Защиты, реагирующие на величину тока

Защита плавкими предохранителями. Защита применяется для трансформаторов сравнительно небольшой мощности: до 630 кВА при напряжениях не свыше 10 кВ и до 2500 кВА при напряжении 35 кВ. Плавкие предохранители устанавливают со стороны первичной обмотки совместно с выключателями нагрузки или разъединителями. Плавкая вставка выбирается по условию: , где - ток плавкой вставки, - номинальный ток трансформатора. Характеристики плавких предохранителей трудно согласовать с характеристиками защит за трансформаторами, а также трудно обеспечить необходимые условия чувствительности ко всем видам повреждений Поэтому защиту более мощных трансформаторов, а также трансформ торов меньшей мощности особо ответственных потребителей, для которых предусматривается автоматическое включение резерва (АВР), осуществляют с помощью реле.

Токовая отсечка. Токовая отсечка используется для защиты от к.з. внутри трансформатора и на его выводах. Ее устанавливают со стороны первичной обмотки трансформатора и отключают его со всех сторон, от куда может происходить подпитка места повреждения. В сети с глухо заземленной нейтралью токовая отсечка устанавливается в трех фазах, в сетях с изолированной нейтралью в двух. Выдержки времени в защите нет. Схемы включения реле и трансформаторов тока приведены на рис.2.1. При выборе схем принимают во внимание режим нейтрали трансформа тора и возможные виды к.з. Для трансформаторов со схемой обмоток Y/ схему соединения трансформаторов тока и реле, показанную на рис.2.1, г, не применяют.

Ток срабатывания защиты выбирается больше, чем максимальное значение тока трехфазного к.з. при повреждении за трансформатором и бросок тока намагничивания, которым сопровождается включение трансформатора:

; , (1)

где -коэффициент отстройки, равный 1,2—2; - коэффициент отстройки от броска тока намагничивания; - номинальный ток трансформатора. Для защит со временем действия 0,03—0,06 с принимают =3-5, для более быстродействующих защит =6-8.

Чувствительность защиты проверяется по току двух фазного к.з. на вводах первичной обмотки. Коэффициент чувствительности должен быть не менее 2.

Токовая отсечка реагирует лишь на значительные токи, не защищает трансформатор от междуфазных к.з. на последних витках, а также при Витковых замыканиях и замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью. Однако вследствие своей простоты и быстродействия она нашла широкое распространение и совместно с газовой защитой является основной защитой от внутренних повреждений одиночных трансформаторов мощостью до 6300 кВА, а для параллельно работающих трансформаторов — общей мощностью до 10000 кВА.

Максимальная токовая защита. Используется для защиты от внутренних многофазных к.з., внешних сверхтоков и перегрузки. Защита от внутренних к.з. резервирует токовую отсечку и перекрывает ее мертвую зону на последних нитках трансформатора. В сетях с - зеземленной нейтралью защита устанавливается в трех фазах,. а в сети с изолированной нейтралью — в двух.

Уставку срабатывания защиты выбирают так, чтобы она действовала ложно в нормальном режиме работы при максимальном токе нагрузки. Этот ток для одиночно работающего трансформатора находят по режиму подключения нагрузки при действии АПВ после внезапного отключения. Максимальный ток нагрузки одиночно определяют по условию:

, (2)

где - установившее значение наибольшего тока нагрузки в нормальном режиме работы; - коэффициент самозапуска, учитывающий увеличение тока нагрузки в режиме самозапуска.

При параллельной работе двух трансформаторов на общие шины максимальный ток нагрузки определяют исходя из внезапного отключения одного из них. В этом случае для оставшегося в работе траi форматора имеем

, (3)

Ток срабатывания защиты находят по условию:

, (4)

где - коэффициент запаса, равный 1,1—1,2; - коэффициент воз врата; - максимальный рабочий ток нормального режима учетом самозапуска асинхронных электродвигателей из-за возможного кратковременного отключения напряжения с последующим его восстановлением).

На трехобмоточном трансформаторе с одностороннем питанием максимальную токовую защиту устанавливают со стороны всех трех обмоток.

Выдержка времени защиты со стороны первичной обмотки берется на ступень выше, чему защиты со стороны вторичных обмоток. Максимальные токовые защиты трехобмоточных трансформаторов с многосторонним питанием по условиям селективности должны быть направленными.

Для повышения чувствительности к токам к.з. защиту можно от- строить от максимальных рабочих токов, используя то обстоятельство, что при внешних к.з. напряжение за трансформатором снижается значительно, а при перегрузках это снижение, как правило, невелико. С этой целью применяют максимальную токовую защиту с комбинированным пуском (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема максимальной токовой защиты

с комбинированным пуском по напряжению

В защите используются датчики (реле) тока I и ннапряжения U , логические ячейки ИЛИ и И, реле времени КТ, промежуточное реле КL, которое коммутирует катушку электромагнита отключения YАТ привода выключателя. датчики тока — максимальные, т. е. сигнал на их вь появляется тогда, когда ток превысит уставку срабатывания. Датчики напряжения — минимальные: сигнал на их выходе появится тогда, когда напряжение в сети станет ниже уставки срабатывания. Защита коммурует YАТ только при одновременном срабатывании любой пары из датчиков I и U. Реле тока присоединяют к трансформаторам тока со стороны первичной обмотки защищаемого трансформатора, реле направления — к трансформатору напряжения, установленному со стороны первичной обмотки трансформатора.

Уставки срабатывания реле тока и напряжения выбираются по

;

(5)

,

где - номинальный ток трансформатора; —минимальный ток к.з. в конце зоны защиты; , — коэффициенты схемы соответственно для симметричного и m-фазного к.з. - минимальное напряжение в нормальном режиме; - наибольшее остаточное напряжение в месте установки трансформатора напряжения при двухфазном к.з. в конце защищаемой зоны; , ,— коэфициенты трансформации соответственно трансформаторов тока и напряжения. Для реле тока <1, для реле напряжения 1. В формуле (5) принимают m = 2 (двухфазное к.з.).

Схема другой разновидности максимальной токовой защиты с комбинированным пуском по напряжению приведена на рис. 3. В этой схеме используется фильтр напряжения обратной последовательности ZV2 и она обеспечивает более высокую чувствительность, чем схема, приведенная на рис. 2.

При всех видах двухфазнытх к.з. имеется напряжение обратной последовательности, поэтому при таких к.з. на выходе фильтра ZV2 появляется напряжение и реле КV2 срабатывает, размыкая свой контакт. Это приводит к обесточиванию реле КV1 и его контакт КV1 в цепи управления замыкается. При этом срабатывает промежуточное реле КL, которое своими контактами КL1.1 подготавливает цепь реле времени КТ. Если при этом реле тока КА1 или КА2 сработали, то сработает и реле времени КТ, посылая своим контактом команду в цепь отключения выключателей Q1 и Q2.

При трехфазных к.з. напряжение обратной последовательности отсутствует и реле КV2 не срабатывает (его контакты остаются замкнуты). Однако, при таком виде к.з. снижается напряжение на шинах и транс форматоре напряжения ТV, поэтому минимальное реле напряжения КV1 сработает (замкнет свой контакт КV1), что вызовет действие защиты, если сработали реле тока КА1 или КА2.

Выбор уставки срабатывания реле тока и реле напряжения КV1 осуществляется по формулам (5).

Рис. 3. Структурная схема максимальной токовой защиты с комбинированным пуском по напряжениию и фильтром напряжений обратной последовательности

Защита от перегрузки выполняется с помощью одного дополнительного реле тока, включенного во вторичную обмотку одного из трансформаторов ТА максимальной токовой защиты от сверх токов. Поскольку перегрузка, как правило, является симметричным режимом трансформатора, то защиту от нее достаточно устанавливать только водной фазе. Ток срабатывания находится по выражению (4) при = 1,05. Для обеспечения требуемой задержки срабатывания у реле времени, выдержка времени которого выбирается по крайней мере на ступень больше, чем время срабатывания защиты от сверхтоков.

На трехобмоточном трансформаторе с равной мощностью обмоток и односторонним питанием защиту от перегрузки устанавливают на шинах питающей обмотке. При неравной мощности обмоток, а также при много стороннем питании эту защиту устанавливают на всех трех обмотках. На обслуживаемых подстанциях защита действует на сигнал, по которому обслуживающий персонал принимает меры по разгрузке. На под станциях без дежурного персонала, при отсутствии вызывной сигнализации иди диспетчерского телеконтроля, допускается действие этой защиты на автоматическую разгрузку или отключение.

Дифференциальная защита реагирует на повреждения внутри трансформатора, на его выводах и в соединениях с выключателями. Защита является быстродействующей. Она применяется на параллельно работающих трансформаторах мощностью – 4000кВ·А и выше и на одиночных трансформаторах мощностью 6300 кВ и выше.

По обе стороны защищаемого трансформатора (рис. 4) устанавливаются трансформаторы тока, их вторичные обмотки соединяются дополнительными проводами согласно-последовательно (с циркулирующими токами). Трансформаторы тока выбирают так, чтобы их вторичные токи и в нормальном режиме работы трансформатора были примерно одинаковы. Тогда ток в реле невелик и не вызывает срабатывания реле КА. При к.з. в любой точке, находящейся между трансформаторами тока, в том числе и внутри трансформатора, ток исчезает или (при двух стороннем питании) меняет направление: он течет от шин к точке повреждения. Исчезает или меняет направление и ток . Поэтому ток в реле увеличивается, реле срабатывает и с обеих сторон отключает трансформатор. Для правильной работы дифференциальной защиты необходимо, чтобы ток небаланса в реле в нормальном режиме и при внешних коротких замыканиях, на которые защита реагировать не должна, был бы возможно меньше. На этот ток влияют коэффициент трансформации трансформаторов тока, схема соединения, обмоток трансформатора, броски тока намагничивания и изменение коэффициента трансформации защищаемого трансформатора.

Рис. 4. Схема дифференциальной защиты трансформатора

Номинальные первичные токи трансформаторов тока выбираются так, чтобы их вторичные токи в цепи циркуляции получились примерно одинаковыми. Следует учесть при этом схему соединения трансформаторов тока. Если они соединены в звезду, то в цепи циркуляции ток равен току вторичной обмотки. Если же трансформаторы тока соединены в треугольник, то в цепи циркуляции (в реле) ток в раз больше тока вторичной обмотки. Так, например, для схемы, приведенной на рис. 2.5, а, имеем:

, (6)

а для схемы, приведенной на рис. 5, б :

(7)

где - коэффициенты трансформации трансформаторов тока соответственно на вводах первичной и вторичной обмоток защищаемого трансформатора.

Рис. 5. Схема соединения трансформаторов тока в дифференциальной токовой отсечке трансформаторов

При схеме соединения обмоток силового трансформатора Y/Y—12 токи , и а следовательно, и отличаются только по значению. Включение трансформаторов тока и реле показано на рис. 2.5, а. При схеме обмоток Y/Δ - 11 - токи и , кроме того, сдвинуты еще и по фазе на угол . Если обе группы трансформаторов тока (со стороны первичной и вторичной обмоток защищаемого трансформатора) имеют одинаковое соединения, то даже при равенстве абсолютных значений токов и в цели реле будет значительный ток небаланса, обусловленный фазовым сдвигом этих токов. Составляющую тока небаланса в реле из – за фазового сдвига можно исключить, если со стороны обмоток трансформатора, соединенных в звезду, трансформаторы тока включить треугольником, а со стороны обмоток, соединенных в треугольник, трансформаторы тока включить звездой (рис. 5,б).

Если трансформатор снабжен устройством автоматического регулирования напряжения под нагрузкой (АРПН), то в процессе работы его коэффициент трансформации изменяется. Это вызывает увеличение токов небаланса и при внешних коротких замыканиях, когда токи и резко возрастают, может привести к ложному срабатыванию защиты. Предотвращение ложных действий защиты в таком режиме может осуществляться с помощью загрубления тока уставки (увеличения тока срабатывания реле). Однако это вызывает снижение чувствительности дифференциальной защиты к витковым замыканиям. Поэтому отстройка от внешних К.З. при наличии АРПН осуществляется иначе: торможением защиты токами внешних К.З. либо с помощью контроля направления токов в плечах защиты.

Параметры срабатывания дифференциальной защиты должны удовлетворять следующим двум условиям:

(8)

(9)

где наибольшее значение тока небаланса в реле дифференциальной защиты, приведенное к первичной стороне защищаемого трансформатора; коэффициенты запаса.

Первое условие обеспечивает отстройку защиты от бросков тока намагничивания трансформатора при его включении или восстановлении напряжения после отключения внешнего К.З. Для различных типов дифференциальных защит, применяемых в стоящее время, . Для защит, в которых не принято специальных мер по снижению чувствительности к броскам тока намагничивания (дифференциальная отсечка), принимают .Для реле РНТ-560 величину этого коэффициента принимают 1,3, для реле ДЗТ — 1,5, для реле РСТ и устройства ЯРЭ-2201 — 0,3—0,7.

Второе условие обеспечивает предотвращение ложного действия за щиты при внешних К.З., когда ток небаланса имеет наибольшее значение. Для защит с реле РТ-40,РСТ, устройства ЯРЭ-2201 принимают , для реле ДЗТ .

Разработаны модернизированные реле РНТМ – 560, а также специальные приставки к реле РНТ-560 и ДЭТ, для которых .

При вычислении тока небаланса учитывают три составляющие. Первая из них обусловлена различием характеристики, а следовательно, и полных погрешностей трансформаторов тока, установленных со стороны высшего и низшего напряжений. Вторая связана с изменением коэффициента трансформации трансформатора при регулировании напряжения поскольку при этом изменяется соотношение между токами и . Эта составляющая пропорциональна диапазону регулирования напряжения. Третья составляющая учитывает неполное выравнивания токов, сравниваемых в реле (токов в плечах циркуляции). Полагая, что в худшем случае эти составляющие складываются арифметически, наибольшее значение тока небаланса вычисляют по формуле;

(10)

где наибольший ток внешнего трехфазного к.з.; коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей тока к.з. (для защит с насыщающимися трансформаторами тока для остальных ); допустимая относительная полная погрешность трансформаторов тока, равная 0,1; - относительная погрешность обусловленная регулированием напряжения (принимается равной половине суммарного диапазона регулирования РПН); относительная погрешность от неточного выравнивания токов в плечах циркуляции защиты: . Если превышает 0,05(5 %), то необходимо осуществить принудительное выравнивание токов в плечах циркуляции с помощью автотрансформаторов или выравнивание м.д.с. в реле, с применяемых для дифференциальной защиты.

Дифференциальная токовая отсечка — наиболее простой вид дифференциальной защиты. Она выполняется при помощи реле тока по схемам, приведенным на рис. 5. Реле тока воздействуют на промежуточные реле с временем действия 0,03—0,06 с для того, чтобы защита не реагировала на первые (наиболее значительные) пики намагничивающего тока.

В условии (8) принимают . Так как ток срабатывания защиты велик, то она не реагирует на витковые замыкания.

Дифференциальная защита с промежуточными быстронасыщающимися трансформаторами тока.Эта защита более чувствительна, чем дифференциальная токовая отсечка. В ней используется реле типа РНТ-565, схема включения которого в однофазном изображении приведена на рис. 6. Реле состоит из быстронасыщающего трансформатора с трехстержневым магнитопроводом 1 и исполнительного органа 2 (релеРТ-40). На магнитопроводе имеются следующие обмотки: уравнительные и дифференциальная и рабочая и две обмотки короткозамкнутого контура. Уравнительные и дифференциальная бмотки секционированы и имеют отводы для регулировки числа витков. С их помощью добиваются для номинального режима условия . При этом результирующий (рабочий) магнитный поток в магнитопроводе 1 отсутствует и в катушке реле 2 тока нет. Таким образом осуществляется отстройка защиты от токов небаланса из-за неодинаковых значений и .

Магнитопровод 1 выполняется из стали с широкой и близкой к прямоугольной формой петли гистерезиса. При этом ток намагничивания защищаемого трансформатора со значительной апериодической составляющей в обмотку практически не трансформируется и реле 2 при включении трансформатора ложно не срабатывает. Таким образом, наличие в кривой тока апериодической составляющей как бы тормозит действие реле. Эффективность торможения можно резервировать резистором в цепи обмоток .

При коротком замыкании в зоне защиты ток равен нулю (при одностороннем питании) или изменяет свой знак (при двустороннем питании). В послед нем случае м.д.с.:

, (11)

Рис. 6. Схема дифференциальной защиты реле типа РНТ565

Созданный ею рабочий магнитный поток наводит в обмотке э.д.с. и реле 2 срабатывает.

Расчет токов срабатывания производят по выражениям приведенным в начале лекции. Причем .

Дифференциальная защита с торможением с реле ДЗТ. Такая за щита применяется в тех случаях, когда из-за внешних к.з. не удается обеспечить . В схеме защиты с реле ДЗТ в однофазном исполнении (рис. 7,а) для трехобмоточного трехстержневой сердечник 1 обладает такими же свойствами, как в реле РНТ, позволяя от страивать защиту от бросков тока намагничивания при включении. На сердечнике имеются обмотки: уравнительные и , дифференциальная и тормозная и рабочая . Все обмотки, кроме , имеют отпайки, что позволяет компенсировать ток небаланса, вызванный неравенством вторичных токов трансформаторов тока и регулировать эффективность торможения при внешних к.з.

Магнитный поток, создаваемый обмотками , замыкается по край ним стержням и наводит в обмотках одинаковые э. д. с. Однако обмотки включены так, что сумма этих э. д. с. в реле 2 равна нулю. Таким образом, ток тормозных обмоток в реле 2 не трансформируется. Этот ток лишь насыщает крайние стержни, увеличивая их магнитное сопротивление.

При внешнем к.з. увеличивается ток небаланса вследствие действия устройств РПН и погрешностей трансформаторов тока, увеличивается поэтому и результирующий (рабочий) магнитный поток в среднем сердечнике. Этот поток замыкается по крайним стержням и наводит в обмотках , э.д.с., которая может вызвать действие реле 2. Э.д.с. в обмотках зависит от магнитного сопротивления крайних стержней. При наличии тока в обмотках ухудшаются условия трансформации тока небаланса в обмотки , чем и обеспечивается торможение, т. е. снижение чувствительности защиты при внешних к.з.

Рис. 7. Схема защиты реле ДЗТ (а, в, г) и характеристики

срабатывания реле (б)

Чем большая м. д. с. создается током через тормозные обмотки реле, тем больший магнитный поток 1 требуется для срабатывания реле. Из характеристики срабатывания (тормозной характеристики) реле ДЗТ- 11, т. е. зависимости от (рис. 7. б), видно, что надежное несрабатывание при внешних к.з. обеспечивается, если значение находится в области, расположенной ниже касательной, проведенной к нижней кривой характеристики из начала координат. Для реле ДЗТ-11

При к.з. внутри зоны защиты м.д.с. создаваемая током рабочих обмоток, расположенных на среднем стержне магнитопровода 1 (рис. 7, а), оказывается больше, чем м. д. с. тормозных обмоток . При этом, несмотря на подмагничивание крайних стержней магкитопровода 1, ток в реле 2 достаточен для срабатывания последнего. При одностороннем питании трансформатора (см. рис. 7, а) тормозную обмотку подключают к трансформаторам тока вторичной (питаемой) стороны. Этим обеспечивается торможение только при внешних к.з. и отсутствие торможения при внутренних к.з., что повышает чувствительность защиты.

Токи небаланса , многообмоточных трансформаторов, имеющих источники питания с нескольких сторон, обычно больше, чем у двух обмоточных. Кроме того, эти токи при к.з. за разными обмотками многообмоточного трансформатора, как правило, неодинаковы. Тормозная обмотка реле в этом случае должна подключаться к трансформа торам тока той стороны защищаемого трансформатора, внешние к.з., на которой обусловливают наибольшие величины тока небаланса (7, в). Более эффективным является включение тормозной обмотки на сумму токов обеих питаемых сторон трехобмоточного трансформа тора (рис. 7, г), благодаря чему исключается влияние тормозной об мотки при к.э. в зоне действия защиты.

Ток срабатывания защиты с торможением находится по условию (8) при . Число витков уравнительных и дифференциальной (рабочей) обмоток вычисляется так же, как для защиты с реле РНТ. Число витков тормозной обмотки определяют исходя из условия, что бы отношение при внешних к.э. оказалось в области надежного несрабатывания II тормозной характеристики (см. рис. 7, б):

, (12)

где - значение пери одической составляющей тока при внешнем трехфазном к.з. на той стороне трансформатора, где включена тормозная обмотка; — расчетное число витков рабочей обмотки; , а для схемы, приведенной на рис. 7, г, .