Защиты трансформаторов от сверхтоков при внешних КЗ и перегрузок

Общие положения

В микропроцессорных устройствах, предназначенных для защит трансформаторов («Сириус – Т», «Сириус – Т3», защиты фирмы «ЭКРА» и т. д.) максимальные токовые защиты (МТЗ) предусматриваются для всех сторон защищаемого трансформатора. Схема подключения МТЗ для двухобмоточного трансформатора приведена на рис. 4.5а, а для двухобмоточного трансформатора с расщепленными обмотками на рис. 4.5б, для трехобмоточного трансформатора - на рис. 4.1. В последнем случае МТЗ устанавливаются на каждом расщеплении стороны НН.

Рис. 4.5. Максимальная токовая защита: а – для двухобмоточного понижающего трансформатора; б – для двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН

Резервные защиты трансформаторов в микропроцессорных терминалах выполняются на тех же принципах, что и защиты на электромеханических реле. Поэтому методы расчетов микропроцессорных резервных защит, в основном, не отличаются от методов расчета электромеханических и полупроводниковых защит, изложенных в «Руководящих указаниях» [3], на основании которых написана настоящая глава.

МТЗ в рассматриваемых терминалах являются резервными защитами и служат для отключения трансформатора при его повреждении и отказе основных защит, а также при КЗ на сборных шинах СН и НН или на отходящих от них присоединениях, если защиты или выключатели этих присоединений отказали в работе.

МТЗ сторон НН и СН являются единственными защитами секций своего напряжения, а также резервными защитами при отказах защит или выключателей отходящих присоединений.

В ряде терминалов МТЗ стороны НН выполняется двухступенчатой. В этом случае с помощью МТЗ одной ступени можно организовать чувствительную и быстродействующую логическую защиту секции.

На двухобмоточных трансформаторах с расщепленными обмотками стороны НН МТЗ устанавливаются в цепи каждой обмотки (рис. 4. 5б).

МТЗ НН1 и МТЗ НН2 с первой выдержкой времени действуют на отключение своих выключателей (Q1 или Q3), а со второй (на ступень селективности большей) - на отключение выключателя ВН Q2. МТЗ стороны ВН действует с выдержкой времени, равной второй выдержке времени МТЗ НН, тем самым осуществляя резервирование основных защит трансформатора и МТЗ стороны НН.

МТЗ стороны ВН трансформаторов 110-220 кВ должна подключаться к трансформаторам тока, вторичные обмотки которых соединены в «треугольник», что предотвращает неселективное действие защиты при КЗ на землю в сети с заземленной нейтралью. Для микропроцессорных терминалов трансформаторы тока со всех сторон защищаемого трансформатора рекомендуется собирать в «звезду». В этом случае «треугольник» собирается внутри терминала программным способом.

В микропроцессорных терминалах предусмотрено автоматическое ускорение МТЗ при включении своего выключателя, благодаря чему ускоряется его отключение в случае подачи напряжения на поврежденные шины. Ускорение выполняется с выдержкой времени с для отстройки от броска тока при включении.

Расчет максимальной токовой защиты

Ток срабатывания МТЗ определяется по условию отстройки от максимального тока нагрузки с учетом самозапуска питаемых двигателей. Для МТЗ стороны НН:

, (4.19)

где - коэффициент самозапуска, зависит от удаленности и процентного содержания в нагрузке двигателей. Можно принять равным 4÷4,5 для промышленных, 2,5 для городских и 2 для сельских сетей (уточняется расчетом);

- коэффициент отстройки, равен 1,2;

- коэффициент возврата, для микропроцессорных защит равен 0,92÷0,95;

- максимальный рабочий ток трансформатора в месте установки защиты.

Рис. 4.6. Нагрузка трансформатора при работе АВР.

СВ нормально отключен

В случае, когда на подстанции предусмотрено автоматическое подключение нагрузки при действии АВР (рис. 4.6), то ток срабатывания защиты определяется по выражению

, (4.20)

где - ток нагрузки секции I;

- ток нагрузки соседней секции II, на которую при отключении выключателя Q2 и включении секционного выключателя подается напряжение.

Ток срабатывания МТЗ стороны ВН выбирается по (4.19), где I_раб.max – максимальный рабочий ток стороны ВН.

Кроме того, максимальная токовая защита стороны ВН трансформатора должна быть согласована по чувствительности с аналогичной защитой, установленной на стороне НН трансформатора. Поэтому ток срабатывания защиты выбирается по выражению

, (4.21)

где = 1,1 – коэффициент согласования защит;

– максимальный рабочий ток стороны ВН.

Чувствительность защиты определяется по выражению

, (4.22)

где - минимальное значение тока при КЗ на стороне НН трансформатора в минимальном режиме при двухфазном КЗ.

В соответствии с ПУЭ [1] требуется обеспечить наименьший коэффициент чувствительности:

- при выполнении защитой функций основной защиты шин – примерно 1,5 (при КЗ на шинах);

- при выполнении защитой функций резервирования – примерно 1,2 (при КЗ в конце зоны резервирования).

Если чувствительность защиты оказывается недостаточной, то следует применить другие, более чувствительные защиты (МТЗ с пуском по напряжению, токовую защиту обратной последовательности, дистанционную).

Выдержка времени выбирается из условий селективности на ступень большее наибольшей выдержки времени защит отходящих от шин присоединений .

Если МТЗ стороны НН действует с двумя выдержками времени, то первая выдержка времени согласуется с временем действия защит отходящих присоединений

, (4.23)

где - максимальное время срабатывания защит присоединений, отходящих от шин НН;

- ступень селективности по времени, равна 0,2 – 0,3 с (по рекомендациям фирмы).

Если на подстанции предусмотрено АВР (рис.4.6), то выдержка времени МТЗ секционного выключателя выбирается по (4.23), а первая выдержка времени МТЗ стороны НН выбирается на ступень селективного Δt больше, чем МТЗ секционного выключателя

. (4.24)

С этой выдержкой времени защита отключает выключатель стороны НН. Со второй выдержкой времени защита действует на отключение выключателя ВН.

. (4.25)

Для трехобмоточного трансформатора выдержка времени стороны СН согласуется с временем действия защит присоединений, отходящих от шин СН. Защита также действует с двумя выдержками времени:

- на отключение выключателя стороны СН

; (4.26)

- на отключение выключателя стороны ВН

. (4.27)

Выдержка времени МТЗ стороны ВН выбирается равной большей выдержке времени из и .

. (4.28)

Расчет максимальной токовой защиты с пуском по напряжению

При использовании в защите пуска по напряжению защита от самозапуска электродвигателей отстраивается по напряжению, поэтому ток срабатывания защиты выбирается по условию отстройки от номинального тока трансформатора:

(4.29)

Чувствительность защиты по току определяется по (4.22).

Для защиты, как правило, используется комбинированный пуск по напряжению, выполненный с помощью реле минимального напряжения, включенного на междуфазное напряжение, и реле напряжения, реагирующего на напряжение обратной последовательности.

Напряжение срабатывания минимального реле напряжения выбирается по двум условиям:

- возврата реле после отключения внешнего КЗ;

- отстройки от напряжения при самозапуске двигателей после действия АВР.

С учетом указанных условий напряжение срабатывания может быть принято равным

, (4.30)

где - междуфазное напряжение соответствующей стороны трансформатора (НН или СН).

Чувствительность для реле минимального напряжения определяется по формуле

, (4.31)

где - междуфазное напряжение в месте установки защиты при трехфазном КЗ в расчетной точке в режиме, когда это напряжение будет максимальным;

- коэффициент возврата реле напряжения.

Напряжение срабатывания реле напряжения обратной последовательности для обеспечения отстройки от напряжения небаланса нормального режима принимается равным

(4.32)

Для реле напряжения обратной последовательности

, (4.33)

где - междуфазное напряжение обратной последовательности в месте установки защиты при КЗ между двумя фазами в расчетной точке.

В соответствии с ПУЭ [1] коэффициенты чувствительности по напряжению должны быть такими же, как по току.

Чувствительность указанных реле напряжения при КЗ на шинах низшего и среднего напряжения трансформатора, как показывают расчеты, всегда обеспечивается. Поэтому проверка их чувствительности в учебном проектировании может не производиться.

Согласование защит сторон трансформатора по чувствительности и по времени выполняется так же, как и у максимальных токовых защит.