Наиболее совершенный способом защиты трансформаторов из всех, на настоящее время известных, является релейная защита, построенная на дифференциальном принципе.

Для дифференциальной защиты характерна избирательность действия или селективность. Это означает срабатывание защиты в районе электроустановки между трансформаторами тока, на вводе высшего напряжения, до силового трансформатора и на вводе отходящей линии низшего напряжения, после силового трансформатора

К плюсам можно отнести небольшую величину тока срабатывания. Для трансформаторов, которые имеют мощность от 63мВА, ток входит в границы 0,1–0,3А от номинального тока, такая величина тока срабатывания обеспечивает коэффициент чувствительности 1,5 –2,0 к витковым и межкатушечным замыканиям в переплетенных и обычных обмотках. Время срабатывания защиты очень короткое (15–20мс). Высокая степень чувствительности и очень короткое время реагирования дифзащиты, способствует уменьшению величины повреждения и сокращает время на восстановление оборудования.

Продольная дифференциальная защита устанавливается в обязательном порядке для трансформаторов мощностью от 6300кВа, она служит для предупреждения выхода из строя оборудования, вследствие многофазных замыканий внутри обмоток и на выводах.

Дифференциальная защита трансформаторов обязательна к установке и для параллельно работающих трансформаторов мощностью от 4000кВа. Трансформаторы небольшой мощности на 1000кВа, комплектуются дифзащитой, при отсутствии газовой защиты, и в том случае если МТЗ рассчитана на большую выдержку времени от 0,5сек, а токовая отсечка имеет низкую степень чувствительности.

Дифференциальная продольная защита с циркулирующими токами, отключает силовой трансформатор, мгновенно после неисправности, без выдержки времени.

Дифференциальная защита – принцип действия

Принцип действия дифференциальной защиты построен на применении первого закона Киргофа. Защищаемый объект принимается за узел, ток фиксируется полностью на всех ветвях, соединяющих объект с внешней электрической сетью.

При повреждении на отходящей ветви, сумма токов, входящих и отходящих из узла, равна нулю.

При повреждении объекта, в случае КЗ, сумма токов в ветвях будет равна токам короткого замыкания.

Диффзащита трансформатора отличается от дифференциальной защиты высоковольтных линий и генераторов наличием неравенства первичных токов разных обмоток трансформаторов и несовпадением по фазе.

Поперечная дифференциальная защита линий электропередач

Защита построена идентично продольной и основана на принципе сравнивания токов, только для защиты ВЛ и КЛ, установка трансформаторов тока выполняется на разных линиях, питание, которых осуществляется от одного источника, например, от одного выключателя нагрузки, а не на концах участка линии. Трансформаторы тока должны быть идентичны по своим параметрам, их коэффициент трансформации должен быть одинаков.

После отключения одной из линий, блок-контактами высоковольтных выключателей, дифференциальная защита выводится из работы, это происходит для того, чтобы осуществить устранение неселективности действия при внешнем КЗ.

Принцип действия поперечной дифференциальной защиты, позволяет обходиться без настройки защиты на замедление действия, значит, при КЗ линии, произойдет мгновенное отключение, при КЗ в противоположных концах линии наблюдается каскадное (поочередное) действие дифференциальной защиты.

Основные условия выбора тока срабатывания:

1. При внешних КЗ, не должно происходить срабатывание защиты от максимально высокого тока небаланса.
2. При отключении одной из подключенных параллельно линий электропередач, если вторая линия полностью, на 100% загружена, не должна осуществляться работа защиты.
3. Чувствительность защиты зависит от КЗ на границе каскадного действия рядом с точкой равной чувствительности, в которой наблюдается равенство токов в реле комплектов защит обеих линий.

Дифференциальная защита генераторов

Защита генераторов, в статоре машины, действует на погашение магнитного поля генератора (отключением автомата АГП), с его последующим отключением от питающей сети, при помощи выключателя нагрузки самого генератора или выключателя на стороне блока ВН.

Существует 2 типа дифференциальной защиты генераторов:

1. Продольная дифференциальная защита
2. Поперечная дифференциальная защита.

Принцип действия дифференциальной защиты генераторов идентичен принципу действия дифференциальной защиты трансформаторов и линий. Основывается на разности токов, текущих в параллельно подключенных ветвях.

Реле включается в цепь с трансформатором тока, в перемычку между нейтралями параллельных обмоток статора.

Принцип действия построен на сравнивании токов следующих со стороны выводов генератора.

Зона действия защиты распространяется на: обмотки генератора, выводы обмотки статора и на шины, вплоть до распределительного устройства.

В любой электрической подстанции силовые трансформаторы являются наиболее ответственными элементами. Сам по себе трансформатор – это то статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты. В настоящее время имеют распространение комплектные трансформаторные подстанции (КТПН) и БКТП (в бетонной оболочке).

Трансформаторы преобразуют напряжение от генерирующей электроэнергию установки до конечного потребителя. Понижение осуществляется каскадно, через несколько этапов, что увеличивает количество силовых трансформаторов в десятки раз. Чтобы защитить трансформаторы от аварий при коротких замыканиях и перегрузках – выполняется релейная защита трансформаторов.

Параметры силовых трансформаторов

Для выбора типа защиты трансформаторов от короткого замыкания, необходимо определиться с его параметрами. Большая их часть и самая важная отражена в паспорте или на шильде самого силового или измерительного трансформатора. В соответствии с ГОСТ 11677-85 "Трансформаторы силовые" принята единая структурная схема условного обозначения трансформаторов:

• О – однофазный;
• Т – трехфазный;
• М – масляный;
• С – сухой;
• З – защитное исполнение;
• Г – герметичное;
• Н – возможность регулирования под нагрузкой.

После буквенной части обозначения через тире указывается номинальная мощность силового трансформатора в киловольт-амперах (кВ-А), затем через дробь - класс напряжения стороны высшего напряжения (ВН) в киловольтах (кВ) и далее через тире - климатическое исполнение и категория размещения оборудования по ГОСТ 15150-69:

• У - для умеренного климата;
• ХЛ - холодного;
• Т - тропического;
• 1 - для работы на открытом воздухе;
• 2 - для работы в помещениях, где температура и влажность такие же, как на открытом воздухе;
• 3 - для закрытых помещений с естественной вентиляцией;
• 4 - для работы в помещениях с искусственным регулированием климата;
• 5 - для работы в помещениях с повышенной влажностью.

Номинальные мощности силовых трансформаторов должны соответствовать ГОСТ 9680-77. Трансформаторы масляные 10 кВ для питания электроприёмников выпускаются с номинальной мощностью до 2,5 MB-А, а для связи между электросетями разных напряжений - до 6,3 МВ-А: например, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630 кВ-А, а также 1; 1,6 и 2,5 МВ-А. Трансформаторы сухие (ТСЗ) выпускаются с номинальной мощ-ностью 160, 250, 400, 630 кВ-А, а также 1 и 1,6 МВ-А.

Виды защит силовых трансформаторов

Трансформаторы 10/0,4 кВ в сельских и городских распределительных электрических сетях мощностью до 0,63 MB-А включительно, как правило, защищаются плавкими предохранителями на стороне 10 кВ и весьма часто также плавкими предохранителями на стороне 0,4 кВ. Автоматические воздушные выключатели предназначены для автоматического отключения электрических цепей до 1000 В при токах КЗ и перегрузках.

Релейная защита силовых трансформаторов мощностью 1000кBА и выше от ненормативных показателей напряжения, короткого замыкания и так далее, подразделяется на виды: продольная дифференциальная, токовая защита трансформатора без задержки времени, газовая, максимальная токовая защита со стороны питания, специальная токовая защита нулевой последовательности, специальная резервная максимальная токовая защита трансформатора, максимальная токовая защита в одной фазе, защита (сигнализация) от однофазных замыканий на землю в обмотке или на выводах трансформатора, а также на питающей линии 10 кВ.

Вид защиты зависит от угрозы. Так, продольная дифференциальная защита применяется для ликвидации последствий короткого замыкания на трансформаторах начиная с мощности 6,3 MBА, иногда устанавливается и на маломощных силовых трансформаторах в том случае, если понижение напряжения идет большими перепадами. Минимальное значение - 1 MBА. Токовая отсечка без выдержки времени также применяется как защита от короткого замыкания со стороны питания и является альтернативой продольной дифференциальной защиты силовых трансформаторов.

Защита от всех видов повреждений внутри кожуха трансформатора обеспечивается газовой защитой. В соответствии с ГОСТ 11677-85 газовое реле устанавливается на всех масляных трансформаторах с расширителем начиная с мощности 1 MBА, сухие силовые трансформаторы оборудуются системой манометрической защиты.

Максимальная токовая защита (МТЗ) силового трансформатора со стороны питания защищает от короткого замыкания на выводах и внутри трансформатора, при повреждениях шин щита НН и на отходящих линиях НН (низкое напряжение). Специальная токовая защита нулевой последовательности используется, если трансформатор низкого напряжения работает с глухозаземленной нейтралью. Специальная резервная максимальная токовая защита применяется при опасности межфазных коротких замыканий в силовых трансформаторах низкого напряжения в тех случаях, когда в зонах дальнего резервирования максимальной токовой защиты обнаружена недостаточная чувствительность к коротким замыканиям. И, наконец, максимальная токовая защита в одной фазе - от сверхтоков, обусловленных перегрузкой; устанавливается на трансформаторах начиная с мощности 0,4 MB-А, у которых возможно возникновение перегрузки после отключения параллельно работающего трансформатора или подключения дополнительной нагрузки в результате действия сетевого или местного устройства АВР.

Итак, для силовых трансформаторов больше 1 кВ релейная защита требуется для того, чтобы исключить выход из строя подстанции при следующих аварийных ситуациях:

• 1. Появление сверхтоков в обмотках при перегрузке;
• 2. Появление сверхтоков из-за внешних КЗ;
• 3. Многофазные КЗ в обмотках и на их выводах;
• 4. Однофазные замыкания на землю;
• 5. Понижение уровня масла (вытекание масла из кожуха трансформатора);
• 6. Внутренние повреждения трансформатора, в частности – витковых замыканий.

К числу внутренних повреждений силовых трансформаторов относится "пожар стали". Это повреждение магнитопровода, связанное с замыканием листов стали, повреждением изоляции стяжных болтов, вообще возникновение любых замкнутых контуров в теле силового трансформатора. Вихревые потоки в новообразованных замкнутых контурах приводят к повышению температуры трансформатора, выделению газа серого или буроватого цвета, который образуется в газовом реле и довольно горюч – при поджоге воспламеняется. Трансформаторное масло начинает проходить через процесс крекинга – разложения: становится густым и темным, приобретает специфический резкий запах.

Важно при выполнении работ по защите учитывать слабые места трансформатора, чтобы выбрать оптимальный вариант. Для оценки потенциала аварийности, используются следующие критерии анализа и оценки: броски тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение, влияние коэффициента трансформации и схем соединения обмоток трансформатора.

Релейная защита трансформаторов

Релейная защита осуществляется с помощью вторичных реле прямого или косвенного действия. Вторичные реле подключены не напрямую, а через измерительные транс-форматоры тока и напряжения. РПД имеют две функции – электромагнита отключения выключателя и измерительного органа напряжения. РПД делятся на токовые реле прямого действия мгновенные и с выдержкой времени. Такие реле используются для трансформаторов на 6 и 10 кВ с выключателем высокого напряжения. Принцип их действия заключается в токовой отсечке и защите. Мощность силовых трансформаторов с РПД не должна превышать 1,6 MB-А, поскольку, в отличие от РКД (реле косвенного действия), реле прямого действия имеют меньшую чувствительность, и могут просто не успеть сработать.

Релейная защита с помощью реле косвенного действия строится на системе измерительных реле, которые непрерывно получают информацию от трансформаторов тока и напряжения (ТТ и ТН) на 10/0,4 кВ, 10/6 кВ, 10/10 кВ. Сложная функциональная схема удорожает производство, но многократно повышает эффективность работы. Принцип действия состоит в следующем: когда ток или напряжение на одном из реле силового трансформатора достигнет предела, установленного заранее, реле срабатывает и посылает сигнал на логическую часть системы. Предельное значение тока или напряжения называется "параметром срабатывания" или "установкой". Предустановки реле на силовых трансформаторах должны быть изменены в соответствии с потребностями энергоустановки.

В отличие от аналоговой части, логический орган релейной защиты силовых трансформаторов от короткого замыкания и иных нарушений функционала работает по принципу алгоритмизации получаемых сигналов. В нее задаются четыре операнда: сложения, умножения, отрицания и задержки. Например, при максимальной токовой или дифференциальной защите трансформатора параллельное соединение замыкающих контактов 2-3 реле аналогично логическому элементу "ИЛИ". При срабатывании одного из токовых реле пучка, включается защита трансформатора.

Умножение сигнала, или операнд "И", аналогичен последовательному соединению токовых реле. Он используется в схеме максимальной токовой защиты при скачках напряжения. Чтобы защита сработала, необходимо превышение установки не только силы тока, но и напряжения. Более сложный логический элемент – "НЕ" - предупреждает срабатывание элемента системы при отказе другого элемента. В частности, при повреждении кожуха трансформатора срабатывает газовая, либо дифференциальная релейная защита. При этом необходимо исключить возможность повторного автоматического включения силового трансформатора, т.н. автоматическое повторное включение (АПВ). Для этого в систему реле включаются, наряду с контрольными, размыкающие реле, которые при срабатывании схемы отрицания включаются и разрывают выходную цепь устройства, исключаемого из схемы работы. Задержка срабатывания системы осуществляется с помощью реле времени.

Логическая часть релейной защиты: принцип работы

Работа логической части релейной защиты силовых трансформаторов заключается в использовании поступившей информации для запуска серии последовательных логических комбинаций, позволяющих отключить поврежденный трансформатор со всех сторон; блокировать выходы на устройства, которые должны замереть; перекинуть рабочие цепи функционирующих устройств на другой путь. Система, как уже говорилось выше, имеет сигнальные органы, исполнительные органы, логическую часть и оперативный источник питания. Снабжение системы релейной защиты оперативным током обеспечивает срабатывание всех ее частей, а также электромагнитов управления коммутационных аппаратов.

С учетом того, что оперативный ток должен поступать и в аварийных ситуациях, его источниками на подстанции должны быть аккумуляторные батареи - как источники постоянного тока, так и измерительные трансформаторы тока и напряжения и ТСН (трансформатор собственных нужд) - как источники переменного тока. Выпрямленный ток поставляется через блоки питания, как токовые, так и напряжения. Могут быть использованы выпрямительные устройства аналогичного типа. Ток разряда конденсаторов для релейной защиты поступает от блоков конденсаторов.

Рекомендуется для питания релейной защиты силовых трансформаторов использовать источник постоянного тока – аккумуляторную батарею, как самый надежный элемент из перечисленных. Это источник автономный, но, к сожалению, имеющий ограниченную емкость, мало применимую для подстанций распределительных сетей в силу дороговизны и ненадежности. Хотя именно аккумуляторная батарея обеспечивает срабатывание реле даже при полном отключении питания.

Для питания релейной защиты через измерительные трансформаторы, необходимо использовать одновременно все три типа: ТН, ТТ и ТСН, что обусловливается спецификой нарушений – снижение напряжение на подстанции до нуля, например, при многократных коротких трехфазных замыканиях, требует использования тока от ТН. ТТ обеспечивает работу электромагнитов управления – такая схема называется "схемой с дешунтированием электромагнитов управления". С другой стороны, ТСН, например, может вполне справится с питанием защиты в случае виткового замыкания. При уходе масла из кожуха трансформатора достаточно будет включения ТН. Тем не менее, поскольку аварийные ситуации непредсказуемы, использовать измерительные трансформаторы в комплексе релейной защиты – необходимо.

Питание выпрямленным оперативным током, по сути, похоже на использование аккумуляторных батарей. Применяется оно для силовых трансформаторов меньше 10кВ. Конденсаторы включаются при полном отключении подстанции, когда необходимо обеспечить функционирование релейной защиты, автоматики, части электродвигателей, что облегчает запуск подстанции при повторном пуске электроэнергии. Самозапуск электродвигателей – основная задача применения блоков конденсаторов.

Дешунтирование электромагнитов от включения

Шунтирование электромагнитов производится специальным размыкающим реле, которое прерывает рабочий ток при превышении показаний установок силового трансформатора. Шунтирующий контакт обычно дублируется вторым, чтобы при повторном срабатывании цепи, ток не пробил защиту элемента, поскольку возможность излишнего срабатывания существует. Вторичный ток в таком случае проходит только через первое реле и не замыкает второе. Релейная защита силовых трансформаторов с дешунтированием электромагнитов строится на основе использования двух типов реле: индукционных реле косвенного действия и специальных промежуточных реле.

Индукционные реле в системе защиты трансформаторов предназначены для выстраивания простейшей двухступенчатой системы защиты Т10кВ. Принцип их работы – токовая отсечка мгновенного действия и максимальная токовая защита с обратнозависимой от тока выдержкой времени.

Специальные промежуточные реле силовых трансформаторов предназначены для дифференциальной защиты или максимальной токовой защиты трансформатора с независимой от тока выдержкой времени. Они оборудованы встроенным маломощным выпрямительным устройством.

Защита трансформаторов от сверхтоков в обмотках, обусловленных внешними короткими замыканиями

Максимальная токовая защита – вид релейной защиты, который используется чаще всего, поскольку позволяет исключить выход объекта из строя вследствие внешних коротких замыканий. МТЗ предполагает два варианта реализации: с пуском реле от минимального напряжение, или без пуска. Она применяется только на трансформаторах мощностью до 1000 кВА, что связано с низкой чувствительностью системы. Повышающие трансформаторы должны быть оборудованы для защиты от внешних КЗ системами другого плана: токовой защитой нулевой последовательности, либо все той же максимальной токовой защитой с пуском реле от минимального напряжения. Обычно они дополняются токовыми реле защиты генераторов. Однофазная максимальная токовая защита используется для нескольких параллельно работающих трансформаторах мощностью по 400 кВА. На необслуживаемых подстанциях защита может выполняться с действием на автоматическую разгрузку или отключение трансформатора.

В целом, многообразие релейной защиты силовых трансформаторов при обеспечении индивидуального питания в случае обесточивания подстанции, позволяет выбрать наиболее оптимальную по цене и эффективности схему: чем слабее трансформатор, тем менее чувствительная, а, значит, более дешевая система может быть поставлена. Для сельских электросетей от 0,38кВ достаточно автоматических выключателей типа АП-50, А3124, А3134, А3144, А3700 или блоков "предохранитель-выключатель" типа БПВ-31-34 с предохранителями типа ПР2. Более мощные трансформаторы требуют наличия дублирующих сетей и элементов для дешунтирования, а также наличия независимых источников тока – аккумуляторных батарей или конденсаторов. В случае, если требуется мгновенное отключение тока, используются дополнительные выносные релейные защиты с расцепителем нулевого напряжения.

Релейная защита эффективна и для силовых сетей с радиальной схемой подключения и одним источником питания: реле максимальной токовой защиты устанавливаются на каждой линии и обеспечивают бесперебойное функционирования остальных, вне зависимости друг от друга.

Ежегодно в сетях напряжением 6-35 кВ повреждаются примерно 6-8% трансформаторов напряжения (ТН). Причиной повреждения является длительное протекание по первичной обмотке ТН токов, величина которых значительно превышает максимально допустимую по условию тепловой устойчивости изоляции обмотки. Эти токи возникают при феррорезонансных процессах (ФРП) в контуре, образующемся при определённых режимах сети, когда после угасания дуги через индуктивность обмоток ТН «стекает» ёмкостный заряд.

Насыщение магнитопровода может возникнуть, если энергия, запасённая в емкостях сети, к моменту угасания дуги окажется больше порогового значения электромагнитной энергии, запасённой в индуктивностях ТН.

В [Л1] приведены три причины возникновения ФРП:

1. Величина ёмкости сети Сэкв должна находиться в интервале, определённом пределами изменения индуктивности ТН, т.е.

• Lхх и Lн - индуктивности холостого хода и насыщения, соответственно;
• w - угловая частота напряжения сети.

Приведенные в [Л2] расчёты показали, что для ТН типа ЗНОМ-35 при емкостном токе сети равном 4 А и более на один ТН феррорезонанс не возникает . Однако, в сетях с воздушными линиями, особенно на напряжении 6-10 кВ, емкостный ток может быть меньше.

2. Феррорезонанс возникнет в контуре с резонансными параметрами после скачкообразного понижения напряжения от Uл до Uф при отключении однофазного замыкания (ОЗЗ) на землю. Феррорезонанс в сети с ТН не возникает при номинальной индукции, равной 0,9 Тл. В настоящее время величина индукции выпускаемых ТН составляет 1,5 Тл.

3. Величина энергии, поступающей в феррорезонансный контур при каждом изменении индуктивности ТН, должна быть больше величины потерь в нём. Данный показатель позволяет оценить эффективность включения резистора сопротивлением rвт=25 Ом в схему разомкнутого треугольника ТН, как указано в ПУЭ. Величина сопротивления резистора определена длительно допустимой мощностью ТН, равной 400 ВА при напряжении 100 В.

В соответствии с [Л2] эквивалентная ёмкость сети определяется из выражения:

Где: R1 - сопротивление rвт, приведенное к первичной стороне и определяемое из выражения:

Где:
В соответствии с ПУЭ rвт= 25 (Ом).

Ёмкости Сэкв соответствует емкостный ток сети, определяемый из выражения:

Для сети напряжением 35 кВ Ic= 0,013 А, что значительно меньше фактических значений Ic. Для сети напряжением 10 кВ Ic= 0,044 А, что также значительно меньше фактических значений Ic.

Таким образом, включение резистора сопротивлением 25 Ом в схему разомкнутого треугольника ТН не имеет практического эффекта, а уменьшение его сопротивления приведёт к недопустимому для ТН увеличению мощности.

Из практики известно, что наступление феррорезонанса происходит, когда емкостной ток на ТН находится в интервале 0,3-4 А, что характерно для воздушных линий напряжением 6 -35 кВ. Поэтому целесообразно включение между фазным проводником и землёй конденсаторной установки необходимой мощности.

Для исключения феррорезонанса в сети 35 кВ необходимо в нейтраль силового трансформатора включить высоковольтный резистор.

В сети 6 - 10 кВ необходимо в обмотку разомкнутого треугольника трансформатора заземления нейтрали включить низковольтный резистор.

Подобное резистивное заземление нейтрали ограничивает также напряжение смещения нейтрали в компенсированных сетях.

В [Л1] доказана эквивалентность схем подключения высоковольтного и низковольтного резистора с точки зрения уровня перенапряжений при ОЗЗ. Результаты моделирования дугового ОЗЗ полностью совпали. Кратность уровня напряжения в обеих схемах не превышала 2-2,5 величины фазного напряжения.

Кроме подавления феррорезонансных процессов, резистор разряжает сеть в случае, когда дуга замыкается один раз за период и, фактически, является выпрямителем, приводящим к перевозбуждению индуктивности сети постоянным током.

Сопротивление резистора выбирается по условию ограничения напряжения при ОЗЗ и обеспечения чувствительности защиты от ОЗЗ.

На распределительных устройствах, подключаемых к питающей подстанции, необходимо применение ТН без заземления нейтрали.

Одной из причин высокой повреждаемости ТН является полное отсутствие их защиты. Применение предохранителей ПКН001 и ПКТ неоправданно, так как их токи срабатывания значительно превышают предельно допустимые токи первичных обмоток ТН, составляющие для ТН 6 кВ - 0,115 А, для ТН 10 кВ - 0,109 А и для ТН 35 кВ - 0,049 А.

При феррорезонансе токи достигают нескольких десятков ампер. Поэтому по рекомендации завода-изготовителя необходимо применение ТН со встроенным предохранительным устройством с током срабатывания не более 0,7 А за время срабатывания не более 20-30 с, например, антирезонансных ТН типа ЗхЗНОЛП напряжением 6 -10 кВ.

Выводы:

1. Для исключения перенапряжений необходимо предусмотреть:

• - в сетях 35 кВ - подключение к нейтрали 35 кВ силового трансформатора высоковольтного резистора;
• - в сетях 10 кВ - подключение в разомкнутый треугольник трансформаторов заземления нейтрали низковольтного резистора.

2. Для исключения феррорезонанса целесообразно между фазным проводником и землёй подключить конденсаторную установку необходимой мощности на ток не менее 4 А.

3. Для защиты от повреждений необходимо применение антирезонансных ТН со встроенными в ТН предохранительными устройствами, например, типа ЗхЗНОЛП напряжением 6-10 (кВ).

4. На распределительных устройствах, где не требуется контроль изоляции, целесообразно применение ТН без заземления нейтрали.

Литература:

• 1. Сивокобыленко В. Ф., Лебедев В. К., Сердюков Р. П. Переходные процессы в электрических сетях с резистивным заземлением нейтрали. Тезисы. Технические науки - Электротехника. – Донецкий национальный технический университет.
• 2. Халимов Ф. X., Евдокунин Г. А., Таджибаев А. Н. Защита сетей 6 - 10 кВ от перенапряжения. - Санкт-Петербург, 2001

Страница 24 из 24

Глава десятая
СХЕМЫ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Принципиальные схемы защит понижающих трансформаторов, выполненные на переменном и постоянном оперативном токе, разработаны в Руководящих указаниях , действующих и в настоящее время с некоторыми изменениями, касающимися в основном дифференциальной защиты (§ 6-5 и 6-6). В этой главе приводится лишь одна из современных принципиальных схем защиты трансформатора, на примере которой можно увидеть в совокупности все основные типы защит, рассмотренные в предыдущих главах.
На рис. 10-1 приведена типовая принципиальная схема защиты в управления на переменном оперативном токе двухобмоточного трансформатора 110/10(6) кВ со схемой соединения обмоток У/Л-11 и с регулированием напряжения под нагрузкой, без выключателя на стороне ВН. Схема дается с сокращениями, которые оговариваются при описании схемы.

На поясняющей схеме (рис. 10-1, а) показаны трансформаторы тока на стороне 110 кВ типа ТВТ-110 (встроенные во вводы трансформатора) с двумя одинаковыми сердечниками ITT и 27Т, а также трансформаторы тока на стороне 10(6) кВ, например типа ТВЛМ, сердечниками класса Р (4ТТ - для релейной защиты) и 0,5 {ЗТТ - для измерительных приборов).

Условно обозначены типы установленных защит: / - дифференциальная токовая с торможением; 2 - максимальная токовая с пуском по напряжению с двумя выдержками времени (£i - на отключение выключателя В на стороне 10(6) кВ и Bz - на включение короткозамыкателя КЗ на стороне 110 кВ); 3 - газовая; 4 - максимальная токовая защита от перегрузки. Показаны коммутационные аппараты и их электромагниты управления.

Рис. 10-1. Типовая принципиальная схема защиты и управления на переменном оперативном токе двухобмоточного трансформатора 110/10(6) кВ (схема дана с сокращениями): а - поясняющая схема; б - токовые цепи; в - цепи напряжения пускового органа напряжения; г - оперативные цепи дифференциальной и максимальной токовых защит; д - оперативные цепи управления
На рис. 10-1,6 показаны трансформаторы тока и измерительные органы (токовые реле) следующих защит трансформатора:
дифференциальной токовой с торможением - ТДТа и ТДТс типа ДЗТ-11 (гл. 6);
максимальной токовой защиты от внешних к. з. - 1РТ и 2РТ типа РТ-40 (гл. 8) ;
максимальной токовой защиты от перегрузки, действующей на сигнал - реле ЗРТ типа РТ-40.
В токовые цепи защиты включено также специальное трехфазное реле тока Я Г типа РТ-40/Р-5, контакты которого используются в цепи блокировки отключения отделителя ОД (рис. 10-1, д).
На рис. 10-1, в показан пусковой орган напряжения, принцип действия которого рассмотрен в § 8-5. Он включен на шинки переменного напряжения, питающиеся от ТН 10(6) кВ. Номинальное напряжение на шинках 100 В.
На рис. 10-1, г показаны оперативные цепи дифференциальной токовой и максимальной токовой защит. Источником оперативного тока для промежуточных реле РПА и РПС (типа РП-321), а также реле времени РВ (РВМ-12) служат трансформаторы тока ITT и 2ТТ (рис. 10-1,6). Во вторичные токовые цепи этих трансформаторов тока включены первичные обмотки промежуточных насыщающихся трансформаторов тока Т{РПа и Т\РПС. Их вторичные обмотки Т2РПа и Т2РПс через выпрямительные мосты питают обмотки реле РП а и РПс при условии, что срабатывают и замыкают свои контакты реле ТДТа или ТДТС (дифференциальная защита) или РВ\ (реле времени максимальной защиты). В это же время по первичным обмоткам ТхРПк и Т\РПС или одного из них должен проходить вторичный ток к. з. После срабатывания реле РП замыкаются все его замыкающие контакты, в том числе РПА1у РПси которые осуществляют самоудерживание реле. Это сделано для обеспечения надежного и достаточно длительного замкнутого состояния контактов реле РП-321, находящихся в цепях отключения (РПА2 и РПС2 на рис. 10-1, (9). Реле РП-321 отличается от описанного в § 4-5 реле РП-341 отсутствием мощных контактов, дешунтирующих ЭО и ЭВ .
Реле времени РВ (типа РВМ-12, § 8-4) имеет в схеме три контакта:
РВ\ - замыкающий, который замыкает цепь РПА и РПс, что приводит к включению короткозамыкателя КЗ (рис. 10-1,д);
РВ2 - импульсный, с меньшей выдержкой времени, чем РВи замыкающий цепь отключения выключателя В 10(6) кВ (рис. 10-1, д);
РВз - импульсный, замыкающий с выдержкой времени около 0,5 с ту же цепь в момент включения выключателя вручную или от автоматики (АПВ); эта цепь, называемая цепью «ускорения защиты после АПВ», создается на небольшой период, около 1 с, замыканием контакта РПУ и служит для ускорения отключения устойчивого к.з. на стороне 10(6) кВ (рис. 10-1, д).
Моторчик реле времени РВ(М) может начать работать при двух одновременных условиях: прохождение тока к. з. по двум или одной из первичных обмоток промежуточных трансформаторов тока ТщРВ или Т1СРВ и замыкание цепи его обмотки. Последнее осуществляется замыкающими контактами токовых реле максимальной защиты 1РТ или 2РТ, а также размыкающими контактами реле 2РП и В (рис. 10-1,г). Реле-повторитель пускового органа напряжения 2РП в нормальном режиме находится под напряжением через замыкающий контакт реле PH (рис. 10-1, д). Размыкающий контакт 2РП в цепи РВ(М) при этом разомкнут. При к.з. срабатывает пусковой орган напряжения, замкнутый контакт PH размыкается, 2РП теряет питание, после чего контакт 2РП в цепи РВ(М) замыкается, осуществляя пуск максимальной токовой защиты по напряжению (§ 8-5). На рис. 10-1 контакты реле 2РП, как и всех других реле, показаны в положении «на складе», т. е. без напряжения и тока.
Параллельно с размыкающим контактом 2РП включен размыкающий контакт В - контакт вспомогательной цепи выключателя 10(6) кВ или реле- повторителя положения этого выключателя. Это сделано для обеспечения работы максимальной защиты при к. з. между трансформаторами тока ЗТТ - 4ТТ и выключателем В (рис. 10-1, а) в тот момент, когда на трансформатор подано напряжение со стороны ВН, а выключатель В отключен. Поскольку пусковой орган питается от ТН (рис. 10-1,а и в), а на нем в это время может быть нормальное напряжение (от другой секции), пусковой орган не сработает. Вместо него пуск максимальной защиты осуществит размыкающий контакт В, замкнутый при отключенном положении выключав теля В 10(6) кВ. Напомним, что рассматриваемое повреждение находится вне зоны действия дифференциальной защиты трансформатора.
На рис. 10-1,5 представлена основная часть схемы оперативных цепей управления. Шинки управления 1ШУ и 2ШУ имеют напряжение 220 В и нормально питаются от ТСН 10/0,22 кВ (или 6/0,22 кВ). Они называются шинками обеспеченного питания, так как при потере основного источника автоматически переключаются на другой: либо на ТСН соседнего силового трансформатора, либо на свой 77/ 10(6) кВ (через промежуточный трансформатор 0,1/0,22 кВ) . От шинок 1ШУ и 2ШУ питается 2РП - реле- повторитель пускового органа напряжения (см. выше), реле-повторители положения коммутационных аппаратов (на схеме не показаны), а также зарядное устройство УЗ (§ 4-6).
Энергия предварительно заряженных конденсаторов 1БК-5БК используется для выполнения следующих операций:
срабатывание общего выходного промежуточного реле 1РП при действии отключающего элемента газовой защиты РГОу а также дифференциальной и максимальной защит через реле ЯЯА и РПС (рис. 10-1,г); цепи отключения газовой защиты описаны в § 7-2;
отключение выключателя В 10(6) кВ; его электромагнит отключения ЭОВ может подключаться к 2БК или контактом РВ2 первой ступени максимальной токовой защиты или контактом общего выходного реле 1РП2 (для отключения В при внутренних повреждениях трансформаторов) или контактом PBz по цепи «ускорения защиты после АПВ» ;
включение короткозамыкателя КЗ; его электромагнит включения ЭВКЗ подключается к ЗБК после срабатывания общего выходного реле 1РП и замыкания контакта /Р/73;
срабатывание реле ЗРП, разрешающего отключение отделителя ОД в бестоковую паузу (§ 4-4); наступление бестоковой паузы фиксируется размыкающими контактами токовых реле РТ и РТБУ которые замыкаются при отсутствии тока через трансформаторы тока ITT - 2ТТ и 5ТТ соответственно, а также контактом вспомогательной цепи короткозамыкателя КЗ или контактом его реле-повторителя, который замыкается после включения короткозамыкателя;
отключение отделителя ОД; его электромагнит отключения ЭООД подключается к 5БК после замыкания контакта реле ЗРП.
На рис. 10-1, д показана часть цепей разряда конденсаторов 1БК-5БК на резистор R сопротивлением примерно 3000 Ом через переключатель КР и испытательный блок ИБ. Разряд конденсаторов производится для обеспечения безопасности работ в цепях защиты (§ 4-6). При разряде кратковременно загорается лампа JIP.
На рис. 10-1 не показаны цепи управления коммутационными аппаратами, цепи сигнализации, в том числе газовой защиты и максимальной токовой защиты от перегрузки, не показаны цепи отдельной газовой защиты устройства РПН.
В рассмотренной типовой схеме имеются некоторые отступления от принципов выполнения релейной защиты трансформаторов, рассмотренных в гл. 4, а именно: установлено одно выходное реле, общее для всех защит, и использован только один вид оперативного тока (предварительно заряженные конденсаторы) для автоматического отключения выключателя 10(6) кВ и включения короткозамыкателя 110 кВ. При этом заряд конденсаторов осуществляется только от одного зарядного устройства, питающегося от ТСН, а второе зарядное устройство (токовое, см. рис. 4-9) - не предусмотрено. Это понижает надежность срабатывания защиты, поскольку неисправность единственного выходного реле или отсутствие заряда конденсаторов приводит к отказу всех защит и повреждению трансформатора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Правила устройства электроустановок. - М.: Атомиздат, 1978-80.
Федосеев А. М. Релейная защита электрических систем -М.: Энергия» 1976.
Чернобровое Н. В. Релейная защита.- 5-е изд.- М.: Энергия, 1974.
Инструкция по эксплуатации трансформаторов/Сост. Н. П. Фуфурин.-
е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978.
Ill абад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей.- 2-е изд.- Л.: Энергия, 1976.
Ульянов С. А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах.- М.: Энергия, 1970.
Крючков И. П., Кувшинский Н. Н., Неклепаев Б. Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы.- 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Энергия, 1978.
Шабад М. А. Приближенный расчет токов к. з. и самозапуска для релейной защиты понижающих трансформаторов РПН 110 и 35 кВ распределительных сетей.-Электрические станции, 1976, № 11.
Найфельд М. Р., Спеваков П. И. Сопротивления трансформаторов в режиме однофазного замыкания в сетях напряжением до 1000 В.- Промышленная энергетика, 1968, № 11.
Спеваков П. И. Проверка на автоматическое отключение линий в сетях до 1000 В. - М.: Энергия, 1971.
Голубев М. J1. Расчет токов короткого замыкания в электросетях 0,4- 35 кВ. 2-е изд.- М.: Энергия, 1980.
Инструкция по перезарядке предохранителей.-М.: Минэнерго СССР*
1971.
Гогичайшвили П. Ф. Подстанции без выключателей на высшем напряжении.- М.: Высшая школа, 1965.
Сборник директивных материалов по эксплуатации энергосистем (Электротехническая часть). - М.: Минэнерго СССР, 1978.
Беркович М. А., Семенов В. А. Основы техники и эксплуатации релей- ной защиты.-5-е изд.-М.: Энергия, 1971.
Шабад М. А. Особенности расчетов и выполнения максимальных токовых защит в распределительных сетях 10; 35 и 110 кВ сельскохозяйственных районов.- М.: Энергия. 1969.
Зотов А. Ям Гринин Ф. Н., Повсринов А. И. О повышении надежности стреляющих предохранителей на подстанциях 35/6(10) кВ. - Электрические станции, 1978, № 4.
Вейц И. Е., Кутузова М. С. Передвижная трансформаторная подстанция 110/10 кВ мощностью 2500 кВ-А на автоходу. - Электрические станции 1975, № 10.
Реле защиты/ В. С. Алексеев, Г. П. Варганов, Б. И. Панфилов, Р. 3. Розенблюм.- М.: Энергия, 1976.
Гельфанд Я. С., Шабад М. А. Повышение надежности защиты трансформаторов 110 кВ упрощенных подстаиций.- Электрические станции, 1975, № 4.
Гельфанд Я. С. Релейная защита распределительных сетей -М.: Энергия, 1975.
Дроздов А. Д., Платонов В. В. Реле дифференциальных защит элементов энергосистем.-М.: Энергия, 1968.
Руководящие указания по релейной защите. Вып. 4. Защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов.-М.: Госэнергоиздат, 1962.
Сулимова М. И. Газовая защита с реле РГЧЗ-66.-М.: Энергия, 1976.
Гельфанд Я. С., Голубев М. J1., Царев М. И. Релейная защита и электроавтоматика на переменном оперативном токе.-2-е изд.-М.: Энергия, 1973.
Применение защиты МТЗ-М с магнитными трансформаторами тока/М. Н. Григорьев, А. А. Кудрявцев, А. П. Кузнецов, Е. И. Окунцов.-Электрические станции, 1974, № 10.
Голубев М. J1. Вторичные цепи на подстанциях с переменным оперативным током. - М.: Энергия, 1977.
Шабад М. А. Согласование по чувствительности защит разных типов в распределительных сетях.- Электричество, 1974, № 3.
Байтер И. И. Релейная защита и автоматика питающих элементов собственных нужд тепловых электростанций.- 2-е изд.- М.: Энергия, 1975.
Шабад М. А. Автоматика электрических сетей 6-35 кВ в сельской местности. - Л.: Энергия, 1979.

В процессе эксплуатации в обмотках трансформаторов могут возникать КЗ между фазами, замыкание одной или двух фаз на землю, замыкание между витками одной фазы и замыкания между обмотками разных напряжений. На вводах трансформаторов и автотрансформаторов, ошиновке и в кабелях могут также возникать КЗ между фазами и на землю. В эксплуатации могут происходить нарушения нормальных режимов работы трансформаторов, к которым относятся: прохождение через трансформатор или автотрансформатор сверхтоков при повреждении других связанных с ними элементов, перегрузка, выделение из масла горючих газов, понижение уровня масла, повышение его температуры. В зависимости от опасности повреждения для нарушения нормального режима трансформатора, защита, фиксирующая нарушение, действует на сигнал, разгрузку или отключение трансформатора.

По количеству обмоток трансформаторы делятся на двух и трёхобмоточные. Весьма часто используются трансформаторы с расщеплённой вторичной обмоткой – для уменьшения токов КЗ, вместо одной вторичной обмотки на полную мощность, наматываются 2, или даже 3 обмотки НН меньшей мощности.

Обмотки трёхфазных трансформаторов соединяются в схему звезды (Υ) или треугольника (∆). В схеме звезды кроме фазных выводов обычно выводится нейтраль. Вывод нейтрали либо заземляется наглухо, либо заземляется через разрядник или дугогасящий реактор в сетях с компенсированной нейтралью. Иногда вывод нейтрали остается незаземлённым.

Каждая пара обмоток трансформатора образует группу соединения, основные из них: Υ/Υ-12, Υ/∆-11. Кроме схемы соединения, в названии группы указывается число, показывающее сдвиг напряжения (или тока) по фазе между вторичной и первичной обмотками. Число, показывающее сдвиг по фазе вторичной обмотки соответствует положению часовой стрелки (низшее напряжение) относительно минутной (высшее напряжение) установившейся в положении 12 часов. Наиболее часто используется группа Υ/Υ–12, в этой группе вторичное напряжение совпадает по фазе с первичным – часовая и минутная стрелки на 12 часов, или Υ/∆–11 – часовая стрелка находится в положении 11 часов, а минутная – на 12. Вторичное напряжение опережает первичное на угол 30°.

Трансформаторы могут присоединяться к сети с помощью:

Выключателей;

Плавких предохранителей или открытых плавких вставок;

Автоматических отделителей или выключателей нагрузки, предназначенных для отключения трансформатора в бестоковую паузу.

Присоединение трансформаторов к сети через плавкие предохранители используется в схемах упрощенных подстанций 6-35 кВ при отсутствии аппаратуры на стороне высокого напряжения трансформатора.

Имеются предохранители ПК-10, ПКТ-10, ПКИ-10, ПСН-10., ПСН-35. Ток плавкой вставки зависит от мощности трансформатора, например: см. таблицу 5.1.

Предохранители ПСН-35 применяются для трансформаторов напряжением 35 кВ малой мощности (до 1000 кВА), обычно на передвижных подстанциях. С помощью таких предохранителей практически невозможно обеспечить селективность защиты трансформатора с защитой ввода, поэтому они согласовываются непосредственно с защитой отходящих от шин линий 6-10 кВ. Были также разработаны, но не нашли применения, стреляющие предохранители 110 кВ типа ПС-110У1.

Плавкие предохранители рассчитаны на отключение тока КЗ в трансформаторе, поэтому они проверяются по номинальному отключаемому току КЗ. Номинальный ток отключения для предохранителей 6-10 кВ может быть в пределах 2,5÷40 кА. Кроме того, требуется выбрать номинальное напряжение предохранителя. Одинаково недопустимо устанавливать предохранитель напряжением 6 кВ на трансформатор 10 кВ, и предохранитель 10 кВ на трансформатор напряжением 6 кВ. В первом случае может произойти перекрытие предохранителя по поверхности, а во втором может не погаснуть дуга внутри предохранителя.

Мощность трансфор матора, кВА	Номинальный ток, А
	трансформатора на стороне			плавкой вставки на стороне
	0,4 кВ			0,4 кВ

Кроме рассмотренных выше предохранителей, которые обеспечивают отключение короткого замыкания, ранее применялись открытые плавкие вставки для трансформаторов напряжением 110 кВ. Трансформатор подключался к линии через тонкие алюминиевые провода, при перегорании которых возникала электрическая дуга. Открытые плавкие вставки не могли отключить ток КЗ, после их перегорания возникало короткое замыкание на стороне ВН, которое должно было отключаться защитой питающей линии.

Рис. 5.1. Схемы присоединения понижающего трансформатора к питающей сети:

с помощью выключателя (а ) и отделителя с короткозамыкателем (б ив )

При высшем напряжении 35 кВ и более, наиболее распространенным для трансформаторов мощностью более l MBА способом подключения трансформатора отпаечной и тупиковой подстанции к линии является подключение через автоматический отделитель (ОД ) с установкой короткозамыкителя (КЗ) (рис. 5.1б ,в ). Короткозамыкатель устанавливается в 2-х фазах при напряжении 35 кВ, и в одной фазе при напряжении 110 кВ и выше. В этом случае при повреждении в трансформаторе его релейная защита даёт команду на включение КЗ, после чего срабатывает релейная защита питающей линии, и отключается выключатель (В ) этой линии. Наступает бестоковая пауза, во время которой автоматика даёт команду на отключениеОД , а линия включается снова от устройства АПВ.

Наиболее предпочтительным является присоединение трансформатора через выключатель (рис. 5.1, а ). На рисунке показан выключатель со встроенными в него трансформаторами тока (ТВ).

При наличии у защищаемого трансформатора встроенных трансформаторов тока (TВT) требуется установить более дешевый выключатель без встроенных ТТ, стоимость установки которого может оказаться соизмеримой с установкой короткозамыкателя и отделителя. Большинство строящихся в настоящее время подстанций комплектуются именно выключателями на стороне ВН.

При подключении трансформатора по схемам рис. 5.1, можно полностью реализовать требования к защитам трансформатора, указанным в следующем подразделе.