I CIзам
19. Лекция Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов, виды защит и требования к
19.2. Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях
117
обмоткой аналогичен трехобмоточному трансформатору. Номинальная мощность третьей обмотки принимается равной расчетной мощности AT.
118
трансформатора заземлена). Защита может действовать при всех видах междуфазных КЗ на сторонах как ВН, так и НН трансформатора со схемой соединения обмоток Y/.При этом, однако, по сравнению с МТЗ, содержащей три токовых реле, подключенных к ТТ, соединенным в полную звезду, имеет место снижение чувствительности на 15% при двухфазном КЗ на стороне НН 6–10 кВ.
Сказанное поясняет рисунок 19.4. Поскольку коэффициент чувствительности МТЗ kч = Iр/Iс.р, где Iр – ток в реле при рассматриваемом виде КЗ; Iс.р – ток срабатывания реле, то можно записать следующее отношение:
kчY/kч = IрY Iс-р /Ic_pY Ip , (19.4) где kчY и kч – коэффициенты чувствительности реле при соединении ТТ в схемы полной звезды и треугольника соответственно;
IрY, Iр∆ и Iс.рY,IC.P∆– токи в реле и токи срабатывания реле при соединении ТТ в схемы полной звезды и треугольника соответственно.
Подставляя в выражение (16.4) Iр∆ = 3IK/ 3KI; Ip Y = 2IK/ 3KI (наибольшее значение тока, протекающего в реле фазы В); Iс.р Y = Ic.з / КI; Iс.р = Ic.з 3/ KI, Получаем:
а) схема токовых цепей с тремя ТТ; б) принципиальная схема оперативных цепей;
в) структурная схема; г) схема токовых цепей с двумя ТТ
Рисунок 19.3 – Максимальная токовая защита двухобмоточного понижающего трансформатора
15 , 3 1
3 3 3
/ 2 .
.
=
=
K I I
з с з с
I I ч k
чY I
K K
I I K K k I
k
119
Для трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Y или / и не связанных с сетью с заземленной нейтралью МТЗ выполняется также двумя токовыми реле КА1 и КА2 (рисунок 19.3, г), ТТ при этом соединяются в неполную звезду.
Рисунок 19.4 – Распределение токов в обмотках трансформатора с соединением Y/ при дфухфазном КЗ на стороне НН
Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме Y/ (рисунок 19.4), устанавливается дополнительное реле в обратном проводе токовых цепей К A3 (показано пунктиром на рисунок 19.3, в, г).
Аналогичная схема применяется и на трансформаторах со схемой соединения обмоток треугольник–звезда с заземленной нулевой точкой (обычно питающих сеть 0,4 кВ).
Рисунок 19.5 – При отключении трансформатора Т2 и включении АВР секционного выключателя возникает перегрузка Т1
120
Выбор уставок. Ток срабатывания МТЗ находится из условия возврата токовых реле при максимальной нагрузке Iраб mах.
Iс.з = kотс kс.з п Iраб mах / kв (19.5) Максимальный ток нагрузки с учетом самозапуска, от которого
необходимо отстроить МТЗ, обычно определяется из рассмотрения трех видов нарушения: отключение параллельно работающего трансформатора, включение трансформатора от АПВ на неотключенную нагрузку, автоматическое подключение нагрузки при действии АВР в случае исчезновения напряжения на соседней секции. В двух первых случаях Iс.з оп- ределяется по (16.5). В третьем случае Iс.з определяется по выражению (19.5)
Iс.з = koтc(IIраб max + kс.з п IIIраб mах) / kв, (19.5, а) где IIраб mах и IIIрабтах – максимальные значения токов нагрузки секций: I – от которой при действии АВР подается напряжение и II – на которую подается напряжение.
Коэффициент чувствительности при КЗ в конце защищаемого участка определяется по формуле:
kч=Ik min / Iс.з, (19.6) где IК min – минимальное значение тока при КЗ на стороне НН трансформатора.
Значение kч должно быть не менее 1,5 при выполнении МТЗ функций основной защиты шин и не менее 1,2 при выполнении функций резервирования.
Если чувствительность МТЗ оказывается неудовлетворительной, то применяются другие, более чувствительные РЗ: ДЗ, МТЗ НП и ОП.
Выдержка времени выбирается из условий селективности на ступень выше наибольшей выдержки времени tл РЗ присоединений, питающихся от трансформатора:
tт = tл тах + t. (19.7) Выдержка времени МТЗ с ограниченно зависимой характеристикой выбирается из условия (16.7) в предположении, что ток в реле равен току КЗ, проходящему через трансформатор в случае повреждения в начале ЛЭП, питаемой трансформатором.
121
а) токовые цепи; б) цепи напряжения в) оперативные цепи
Рисунок 19.6 – Максимальная токовая защита двухобмоточного понижающего трансформатора с пуском от напряжения
Максимальная токовая защита с пуском по напряжению (рисунок 19.6) обычно выполняется по схеме комбинированного пуска с реле минимального напряжения KV1 и фильтра-реле напряжения ОП KV2. Для улучшения чувствительности пуска по напряжению цепи напряжения РЗ обычно питаются от ТН, установленного с той стороны трансформатора, при повреждении на которой должна действовать рассматриваемая РЗ.
Первичный ток срабатывания МТЗ с пуском по напряжению определяется по условию отстройки от номинального тока JHOM трансформатора:
Iс.з = koтс Iном / kв. (19-8) Ток срабатывания реле МТЗ определяется по выражению:
Iс.р = Iс.з kcx / KI. (19.9) Уставка срабатывания реле минимального напряжения выбирается исходя из следующих условий: возврата после отключения внешнего КЗ:
Uc.p Umin / (koтсkвKU); (19.10) отстройки от остаточного напряжения самозапуска после действия АПВ или АВР:
UC.P Uсэп / (koтckU), (19.11) где Umin – междуфазное напряжение в месте установки МТЗ в условиях самозапуска после отключения внешнего КЗ, может быть принято равным (0,9–0,85) Uном;
Uсэп – междуфазное напряжение в месте установки МТЗ в условиях самозапуска после действия АПВ или АВР заторможенных электродвигателей, может быть принято равным 0,7Uном;
122
kOTC — коэффициент отстройки, равный 1,2.
kB – коэффициент возврата, равный 1,2. Уставка срабатывания фильтра- реле напряжения ОП принимается:
U2c.з = 0,06Uном. (19.12) Чувствительность определяется для токового реле по выражению (16.6);
для реле минимального напряжения по формуле:
kч = Uc.з kB /U3 max ; (19.13)
для реле напряжения ОП по формуле:
kч = U2 тax / U2с.з, (19.14) где U3max – первичное значение междуфазного напряжения в месте установки МТЗ при металлическом трехфазном КЗ между фазами в расчетной точке в режиме, обусловливающем максимальное значение этого напряжения;
U2min – первичное значение междуфазного напряжения ОП в режиме, обусловливающем наименьшее значение этого напряжения.
В соответствии с ПУЭ для реле тока и напряжения необходимо обеспечить следующие коэффициенты чувствительности: 1,5 – при выполнении МТЗ функций основной РЗ шин; 1,2 – при выполнении МТЗ функций резервирования.
На двухобмоточных трансформаторах с расщепленными обмотками НН (обычно 6–10 кВ) по условию селективности (при КЗ на шинах или ЛЭП НН) в цепи каждой обмотки, питающей соответствующую секцию шин, необходимо устанавливать МТЗ (рисунок 19.7) с двумя токовыми реле, подключенными к ТТ, соединенным по схеме неполной звезды.
Рисунок 19.7 – Размещение максимальных токовых защит (КА) на сторонах ВН и НН двухобмоточного понижающего
трансформатора с расщепленными обмотками
123
Защиты стороны НН, расположенные в шкафах КРУ выключателей вводов 6–10 кВ, с первой выдержкой времени действуют на отключение своих выключателей (Q1 и Q2), а со второй (на ступень селективности большей) – на отключение выключателя ВН (Q3).
Комбинированные пусковые органы напряжения МТЗ, установленных на ответвлениях к секциям шин 6–10 кВ, используются также в качестве пусковых органов МТЗ, установленных на стороне ВН. Последняя действует на выходные промежуточные реле РЗ трансформатора с выдержкой времени, равной второй выдержке времени МТЗ ответвлений к секциям шин 6–10 кВ.
Таким образом, МТЗ стороны ВН осуществляет резервирование основных РЗ трансформатора и МТЗ стороны НН.
Защита трехобмоточных понижающих трансформаторов. При внешних КЗ РЗ трехобмоточных трансформаторов должна обеспечивать селективное отключение только той обмотки трансформатора, которая непосредственно питает место повреждения. Так, например, при КЗ на шинах III (рисунок 19.8) должен отключаться выключатель Q3, обмотки трансформатора I и II должны остаться в работе.
На трехобмоточных трансформаторах с односторонним питанием (например, от шин I) на обмотках II и III устанавливаются самостоятельные комплекты МТЗ (КА2 и КАЗ на рисунке 19.8), действующие на соответствующие выключатели. На обмотке I, питающей трансформатор, устанавливается третий комплект МТЗ КА1, предназначенный для отключения трансформатора при КЗ в нем и резервирования МТЗ и выключателей обмоток II и III. Выдержка времени tl выбирается больше t2 и t3. Токовые РЗ на сторонах НН и СН выполняются в двухрелейном исполнении и подключаются к ТТ, соединенным по схеме неполной звезды. Для увеличения защищаемой зоны КА2 питается от ТТ, встроенных во втулки 35 кВ СН трансформатора.
Рисунок 19.8 – Размещение максимальных токовых защит (КА) на сторонах ВН, СН и НН трехобмоточных понижающих
трансформаторов с односторонним питанием
Резервные защиты от внешних междуфазных КЗ на AT. На трехобмоточных понижающих AT в качестве резервных защит от внешних
124
междуфазных КЗ применяются: на стороне НН – МТЗ с комбинированным пуском напряжения: на стороне ВН AT 220/110/6-10-35 кВ – НТЗ и МТЗ ОП, а также МТЗ с пуском по напряжению от трехфазных КЗ; на сторонах ВН и СН AT 220/110/6-10-35 кВ и 500/220/10 кВ – ДЗ.
Рисунок 19.9 – Оперативные цепи направленной МТЗ СН для трехобмоточного трансформатора с двусторонним питанием
Максимальная токовая РЗ с комбинированным пуском напряжения на стороне НН AT присоединяется к ТТ, встроенным в его выводы. С первой выдержкой времени РЗ должна действовать на отключение выключателя НН, а со второй – на отключение всего AT.
Токовая РЗ ОП устанавливается на стороне ВН и питается от ТТ, встроенных во втулки ВН AT. Релейная защита выполняется направленной в сторону ВН в предположении, что выдержки времени резервных РЗ НЭП ВН меньше выдержек времени резервных РЗ ЛЭП СН. Как направленная, РЗ действует с первой выдержкой времени, большей выдержек времени резервных РЗ ЛЭП ВН, на отключение шиносоединительного или секционного выключателей (при их наличии), со второй – на отключение выключателя ВН AT и с третьей – на выходные промежуточные реле AT. В обход РНМ, как ненаправленная, РЗ действует с первой выдержкой времени – на отключение шиносоединительного и секционного выключателей СН, со второй – на отключение выключателя СН AT и с третьей – на выходные промежуточные реле РЗ AT.
Направленная токовая РЗ ОП выполняется с использованием фильтра- реле тока РТФ-8 и РНМ ОП типа РМОП-2М. При наличии на стороне ВН AT схемы «мостик» с выключателем в перемычке и отделителями в цепях AT РЗ выполняется ненаправленной. В дополнение к МТЗ ОП для действия при трехфазных КЗ предусматривается МТЗ с пуском минимального напряжения в однофазном исполнении.
125
t1 ,t2 ,t3 – ступени выдержек РЗ; действие РЗ на отключение:
tI – выключателя НН; tII – выключателя СН; tIII – выключателя ВН.
tIV – на выходные промежуточные реле РЗ; tV tVI – на отключение ШСВ ВН и СН
Рисунок 19.10 – Согласование выдержек времени резервных РЗ автотрансформатора
Направленные ДЗ, устанавливаемые на сторонах ВН и СН, включаются таким образом, чтобы защищать ЛЭП ВН и СН соответственно. Применение ДЗ более сложных, чем МТЗ, объясняется необходимостью обеспечения согласования по селективности РЗ, установленных на противоположных концах ЛЭП, и дальнего резервирования в сетях ВН и СН.
На AT с ВН 220 кВ применяются два варианта включения ДЗ:
одноступенчатые выполняются как на стороне СН, так и на ВН;
двухступенчатая РЗ – на стороне СК. При этом ДЗ на стороне ВН действует с тремя выдержками времени так же, как НТЗ ОП, и ДЗ на стороне СН (в обоих вариантах) аналогично МТЗ ОП в обход РНМ. На AT с ВН 500 кВ двухступенчатые ДЗ устанавливаются с обеих сторон (ВН и СН) AT, обеспечивая резервирование РЗ ЛЭП ВН и СН соответственно. Порядок действия резервных РЗ от междуфазных КЗ на трехобмоточных AT показан на рисунке 19.10.
Токовая защита нулевой последовательности реагирует на ток 3I0, появляющийся в трансформаторе при внешних КЗ (одно- и двухфазных на землю) и КЗ в трансформаторе. Она применяется на повышающих трансформаторах (а также на AT) и устанавливается со стороны обмоток ВН и СН, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухозаземленной нулевой точкой. Защита имеет два варианта исполнения, показанные на рисунке 19.11, а, б. В обоих случаях РЗ состоит из токовых реле КАО, включенных на ток НП 3I0. В схеме на рисунке 19.11, а ток 3I0 поступает от трехтрансформаторного фильтра НП, а в схеме на рисунке 19.11, б - от ТТ,
126
включенного в провод, связывающий нейтраль трансформатора с землей.
Последняя схема рекомендуется к применению. В схеме имеется реле времени (рисунок 19.11, в).
Уставки защиты. Ток срабатывания РЗ по рисунку 19.11, б выбирают, исходя из двух условий: селективности с РЗ НП ЛЗП, отходящих от шин электростанции А; надежного действия при однофазных КЗ в конце наиболее длинной ЛЭП. По первому условию:
Iс.з.т = kотc ∙ 3Iорасч, (19.15) где Iорасч – ток НП в трансформаторе при однофазных КЗ на землю в условиях, когда РЗ, с которой производится согласование по чувствительности, находится на грани срабатывания. Как видно из рисунка 19.11, г, ток 3Iот
составляет лишь часть тока 3Iол, проходящего в ЛЭП:
IС.З.Т = koтсkТIС.З.Л0, (19.16) где
кт = 3Iот / Iс.з.ло = 3Iорасч / Iс.з.ло. (19.17) По второму условию Iс.з.т должен быть меньше минимального значения тока 3Iотmin, проходящего по нейтрали трансформатора при КЗ на землю в конце ЛЭП (в точке К на рисунке 19.11, г). Согласно ПУЭ при КЗ в конце отходящих ЛЭП коэффициент чувствительности: kч = 3Iотmin / Iс.з.т > 1,2.
Выдержка времени выбирается из условия селективности с РЗ присоединений, отходящих от шин электростанции, со стороны которых установлена рассматриваемая РЗ. Одноступенчатая МТЗ НП применяется и на стороне ВН 110–220 кВ понижающих трехобмоточных трансформаторов при наличии питания со стороны СН. Защита предназначена для резервирования отключения КЗ на землю на шинах и ЛЭП 110–220 кВ, а также для резервирования основных РЗ трансформатора.
127
а) РЗ, включенная на трехтрансформаторный фильтр I0; б) РЗ, включенная на ток нейтрали трансформатора; в) оперативные цепи; г) схема сети с
распределением токов I0
Рисунок 19.11 – Токовая защита нулевой последовательности повышающего трансформатора
Рисунок 19.12 – Размещение токовых защит нулевой последовательности на автотрансформаторе
Защита AT. На выполнение РЗ НП влияют особенности AT, и поэтому она имеет некоторые отличия от РЗ трансформаторов:
- у AT заземляются концы обмоток СН, являющейся общей частью обмотки AT. Как указывалось, по общей обмотке протекают встречно направленные токи сторон ВН и СН (рисунок 19.1). При КЗ на землю в сети одного напряжения (например, в точке К – рисунок 19.12) в заземляющем проводе проходит ток 3I0 = =3Iос – 3IОВ. Поскольку этот ток может оказаться недостаточным, МТЗ НП в заземляющем проводе AT не устанавливается, ее включают на трехтрансформаторный фильтр со стороны выводов ВН и СН. При этом она реагирует на 3Iов или 3Iос соответственно;
128
- вследствие наличия электрической связи между обмотками ВН и СН автотрансформатора КЗ на землю на стороне одного напряжения вызывает токи I0 на стороне другого (рисунок 19.12). В связи с этим возникает необходимость согласования выдержек времени МТЗ НП на выводах ВН и СН AT. Для обеспечения селективности эти РЗ выполняются направленными;
- для уменьшения выдержек времени рекомендуется МТЗ НП на AT выполнять направленными двух- и трехступенчатыми.