторах мощностью менее 1 МВ·А предусматривается максимальная токовая защита, действующая на отключение. Она же вместе с токовой отсечкой является основной защитой трансформатора. На трансформаторах мощностью более 1 МВ·А должна быть предусмотрена максимальная токовая защита с комбинированным пусковым органом напряжения или токовая защита обратной последовательности с приставкой для действия при симметричных K3.

Максимальная токовая защита. Схемы максимальной токовой защиты трансформатора выполняются аналогично схемам третьей ступени защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени. Параметры рассчитывают аналогично.

На многообмоточных трансформаторах максимальная токовая защита должна обеспечить 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. Аналогичным способом выполняется защита и на двухобмоточных трансформаторах с расщепленными обмотками и односторонним питанием.

На рис. 14.11, 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 отключает все его выключатели. 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 она действует на отключение выключателя той стороны, где защита отсутствует (показано пунктиром на рис. 14.11, а), а с большей - на выходное реле (на схеме не показано).

Для получения минимально возможных выдержек времени защита не устанавливается с той из питаемых сторон, где отходящие элементы имеют защиты с большей расчетной выдержкой времени.

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 необходимо выполнить направленной.

Максимальная токовая защита с комбинированным пусковым органом напряжения. Наличие комбинированного пускового органа напряжения позволяет выбрать ток срабатывания защиты без учета перегрузки трансформатора по условию

Iс.зIII = kотсIII Iт.ном / kв,

где kотсIII принимается равным 1,2, а kв = 0,8.

Напряжение срабатывания защиты определяется по следующим условиям:

для минимального реле напряжения, включенного на междуфазное напряжение, исходя из обеспечения возврата реле в условиях самозапуска после отключения внешнего короткого замыкания - по выражению

Uс.з =< Uраб.min / (kотсkв) >

отстройки от напряжения самозапуска Uсзп при включении от УАПВ или УАВР заторможенных двигателей нагрузки - по выражению

Uс.з =< Uсзп / kотс.

В ориентировочных расчетах напряжение Uраб.min принимают равным (0,9...0,85) Uном, а напряжение Uсзп - равным примерно 0,7 Uном. Коэффициент отстройки kотс и коэффициент возврата kв рекомендуется принимать равными 1,2.

Для реле напряжения обратной последовательности, как и в защите генератора, напряжение срабатывания принимают равным 6 В. Защита должна иметь требуемую чувствительность по току и по напряжению.

Токовая защита от перегрузок. Перегрузка обычно является симметричной, поэтому защита от перегрузки выполняется одним реле тока, включенным в цепь одного из трансформаторов тока защиты от внешних коротких замыканий. Ток срабатывания реле определяется по выражению

Iс.р = (kотс / kв) / (lт.ном / Кi).

Коэффициент kотс учитывает только погрешность в токе срабатывания и принимается равным 1,05. Для отстройки от кратковременных перегрузок и коротких замыканий предусматривается реле времени, 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.