Выбор вида защит силовых трансформаторов

На выбор вида защит силового трансформатора влияет несколько факторов: высшее напряжение трансформатора, его мощность, а также требования предъявляемые ПУЭ к данному силовому трансформатору. Для защиты трансформаторов используется несколько видов защит: плавкие предохранители, токовая отсечка, дифференциальная защита, максимальная токовая и газовая защиты.

Силовые трансформаторы потребительских подстанций напряжением 10/0,4 кВ и трансформаторы с высшим напряжением 35 кВ мощностью до 1 мВА защищают плавкими вставками. Ток плавкой вставки от бросков тока намагничивания трансформатора должен быть в 2-2,5 раза больше его номинального тока. Значения токов плавких вставок для трансформаторов разного класса, напряжения и мощности можно найти по справочным данным. Из условия выбора видно что предохранитель защищает трансформатор только от коротких замыканий. Время срабатывания плавких вставок должно обеспечивать термическую стойкость трансформатора. Согласно ГОСТ 11677-75 продолжительность короткого замыкания на зажимах трансформатора не должна превышать следующего значения [8]

t _к = 1500/Кр², (1.56)

где Кр – кратность максимального расчетного тока короткого замыкания по отношению к номинальному.

В соответствии с требованиями ПУЭ [2] трансформатор должен иметь защиту от междуфазных коротких замыканий внутри обмоток и на вводах, от перегрузок, от внешних межвитковых замыканий и от аварийного снижения уровня масла в баке.

Токовая отсечка. Для трансформаторов напряжением 100…35/10 кВ мощностью до 4 мВА в качестве защиты от междуфазных коротких замыканий применяют токовою отсечку. Ток срабатывания отсечки

I_с.о. ³ k_н × I_кмах⁽³⁾, (1.57)

где k_н – коэффициент надежности, зависящий от типа реле;

I_кмах⁽³⁾ – максимальное значение тока на шинах низшего напряжения трансформатора, приведенное к стороне не высшего напряжения, определяется с учетом РПН.

Ток срабатывания реле:

I_с.р. = × К_сх, (1.58)

По найденному току выбирают установку реле I_у ³ I_ср. Коэффициент чувствительности определяют по формуле:

К_ч = , (1.59)

где I_pmin – минимальное значение тока в реле при двух фазном коротком замыкании на выводах высшего напряжения трансформатора.

Коэффициент чувствительности токовой отсечки должен быть равен примерно 2 [8].

Дифференциальные защиты. Если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, то необходимо применить более сложную дифференциальную защиту. Возможны два основных способа выполнения продольных защит: применение самостоятельных защит для каждой обмотки или общей для всех обмоток. Недостатками первого варианта являются следующие: зашита не реагирует (во многих исполнениях) на относительно частый вид повреждения – витковые короткие замыкания;

Необходимо устанавливать дополнительные трансформаторы тока у выводов фаз к нейтралям и в обмотках соединенных в треугольник, и большее число комплектов реле. Поэтому на практике как правило применяется второй вариант, общая защита для всех обмоток [13]. В соответствии с ПУЭ [2] продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени должна предусматриваться на трансформаторах мощностью 6,3 мВА и выше, а также на трансформаторах 4 мВА при их параллельной работе и на трансформаторах меньшей мощности, но не менее 1 мВА, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 с.. Кроме того дифференциальная защита предусматривается на трансформаторах, установленных в районах подверженных землетрясениям, поскольку газовая защита трансформатора здесь может действовать только на сигнал. В России выпускается специальные реле для дифференциальных защит трансформаторов распределительных сетей серии РНТ – 560 и ДЗТ – 10. На двух и трехобмоточных силовых трансформаторах, автотрансформаторах, без регулирования напряжения под нагрузкой обычно применяются реле серий РНТ с насыщающимися трансформаторами тока НТТ и короткозамкнутой обмоткой. Для защиты силовых трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой, как правило применяют реле серий ДЗТ – 10 с НТТ и магнитным торможением сквозным, циркулирующим током дифференциальной защиты. Исключения могут составлять трансформаторы с малыми значениями токов короткого замыкания при повреждениях на стороне низшего напряжения, для которых более высокую чувствительность обеспечивают реле РНТ благодаря лучшей отстройке от бросков тока намагничивания. Для трансформаторов большой мощности выпускаются полупроводниковые сложные реле серии ДЗТ – 20, позволяющие выполнить дифференциальную защиту с током срабатывания, значительно меньшим номинального тока трансформатора. В сравнительно редких случаях дифференциальной защиты, используются обычные токовые реле серии РТ – 40 [11].

Существует несколько вариантов выполнения дифференциальных токовых защит. Дифференциальная токовая отсечка, это защита с обычными реле без выдержки времени, с отстройкой от всех видов токов небаланса I_н.б., возникающих при выборе трансформаторов тока со стандартными значениями коэффициентов трансформации отличающихся от требуемой величины коэффициентов трансформации, соответствующим выбором тока срабатывания защиты приведена на рис.1.22. На основании экспериментальных данных при близких значениях токов плеч в рабочих режимах можно иметь:

I_с.з.» (3,5¸4,5) I_ном.т.,

Рассмотренный вид дифференциальных защит применяют на трансформаторах небольшой мощности, если обеспечивает приемлемую чувствительность и не требует выравнивания токов плеч, а также в качестве резервной к более чувствительным, но и значительно более сложным дифференциальными защитами [6].

 

РТ

РУ

РП

В1

-1

 

 

+1

+1

+2

 

 

-1

В2

-2

 

Рис.1.22. Однолинейная принципиальная схема дифференциальной токовой отсечки.

Защита с промежуточными насыщающимися трансформаторами. Однолинейная схема защиты с реле типа РНТ приведена на рис.1.23. Промежуточный насыщающийся трансформатор тока имеет одну дифференциально включенную первичную рабочую обмотку, две уравнительные обмотки и две части короткозамкнутой обмотки соответственно с числами витков W_раб.н., W_раб.в, W_урI, W_урII, W’_кз, W’’_кз. Промежуточный НТТ имеет два назначения:

- отстраивать защиту от переходных токов небаланса I_нб обусловленных бросками тока намагничивания защищаемого элемента, когда Í_нб содержат апериодические слагающие;

- короткозамкнутые обмотки НТТ усиливают при этом эффективность отстройки;

- косвенно выравнивать токи I_Iв и I_Iiв плеч защиты путем выравнивания магнитодвижущих сил, определяемых этими токами.

 

 

 

 

Рис. 1.23. Однолинейная принципиальная схема дифференциальной токовой защиты с промежуточными насыщающимися трансформаторами тока.

В случаях когда расчетным условием для выбора тока срабатывания защиты I_с.з является отстройка от токов небаланса I_н.б, определяемых не бросками тока намагничивания I_нам.бр., а токами максимальными внешними I_вн.мах. на практике часто используются схемы, имеющие дополнительно магнитное торможение. Однолинейная схема защиты с реле типа ДЗТ – 1 приведена на рис.1.24. Для нее используется НТТ примерно того же исполнения что и для схемы рис.1.23. Дополнительно на нем располагается тормозная обмотка с W_торм. обычно обеими катушками включаемая на ток одного из плеч, и отсутствуют короткозамкнутые обмотки, что ухудшает отстройку от переходных токов небаланса I_нб.

 

 

 

Рис.1.24. Однолинейная принципиальная схема дифференциальной токовой защиты с магнитным торможением.

Тормозная обмотка обеспечивает «магнитное» торможение – автоматическое увеличение тока срабатывания защиты I_с.з. при возрастании I_торм. посредством насыщения магнитной системы НТТ от тока I_вн. и ухудшение вследствие этого магнитной связи между W_раб.п. и W_раб.в. Тормозная обмотка не оказывает существенного влияния на отстройку от тока намагничивания, с учетом этого при одностороннем питании её целесообразно включать на ток питаемой стороны, что исключает торможение при внутренних коротких замыканиях [13].

Схемы соединения трансформаторов тока, при выборе дифференциальной защиты, со стороны высшего и низшего напряжения выбирают с учетом схемы соединения обмоток силового трансформатора. Коэффициенты трансформации трансформаторов тока определяют так, чтобы значения токов в плечах дифференциальной защиты I₂₁, I₂₂ рис.1.25. были по возможности одинаковые.

 

I₂₁

ТА1 W_ур1

 

Т W_р

 

 

ТА2 W_ур2

 

W_т

I₂₂

 

К1

 

Рис. 1.25 Схема дифференциальной защиты.

W_ур1, W_ур2 – уравнительные обмотки

W_р – рабочая обмотка

W_т – тормозная обмотка

Для расчета защиты необходимо знать максимальные и минимальные значения тока короткого замыкания в точке К1 с учетом изменения сопротивления системы с силового трансформатора при работе устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

Расчет дифференциальной защиты начинают с определения токов в ее плечах, исходя из мощности силового трансформатора, за основную сторону принимают ту где протекает большой ток. Ток срабатывания дифференциальной защиты рассчитывают по двум условиям:

- отстройки от броска тока намагничивания силового трансформатора

I_с.з. = k_н × I_ном.,

где k_н – коэффициент надежности зависит от типа реле для

РТ – 40 k_н = 3…4; для РНТ k_н = 1,3, для ДЗТ k_н = 1,5;

I_ном = номинальный ток силового трансформатора.

- отстройки от внешних коротких замыканий.

I_с.з. = k_н (k_одн × k_a e + ∆U_*p + f_выр) I_кмах⁽³⁾,

где k_одн – коэффициент однотипности трансформаторов тока, при защите силовых трансформаторов k_одн = 1;

k_a – коэффициент учитывающий влияние апериодической составляющей;

e - относительная погрешность трансформаторов тока, e = 0,1;

∆U_*p – половина диапазона регулирования напряжения силового трансформатора, в относительных единицах;

f_выр – погрешность, обусловленная неточностью установки расчетного числа витков;

I_кмах⁽³⁾ – периодическая составляющая тока внешнего короткого замыкания с учетом РПН трансформатора.

Ток срабатывания реле:

I_ср = ,

где К_I – коэффициент трансформации трансформатора тока;

К_сх – коэффициент схемы, зависит от схемы соединения трансформаторов тока

Для дифференциальной отсечки реле РТ 40 ток срабатывания является током установки. Для защит с дифференциальными реле определяется число витков основной стороны дифференциальной защиты:

W_осн = ,

где F_ср – намагничивающая сила срабатывания реле, для реле РНТ 565 и ДЗТ – 11 F_ср = 100 Ампервитков.

Число витков не основной стороны определяется из соотношения:

I_200н × W_осн = I_2носн × W_носн,

Для схемы изображенной на рис. 1.25. число витков основной и не основной сторон включают в себя сумму витков рабочей и соответствующей уравнительной обмотки. Для защит с реле ДЗТ по максимальному значению тока небаланса I_нб определяется число витков тормозной обмотки:

W_т = К_н × ,

где tga - тангенс угла наклона тормозной характеристики (для реле ДЗТ tga = 0,75…0,8).

Защита от внешних коротких замыканий и перегрузок. Для защиты трансформатора от внешних коротких замыканий применяют максимальную токовую защиту. Однолинейная схема максимальной токовой защиты приведена на рис.1.26.

Ток срабатывания реле определяется по формуле:

I_с.з.вн. = К_н.с. × I_сзнн.,

где К_н.с. – коэффициент согласования зависит от типов реле защиты установленных на вводах низшего и высшего напряжений;

I_сзнн. – ток срабатывания защиты ввода низшего напряжения приведенный к высшему напряжению.

 

РВ

РТ

На выходное

промежуточное реле

 

 

+ +

 

-

 

 

 

Рис.1.26. Однолинейная схема максимальной токовой защиты.

I_с.р = ,

Установка реле по току должна быть не менее расчетного тока срабатывания. Установку по времени определяют по карте селективности. Защита действует на отключение.

Защиту от перегрузки выполняют токовым реле установленным в одной фазе. Это объясняется тем что перегрузки обычно бывают симметричными. Защиты работают с выдержкой времени большей, выдержки времени защит от короткого замыкания, обычно на сигнал. Схема токовой защиты от перегрузок приведена на рис.1.27.

Ток срабатывания реле:

I_с.р = ,

где К_в – коэффициент возврата, зависит от типа реле.

 

 

 

+ +С на сигнал

РВ

ТА1

 

-

 

Т

+

		РТ

 

ТА2

 

 

Рис.1.27. Принципиальная схема токовой защиты от перегрузок.

 

Газовая защита реагирует на все виды внутренних повреждений в том числе и на витковые замыкания, при которых другие применяемые стандартные виды защит могут не срабатывать. Витковые замыкания как и другие виды коротких замыканий сопровождаются местным нагревом, а во многих случаях и горением электрической дуги. Это приводит к разложению трансформаторного масла и изоляционных материалов и образованию газов, в результате чего и действует газовая защита. Основным органом газовой защиты является газовое реле. Его устанавливают между баком трансформатора и расширителем. Раньше нашей промышленностью выпускались поплавковые реле ПГ – 22, а затем чашечковые типа РГ 43. Но с начала 70-х годов на отечественные силовые трансформаторы устанавливаются более надежные газовые реле Бухгольца типа BF – 80/Q производства Германии. Кроме того, что газовые реле защищает трансформатор при внутренних коротких замыканиях оно еще реагирует на аварийное снижение уровня масла в баке трансформатора. Газовое реле Бхгольца работает как на сигнал, так и на отключение. Установка газовой защиты обязательно на трансформаторы мощностью 6,3 мВА и более [10].

После анализа выше перечисленных типов защит для трансформатора мощностью 6,3 мВА с высшим напряжением 110 кВ выбираются: для защиты от внутренних коротких замыканий и аварийного снижения масла газовая защита;

Для защиты от внешних коротких замыканий дифференциальная продольная токовая защита.