Устройство и особенности МТЗ
Принцип действия максимальной токовой защиты трансформатора подобен принципу работы токовой отсечки. Сигнал выключения электропитания формируется при условии роста потребляемого тока выше порогового значения (уставки). Различаются эти системы лишь тем, что отсечка действует практически без задержки, а максимальные токовые защиты трансформаторов выключает питание спустя некоторое время, именуемое выдержкой времени.
Ее размер зависит от расположения защищаемого устройства. Он должен быть тем меньше, чем дальше находиться участок сети от источника питания (ИП). Для самых удаленных потребителей она делается как можно меньшей. А МТЗ участка электросети, расположенного ближе срабатывает с выдержкой, превышающей минимальную на величину ступени селективности.
Которая зависит от времени срабатывания защитного устройства. Это необходимо для того, чтобы после появления неисправности в какой-либо части системы защитная аппаратура более близкой области не сработала раньше, той в которой появился дефект. Если же автоматика вышедшего из строя участка не среагирует, то по окончании времени выдержки придет в действие защитное устройство более близкой к ИП области. Оно и отключит поврежденную область вместе со своей.
Из сказанного выше следует, что принцип действия токовой мтз трансформатора предъявляет к выдержке 2 противоположные требования. Чтобы исключить преждевременное обесточивание потребителей расположенных к ИП ближе места аварии она должна быть несколько больше времени срабатывания МТЗ. И в то же время как можно меньше для сведения ущерба от КЗ к минимуму.
Классификация
МТЗ трансформатора в зависимости от характера связи времени выдержки с величиной тока КЗ делят на 3 основные группы:
- Зависимые. Эту группу составляют МТЗ с обратной нелинейной зависимостью выдержки времени от тока. График, отражающий связь этих параметров, является кривой формой напоминающую гиперболу. МТЗ защита трансформатора такого типа дает возможность считаться с перегрузочной способностью электрооборудования, и выполнять защиту от токовых перегрузок.
- Ограниченно зависимые. Максимальная токовая МТЗ защита трансформатора, относящаяся к этой группе, объединяет в себе характеристики 2 предыдущих. А именно: рост тока до определенного значения пропорционально сокращает время срабатывания. Дальнейшее же увеличение первого не приводит к снижению выдержки времени. Поэтому изображение зависимости этих параметров является гиперболой, переходящей в прямую линию.
Встречается также комбинированный вид защиты МТЗ. Он отличается большей помехозащищенностью и меньшим числом ложных срабатываний. Принцип действия этой мтз трансформатора состоит в том, что необходимость отключения питания определяется не только по росту потребляемого тока, но и по снижению питающего напряжения. Что достигается сочетанием токовой защиты с реле минимального напряжения. Такая конфигурация не допускает отключения питания в момент запуска мощного электродвигателя, когда возникает значительный быстрый рост потребляемой мощности на участке сети. Так как сработка токовой защиты блокируется из-за отсутствия падения напряжения.
Инсталляция МТЗ
При КЗ электроток идет от источника питания к месту замыкания.
Поэтому чем ближе к ИП установлен блок защитного устройства, тем обширнее участок сети на возникновение, неисправности в котором она будет реагировать. К примеру, рассмотрим защиту понижающего трансформатора. Автоматика, установленная на кабель высокого напряжения ближе к ИП, среагирует на возникновение неисправности этого кабеля, устройств коммутации, самого трансформатора, проводки низкого напряжения и подключенных к ней потребителей. А при ее установке на шины пониженного напряжения возникающие дефекты трансформатора и подвода питающего напряжения останутся «незамеченными».
Следовательно, для максимального контроля участка сети защитой ее необходимо устанавливать на кабель, подающий питание возможно ближе к источнику. Но 1 защитное устройство для всего участка сети удобно в эксплуатации только при небольшом количестве потребителей на нем. Так как защитное отключение участка с большим числом электроприемников, во-первых, обесточивает не только вышедшей из строя потребитель, но и все исправные. А во-вторых не позволяет определить, в какой зоне произошла авария. Поэтому для удобства работы и облегчения содержания электросети в исправном состоянии следует также установить автоматику на стороне низкого напряжения.
Определение защитных параметров
Задание уставок МТЗ с блокировкой по напряжению сводятся к выбору значений выдержки времени, а также тока и напряжения срабатывания. Юстировка независимых МТЗ ограничивается подбором тех же параметров, что в предыдущем случае. Для максимальных токовых защит с зависимой и ограниченно зависимой связью понятие тока срабатывания корректируется.
Оно означает его величину, которая ставит систему на грань срабатывания, но еще недостаточна для сработки. Время же задается для независимого участка ограниченно зависимой время токовой взаимосвязи. Причем иногда оно назначается для тока, превышающего номинальный более чем в 10 раз. Как, например, в некоторых моделях автомата «Электрон».
Уставки
Требования к току срабатывания.
- Достаточность для уверенного определения аварийных ситуаций.
- Исключение случаев срабатывания автоматики при максимальных рабочих токах потребителей и их поставарийных перегрузках. Для этого ток сработки должен превышать наибольший ток потребителя, и перегрузки после восстановления питания.
- Согласование устройства по всем параметрам срабатывания с автоматикой соседних участков электросети. Находящихся как ближе к ИП (в основной зоне), так и дальше от него (в зоне резервирования).
Рис. 1 Защитные зоны
Ток возврата реле в исходное положение должен быть больше рабочего тока участка сети, после устранения КЗ. Для того чтобы отключение аварийного участка оператором автоматически приводило к восстановлению питания других, обесточенных защитным устройством потребителей.
Некоторые схемные решения
Трехфазное устройство защитного отключения (УЗО). Чувствительно ко всем типам замыкания любой фазы. Основой этого устройства являются токовые реле 1. Они срабатывают при подаче на них сигнала КЗ. Их нормально разомкнутые контактные группы запараллелины, поэтому срабатывание любого из них приводит к пуску времязадающего реле 2.
По истечении установленного промежутка времени оно включает реле-повторитель 3, срабатывающее без задержки и подающее на выключатель сигнал отключения. Реле 3 необходимо в случае, когда мощность катушки выключателя слишком велика для исполнительных контактов реле времени. Реле 4 (блинкерное) служит для индикации срабатывания выключателя. Оно подключается последовательно катушке выключателя. Поэтому его срабатывание происходит одновременно с выключателем УЗО, а выпавший в результате этого блинкер (сигнализатор) указывает на факт отключения питания участка.
Двухфазное УЗО. Отслеживает все межфазные КЗ и замыкание 2 из 3 фаз с землей на участке сети. Не имеет принципиальных отличий от трехфазного устройства. К ее преимуществам можно отнести более низкую стоимость за счет меньшего количества комплектующих и монтажных проводов. А также лучшую селективность при замыканиях с землей в 2 различных точках.
Недостатки: меньшая чувствительность при КЗ во вторичных обмотках понижающего трансформатора. Благодаря своим качествам этот тип устройств часто используется в электросистемах с изолированной нейтралью. При необходимости повышения чувствительности на нулевой провод устанавливают дополнительное токовое реле.
Защита трансформатора от перенапряжения и перегрузки
Среди электроустановок, применяемых для преобразования и передачи электроэнергии, трансформаторы являются наиболее дорогими устройствами. Тем не менее они способны работать без перебоя в течении всего срока эксплуатации, и даже более того, но при условии, что на прибор не будут воздействовать аварийные режимы. Для борьбы с любыми нарушениями нормальной работы на практике применяется защита трансформаторов.
Виды повреждений
Рис. Повреждения трансформаторов
В связи с тем, что трансформатор включается в работу совместно с другими устройствами, любые повреждения на питающей линии, в низковольтных цепях или внутри бака одинаково опасны.
Среди актуальных видов аварий следует отметить следующие:
- Короткое замыкание между обмотками;
- Замыкание обмотки на корпус;
- Межфазные замыкания в линии;
- Межвитковые замыкания;
- Повреждение встроенного оборудования;
- Перегрев мест подключения, электрических контактов;
- Обрыв в цепи, нарушение целостности точек подключения или обмоток;
- Нарушение крепления железа, расшихтовка листов при ослаблении стяжек ярма с последующим перекрытием или разрушением витков.
Разновидности защит и их суть
Все защиты для трансформаторов должны обладать достаточным быстродействием, чтобы вовремя отключить опасный режим. Так как при возникновении сверхбольших электрических величин он запросто приведет к разрушению изоляции, отпуску металла, возгораниям и прочим неприятным последствиям.
Для предотвращения перегрузок выполняется установка того или иного вида защиты на трансформатор. Какая именно защита используется на понижающих подстанциях, в оборудовании распределительных устройств, определяется местными условиями и особенностями режима работы.
Продольная дифференциальная защита
Область применения дифференциальной токовой защиты охватывает как сам силовой трансформатор, так и окружающие его присоединения вплоть до измерителей токовой нагрузки. Нормальным режимом работы каждого трансформатора считается равномерное перераспределение нагрузки между всеми тремя фазами, когда электрический ток в каждой из них получается приблизительно одинаковым.
Продольные дифференциальные защиты осуществляют сравнение токовой нагрузки во всех фазах. Так как ток примерно одинаков, то их геометрическая сумма должна равняться нулю. В результате сравнения получается, что токовая составляющая отсутствует или слишком мала для реакции. Но, как только произойдет замыкание одной фазы или сразу между несколькими, токи в них перестанут компенсировать друг друга, и их сумма будет отличаться от нуля, сработает дифференциальная отсечка.
Рис. Пример дифференциальной защиты
Релейная
Для предотвращения повреждения трансформаторов применяется достаточно большое количество релейных защит. Однако отдельного внимания заслуживает реле контроля уровня масла. Этот вид предусматривает контроль за состоянием изоляционной среды. Конструктивно реле представляет собой поплавок с контактами, который удерживается выше контактов цепи срабатывания.
Если аварийный режим приведет к утечке масла и последующему снижению менее нормы, после которой может произойти пробой, произойдет отключение. Может располагаться в основном баке или иметь резервную релейную защиту в расширителе, которая предварительно даст сигнал о начале процесса.
Тепловая
Основой для тепловой защиты в трансформаторах служит классическая термопара. Место ее расположения определяется типом устройства, его мощностью и габаритами, так как перегрев может привести к нарушению изоляционных свойств, привести к термическому расширению масла.
К наиболее эффективным местам размещения относятся:
- в верхней части бака;
- у высоковольтных вводов;
- в обмотках.
Имеет две ступени – первая производит включение резервных вентиляторов или других средств охлаждения. Вторая, если первой не удалось сбросить перегрев ниже предельного значения, производит отключение трансформатора.
Токовая отсечка
Данный вид защиты применяется для отключения повреждения, которое могло возникнуть внутри трансформатора. Она размещается со стороны вводов защищаемого трансформатора, однако воздействие охватывает все обмотки, с которых может быть подано напряжение. Особенностью ее применения является схема питания, которая используется в соответствующей линии.
Так для трехфазных цепей с изолированной нейтралью токовая отсечка должна устанавливаться в двух фазах. А при использовании цепей с глухозаземленной нейтралью защита должна применяться в каждом фазном присоединении. При отключении трансформатора полностью отсутствует какая-либо выдержка времени.
Недостатком отсечки является срабатывание исключительно на токи большой величины. Поэтому некоторые межфазные КЗ, межвитковых или КЗ на землю в цепи с изолированной нейтралью могут остаться незамеченными. На практике это один из самых простых способов, отключающих трансформатор в аварийном режиме.
Газовая защита
Газовое реле, как вид защиты, нашло широкое применение в маслонаполненных трансформаторах, где роль диэлектрика, разделяющего токоведущие элементы и заземленную конструкцию корпуса, выполняет трансформаторное масло. В нормальном режиме работы понижающие трансформаторы не воздействуют на жидкий диэлектрик, и масло пребывает в постоянном физическом состоянии.
Но, в случае возникновения межвитковых замыканий, контакта проводников со сталью или других ситуаций внутри бака горение дуги или разогрев металла приводит к локальному закипанию масла. От этого места и начинается выделение газов, которые поднимаются в верхнюю точку емкости.
Рис. Пример газовой защиты
Для всей емкости верхняя точка – это расширительный бак, поэтому устанавливают газовое реле в соединительной трубе между расширителем и баком трансформатора. Конструктивно газовая защита представляет собой поплавок, с двумя контактами. При погружении в масло поплавок находится в незамкнутом положении. Как только выделившиеся газы поднимутся по трубе, поплавок упадет и замкнет контакты, масляный трансформатор отключится.
Струйная защита
Используется в трансформаторах с первичными и вторичными обмотками на 110, 35, 10, 6, 3,3кВ, где присутствует возможность переключения величины напряжения под нагрузкой. Устройство РПН, как правило, размещается в отдельном баке внутри основного, который изолирует его от высоковольтных обмоток. Переключение позиций РПН под нагрузкой может обуславливать как штатные коммутационные явления, так и аварийные. Последние приводят к выбросу масла от бака к расширителю.
Для реакции на такие повреждения и устанавливается струйная защита, так как поток масла от РПН активирует измерительный датчик. Далее происходит отключение выключателя, который обесточит обмотки трансформатора.
Максимальная токовая защита
Рис. Пример максимальной токовой защиты
Максимальная токовая защита применяется для срабатывания в ответ на токи КЗ, расположенные в непосредственной близости к источнику. Сюда относятся повреждения как на обмотках, так и на ближайших шинах подстанции, в окружающем оборудовании и ит.
На практике выделяют большое количество вариантов исполнения МТЗ:
- От внутренних и внешних КЗ;
- МТЗ с комбинированным пуском по напряжению;
- МТЗ с пуском по напряжению и фильтром напряжения обратной последовательности;
- Обратной последовательности комбинированная с устройством против трехфазных КЗ;
Помимо аварийных режимов для МТЗ может устанавливаться режим защиты от перегрузки. Для этого устанавливается ток срабатывания в определенных пределах. Уставка выбирается исходя из максимального значения нагрузки, чтобы не происходило срабатывания автоматического выключателя в нормальном режиме работы.
Токовая защита нулевой последовательности
Рис. Пример токовой защиты нулевой последовательности
Предназначена для защиты трансформатора от возможного замыкания как одной, так и двух фаз на землю. Это те ситуации, когда в трехфазной системе нарушится симметрия нагрузки и относительно нулевой точки сумма токов больше не будет равна нулю.
Равновесие системы нарушится, что и спровоцирует отключение питания спустя заданный временной промежуток. Часто комбинируется с АПВ, тогда через несколько секунд происходит повторное включение выключателя, на случай если замыкание самоустранилось.
Специальная резервная защита
Специальная резервная защита предназначена для автономного резервирования МТЗ по токовым цепям. Может использоваться как по высокой, так и по низкой стороне трансформатора. Их действие нацелено на первичные и вторичные максимальные токи, которые могут возникнуть в непосредственной близости от защищаемого объекта. Работа СРЗ, как правило, имеет выдержку по времени относительно основных МТЗ по стороне 110 – 220 кВ.
Токовая ступенчатая защита
Как и предыдущий вариант, представляет собой разновидность МТЗ, которая выстраивается в ключе последовательности срабатывания для разных обмоток. Широко используется в цепях, где потребители подключаются к источнику с большими пусковыми токами. Однако чувствительность максимальной защиты имеет дополнительную привязку к напряжению, что и обеспечивает блокировку автоматического отключения в случае запитки слишком мощной нагрузки, так как просадка напряжения не достигает установленного предела.
Ступени отстраиваются с таким временным промежутком, чтобы воздействие на выключатели нагрузки производились после основной токовой защиты.
Защита от минимального напряжения
В случае снижения питающего напряжения возможны два варианта развития событий – удаленное короткое замыкание, которое другими защитами распознается как большая нагрузка или подключение слишком большой суммарной нагрузки. И тот и другой вариант пагубно сказывается на работе трансформатора, поэтому и при аварийном режиме, и при перегрузке устанавливается выдержка времени, после которой происходит один из таких вариантов:
- отключение аварийного участка;
- вывод неприоритетных потребителей из работы;
- автоматическое включение резерва.
Видео по теме
Продольная дифференциальная защита — от КЗ всех видов в обмотках и на их выводах; применяется на трансформаторах начиная с мощности 6,3 MB -А, но может устанавливаться и на трансформаторах меньшей мощности (но не менее 1 MB -А).
Токовая отсечка без выдержки времени — от КЗ всех видов на выводах трансформатора со стороны питания; применяется на трансформаторах, не оборудованных продольной дифференциальной защитой.
Газовая защита — от всех видов повреждений внутри бака (кожуха) трансформатора, сопровождающихся выделением газа из трансформаторного масла, а также от понижения уровня масла в баке; в соответствии с ГОСТ 11677—85 газовое реле устанавливается на всех масляных трансформаторах с расширителем начиная с мощности 1 MB -А, в связи с чем для таких трансформаторов должны быть выполнены и электрические цепи газовой защиты. Для сухих трансформаторов выполняется манометрическая защита (§ 2).
Максимальная токовая защита со стороны питания— от КЗ всех видов на выводах и внутри трансформатора, а также от внешних КЗ, т. повреждений на шинах щита НН и на отходящих линиях НН (на случай отказа их собственных защитных и коммутационных аппаратов).
Специальная токовая защита нулевой последовательности— от КЗ на землю в сети НН, работающей с глухозаземленной нейтралью.
Специальная резервная максимальная токовая защита — от междуфазных КЗ в сети НН (при недостаточной чувствительности к КЗ в зонах дальнего резервирования максимальной токовой защиты по п.
Максимальная токовая защита в одной фазе — от свертоков, 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.
Защита (сигнализация) от однофазных замыканий на землю в обмотке или на выводах трансформатора, а также на питающей линии 10 кВ.
Рис. Типы и реле защит трансформаторов 10/0,4 кВ (обозначения приведены в тексте)
Функциональные схемы релейной защиты трансформаторов 10 кВ. Релейная защита трансформаторов может выполняться с помощью вторичных реле прямого или косвенного действия. Вторичными называются реле, включенные через измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Реле прямого действия выполняют функции измерительного органа тока (напряжения) и одновременно — электромагнита отключения выключателя (ЭО). В нашей стране выпускаются вторичные токовые реле прямого действия мгновенные (РТМ) и с выдержкой времени (РТВ). Они используются, для защиты понижающих трансформаторов с высшим напряжением 6 и 10 кВ, имеющих на стороне ВН выключатель.
Рис. Функциональные схемы релейной защиты понижающего трансформатора с реле прямого (а) и косвенного (б) действия
В некоторых случаях с помощью реле прямого действия осуществляется защита трансформаторов 35 кВ, также при наличии выключателя на стороне ВН.
Токовые реле прямого действия используются для выполнения токовой отсечки и максимальной токовой защиты (без пускового органа напряжения) на трансформаторах мощностью, как правило, не более 1,6 MB -А. Это объясняется тем, что реле прямого действия менее точные, чем реле косвенного действия, имеют меньший коэффициент возврата и, следовательно, защита с реле прямого действия получается менее чувствительной (§ 8). Функциональная схема защиты с реле прямого действия очень проста (рис. 14,а).
Для защиты более мощных трансформаторов 10/0,4 кВ, 10/6 кВ, 10/10 кВ (§ 1) используются реле косвенного действия. Релейная защита на этих реле имеет значительно более сложную функциональную схему (рис. 14,6). Измерительная часть защиты состоит из измерительных органов (реле), которые не прерывно получают информацию о состоянии защищаемого объекта от трансформаторов тока ТТ и трансформаторов напряжения ТН.
Рис. Примеры выполнения логических операций с помощью контактных схем и условные обозначения операций
Когда измеряемая величина (ток, напряжение) достигнет заранее заданного значения, называемого параметром срабатывания или уставкой, измерительный орган срабатывает и подает сигнал на логическую часть защиты.
Логическая часть релейной защиты предназначена для выполнения логических операций — сложения, умножения, отрицания и задержки.
Логическая операция сложения осуществляется элементом «ИЛИ» и соответствует параллельному соединению замыкающих контактов двух или трех реле (рис. 15, а). Эта операция осуществляется, например, в схемах максимальных и дифференциальных токовых защит трансформаторов, в которых для отключения трансформатора достаточно срабатывания лишь одного из токовых реле: А, или В, или С.
Логическая операция умножения осуществляется логическим элементом «И» и соответствует последовательному соединению замыкающих контактов (рис. 15,6). Такая операция используется, например, в схеме максимальной токовой защиты Т с пусковым органом напряжения Н. Для отключения трансформатора необходимо одновременное срабатывание и токового органа Т, и органа напряжения Я.
Логическая операция отрицания «НЕ» выполняется в тех случаях, когда необходимо запретить действие какого-либо одного устройства при срабатывании другого. Например, запретить автоматическое повторное включение (АПВ) трансформатора при срабатывании защит от внутренних повреждений — газовой и дифференциальной. Эта операция осуществляется с помощью промежуточного реле П, размыкающий контакт которого включается в выходную цепь запрещаемого устройства защиты или автоматики (рис. 15, в).
Логические операции задержки выполняются в основном с помощью различных органов (реле) времени, а при небольших задержках — с помощью специальных промежуточных реле.
Логическая часть действует на отключение выключателей через исполнительный орган защиты, в задачу которого входит усиление и размножение командных сигналов. Исполнительный орган состоит из промежуточных реле, контакты которых рассчитаны на относительно большие токи, потребляемые 30 выключателей. Исполнительный орган действует таким образом, чтобы отключить поврежденный трансформатор со всех сторон (рис. 14,6).
Сигнальный орган защиты предназначен для фиксирования и сигнализации срабатывания отдельных элементов и всей защиты в целом. По сигналам этого органа дежурный персонал узнает о повреждениях и ненормальных режимах на подстанции, а персонал службы релейной защиты анализирует действия защитных устройств.
Логическая часть, исполнительный и сигнальный органы защиты, а также электромагниты управления коммутационных аппаратов должны иметь источник питания, который бы обеспечивал их оперативным током. Для измерительной части, выполненной на полупроводниковых элементах, также требуется источник питания (штриховая линия на рис. 14,6).
Оперативный ток. Оперативным называется ток, обеспечивающий работу логической (иногда и измерительной) части релейной защиты, ее исполнительного и сигнального органов, а также электромагнитов управления коммутационных аппаратов (рис. 14,6). Очевидно, что надежное функционирование устройства релейной защиты в целом во многом определяется надежностью источников питания и схемы оперативного тока.
Источники оперативного токя должны всегда, в любых аварийных режимах обеспечивать такие значения напряжения и мощности, которые гарантируют надежное действие релейной защиты и электромагнитов управления коммутационных аппаратов.
постоянный — аккумуляторные батареи;
переменный — измерительные трансформаторы тока ТТ и трансформаторы напряжения ТН, а также трансформаторы собственных нужд ТСН;
выпрямленный — блоки питания (токовые называются БИТ, напряжения —БПН, БПНС) и другие выпрямительные устройства;
ток разряда конденсаторов — предварительно заряженные конденсаторы, собранные в блоки (БК), которые устанавливаются совместно с блоками для заряда конденсаторов (УЗ, БПЗ).
Из всех перечисленных источников оперативного тока самым надежным является аккумуляторная батарея. Это автономный источник, обеспечивающий работу устройств защиты, автоматики и управления даже при полном отключении подстанции от питающей электрической сети. К сожалению, промышленность не выпускает достаточно надежных, дешевых и простых в обслуживании аккумуляторных батарей для подстанций распределительных сетей. Аккумуляторные батареи устанавливаются только на электростанциях и на крупных районных подстанциях, где защиты всех элементов, и в том числе трансформаторов 10 и 6 кВ, выполняются на постоянном оперативном токе.
Источники переменного оперативного тока — измерительные трансформаторы тока и- напряжения ТТ и ТН, а также трансформаторы собственных нужд ТСН могут обеспечить надежное питание устройств релейной защиты только при их совместном использовании. Например, при близких трехфазных КЗ не смогут обеспечить защиту оперативным током ТН и ТСН, так как в этих случаях происходит глубокое, вплоть до нуля, снижение напряжения на подстанции. Но зато ТТ, через первичную обмотку которых проходит основной ток КЗ, могут обеспечить работу и устройств релейной защиты, и электромагнитов управления. Схе мы, в которых измерительные трансформаторы тока используются также как источники оперативного тока, называются схемами с дешунтированием электромагнитов управления (см. далее). Если же повреждение трансформатора не сопровождается большими токами КЗ, как, например, при витковом замыкании в одной из фаз его обмоток, или вообще не происходит увеличения тока сверх нормального, например, при уходе масла из бака трансформатора, то в качестве источников оперативного тока для работы соответствующих устройств защиты могут использоваться ТН или ТСН. По этому же принципу строится схема питания устройств защиты выпрямленным оперативным током. Для защиты трансформаторов 10 кВ выпрямленный ток применяется редко. Также редко используется на подстанциях 10 кВ энергия предварительно заряженных конденсаторов, которая может обеспечить работу устройств защиты и автоматики при полном погашении подстанции, например при отключении части электродвигателей перед повторной подачей напряжения на подстанцию, чтобы облегчить пуск (самозапуск) более ответственных электродвигателей. При необходимости отключения электродвигателей 0,4 кВ при погашениях подстанций 10/0,4 кВ, как правило, используют механическую энергию, запасенную в предварительно сжатых пружинах привода магнитных пускателей или автоматических выключателей. Для освобождения пружины используются так называемые нулевые расцепители, срабатывающие при исчезновении напряжения.
Схемы с дешунтированием электромагнитов от включения (ЭО). Для выполнения защиты трансформаторов 10 (6) кВ, как и других элементов этого класса напряжения, широко используется принцип дешунтирования ЭО контактами специальных реле с целью подключения ЭО к трансформаторам тока. Принцип работы схемы с дешунтированием 30 показан на рис. 16 (условно только для одной фазы). На рис. 16, а положение контактов дешунтирующего специального реле Р показано при нормальном рабочем режиме, когда по защищаемому элементу проходит рабочий ток /раб. Электромагнит ЭО шунтирован размыкающим контактом / специального реле Р. Дополнительно цепь 30 разомкнута замыкающим контактом 2 этого же реле для того, чтобы на 30 не было подано напряжение и не создавалась возможность излишнего срабатывания 30 при нарушении цепи шунтирующего контакта 1. В этом режиме вторичный ток I 2Р аб проходит только через реле P.
При возникновении КЗ на защищаемом элементе (трансформаторе, линии) реле Р срабатывает и переключает свои контакты 1 и 2 в положение, показанное на рис. 16,6. При переключении сначала замыкается контакт 2, а затем размыкается контакт / для того, чтобы не создавался даже кратковременно опасный режим работы трансформатора тока ТТ с разомкнутой вторичной обмоткой. При замыкании контакта 2 и размыкании контакта / электромагнит 30 дешунтируется и по нему проходит тот же вторичный ток КЗ /2к, что и по катушке реле Р. Применяемые схемы рассчитаны таким образом, что мощность, отдаваемая трансформатором тока ТТ, достаточна для срабатывания стандартного 30 выключателя 6—35 кВ.
В качестве 30 выключателей используется либо специальный электромагнит для схем с дешунтированием (ЭОтт, ТЭО), либо токовое мгновенное реле прямого действия РТМ. Наименьший ток срабатывания РТМ равен 5 А, ЭОтт и ТЭО —3 А.
Рис. Принцип работы схемы с дешунтированием электромагнита отключения ЭО (для одной фазы): а — положение контактов реле Р в нормальном режиме; б — после срабатывания реле Р при коротком замыкании
РП-341 — специальные промежуточные реле со встроенным маломощным выпрямительным устройством, которые выполняют роль исполнительного органа более сложных защит, например максимальной токовой защиты трансформатора с независимой от тока выдержкой времени или дифференциальной защиты (§ 8).
где I 1к — первичное максимальное значение тока через защиту при КЗ в месте ее установки, А; k сх — коэффициент схемы, показывающий, во сколько раз ток в реле превышает вторичный ток трансформатора тока при трехфазном КЗ на защищаемом элементе (§ 7); n т. т — коэффициент трансформации трансформаторов тока.
Для защиты трансформаторов 10 кВ, подключенных вблизи крупных районных подстанций 110/10 кВ, условие I 2к ≤150 А не всегда может быть выполнено. Действительно, при мощности трансформатора 110 кВ более 10 MB -А первичные токи КЗ на шинах 10 кВ превышают 5 кА. При использовании на трансформаторе 10 кВ мощностью 1 MB -А трансформаторов тока с n т. т = 100/5 и при k сх =1 (стандартная схема неполной звезды) вторичное значение тока КЗ I 2к, вычисленное по выражению (20), намного превысит допустимое—150 А. Для уменьшения значения тока I 2к можно было бы увеличить коэффициент трансформации N е ,но при этом следует предварительно убедиться в достаточной чувствительности не только реле защиты, но и дешунтируемого электромагнита отключения ЭО при КЗ в конце защищаемой линии и в зонах дальнего резервирования.
Возможность применения схем с дешунтированием ЭО определяется не только условием I 2к ≤150 А, но еще двумя следующими требованиями:
после дешунтирования ЭО, несмотря на возможное снижение вторичного тока ТТ из-за увеличения их токовой погрешности, не должен произойти возврат сработавших токовых (промежуточных) реле, дешунтирующих ЭО (рис. 16,6);
должна быть обеспечена достаточная чувствительность ЭО после их дешунтирования, опять-таки с учетом того, что после дешунтирования вторичный ток ТТ может значительно снизиться по сравнению с режимом до дешунтирования ЭО.
Для оценки возможностей выполнения этих требований необходимо вычислить значение токовой погрешности трансформаторов тока ТТ после дешунтирования ЭО (§ 8).
Все о трансформаторах тока. Классификация, конструкция, принцип действия
Трансформаторами тока (ТТ) принято называть электротехнические устройства, предназначенные для трансформирования величин токов (с больших на меньшие) до требуемых значений, с целью подключения приборов измерения, устройств РЗиА. Трансформаторы тока получили широкое применение в энергетике и являются составным элементом любой электростанции или подстанции.
Установка в силовых электроустановках трансформаторов низкой мощности позволяет также обезопасить производство работ, поскольку их использование разделяет цепи высокого / низкого напряжения, упрощает конструктивное исполнение дорогостоящих измерительных приборов, реле.
- Конструкция и принцип действия трансформатора тока
- Классификация трансформаторов тока
- Трансформаторы тока разных производителей
- Трансформаторы тока ТОЛ-НТЗ-10-01
- Расположение вторичных выводов:
- Требования к надежности
- Пример условного обозначения опорного трансформатора тока с литой изоляцией
- Опорные трансформаторы тока TОП-0,66
- Проходные шинные трансформаторы тока для внутренней установки BB, BBO
Конструкция и принцип действия трансформатора тока
Трансформаторы тока конструктивно состоят из:
- замкнутого магнитопровода;
- 2-х обмоток (первичной, вторичной).
Поскольку сопротивление измерительных устройств незначительно, то принято считать, что все трансформаторы тока работают в режиме близком к КЗ.
Это означает, что геометрическая сумма магнитных потоков равна разности потоков, генерируемых обеими обмотками.
Традиционно трансформаторы тока выпускают с несколькими группами вторичных обмоток, одна из которых предназначена для подключения аппаратов защиты, другие – для включения приборов контроля, диагностики и учета.
К этим обмоткам в обязательном порядке должна быть подключена нагрузка.
Ее сопротивление строго регламентируется, так как даже незначительное отклонение от нормируемой величины может привести к увеличению погрешности и как следствие снижению качества измерения, неселективной работе РЗ.
Интересное видео о трансформаторах тока смотрите ниже:
Погрешность ТТ определяется в зависимости от:
- сечения магнитопровода;
- проницаемости используемого для производства магнитопровода материала;
- величины магнитного пути.
Значительное возрастание сопротивления нагрузки во вторичной цепи генерирует повышенное напряжение во вторичной цепи, что приводит к пробою изоляции и, как следствие, выходу из строй трансформатора.
Предельное значение сопротивление нагрузки указывается в справочных материалах.
Классификация трансформаторов тока
Трансформаторы тока принято классифицировать по следующим признакам:
Ещё одно интересное видео о схемах включения трансформаторов тока:
Трансформаторы тока разных производителей
Рассмотрим несколько трансформаторов тока разных производителей:
Трансформаторы тока ТОЛ-НТЗ-10-01
Производитель ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов», предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, для изолирования цепей вторичных соединений от высокого напряжения в комплектных устройствах внутренней и наружной установки (КРУ, КРУН, КСО) переменного тока на класс напряжения до 10 кВ и являются комплектующими изделиями.
Трансформаторы изготавливаются в виде опорной конструкции, в климатических исполнениях «УХЛ» и «Т», категории размещения «2» по ГОСТ 15150-69.
Рабочее положение трансформатора в пространстве – любое.
Трансформаторы работают в электроустановках, подвергающихся воздействию грозовых перенапряжений и имеют:
- класс нагревостойкости «В» по ГОСТ 8865-93;
- уровень изоляции «а» и «б» по ГОСТ 1516.3-96.
Варианты исполнения трансформатора: «Б» — оснащён изолирующими барьерами.
Расположение вторичных выводов:
- «А» — параллельно установочной поверхности;
- «В» — перпендикулярно установочной поверхности;
- «С» — из гибкого провода, параллельно установочной поверхности;
- «D» — из гибкого провода, перпендикулярно установочной поверхности.
Требования к надежности
Для трансформаторов установлены следующие показатели надежности:
- средняя наработка до отказа – 2´105 ч.;
- полный срок службы – 30 лет.
Пример условного обозначения опорного трансформатора тока с литой изоляцией
ТОЛ-НТЗ-10-01АБ-0,5SFs5/10Р10–5/15-300/5 31,5 кА УХЛ2
Опорные трансформаторы тока TОП-0,66
Трансформаторы предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам в установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц с номинальным напряжением до 0,66 кВ включительно. Испытательное одноминутное напряжение промышленной частоты — 3 кВ.
Трансформаторы класса точности 0,2; 0,5; 0,2S и 0,5S применяются в схемах учета для расчета с потребителями, класса точности 1,0 — в схемах измерения.
Корпус трансформаторов выполнен из самозатухающих трудногорючих материалов. Трансформаторы изготавливаются в исполнении «У» или «Т» категории 3 по ГОСТ 15150, предназначены для работы в следующих условиях:
- высота над уровнем моря не более 1000 м;
- температура окружающей среды: при эксплуатации — от минус 45°С до плюс 50°С, при транспортировании и хранении — от минус 50°С до плюс 50°С;
- окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая пыли, химически активных газов и паров в концентрациях, разрушающих покрытия металлов и изоляцию;
- рабочее положение — любое.
Первичная шина трансформаторов ТОП-0,66 и ТШП-0,66 медная, покрытая оловом. Трансформаторы ТШП-0,66 могут комплектоваться медными шинами, покрытыми оловом.
Проходные шинные трансформаторы тока для внутренней установки BB, BBO
Изготовитель — Фирма ООО «ABB»
Проходные шинные трансформаторы тока BB и BBO изготовлены в корпусе из эпоксидного компаунда и предназначены для установки в РУ напряжением до 24 кВ (25 кВ).
Трансформатор тока без первичного проводника, но с собственной первичной изоляцией может использоваться в качестве втулки.
Трансформаторы спроектированы и изготовлены согласно следующим стандартам:
- МЭК, VDE, ANSI, BS, ГОСТ и CSN.
- Максимальное напряжение — 3.6 кВ — 25 кВ
- Первичный ток — 600 A – 5000 A
- Сухой трансформатор с изоляцией из эпоксидного компаунда для внутренней установки
- Предназначены для измерения и защиты, могут иметь до трех вторичных обмоток
- Исполнения с возможностью переключения коэффициента трансформации на стороне первичной или вторичной обмоток.
Резервная токовая защиты
В качестве резервной защиты трансформаторов тупиковых и отпаечных подстанций используется максимальная токовая защита (МТЗ) с пуском напряжения или без пуска напряжения.
МТЗ устанавливается на каждой стороне трансформатора. Со стороны питания (110кВ,220кВ) МТЗ, как правило, действует с двумя выдержками времени.
С меньшей выдержкой времени на отключение ввода 10кВ, а с большей – на отключение трансформатора со всех сторон.
В случае, когда с высокой стороны трансформатора установлены короткозамыкатель и отделитель, основные защиты без выдержки времени, а резервные защиты с наибольшей выдержкой времени действуют на включение короткозамыкателя, тем самым создавая искусственное однофазное короткое замыкание, отключаемое защитой питающих линий. В бестоковую паузу (при АПВ питающих линий) производится автоматическое отключение отделителя, после чего поврежденный трансформатор (автотрансформатор) оказывается полностью отключенным.
Передача команды – импульса на отключение выключателя с питающей стороны линии при повреждении в трансформаторе, не имеющем выключателя с высокой стороны, может выполняться и без включения короткозамыкателя (для создания искусственного короткого замыкания). Такая команда может подаваться с помощью телеотключения по высокочастотному каналу.
С целью ближнего резервирования защит трансформатора предусматривается резервная независимая МТЗ-110кВ.
Эта защита является полностью автономной как по цепям тока,оперативным цепям, так и по выходным цепям.
Резервная МТЗ-110 с выдержкой времени большей времени срабатывания основной МТЗ-110 действует на отдельную катушку включения короткозамыкателя или на отдельную катушку отключения выключателя на стороне 110кВ.
С выдержкой времени большей времени действия защит на включение короткозамыкателя УРОКЗ действует на отключение отделителя.
При этом допускается разрешение отделителя во имя спасения самого трансформатора.
На отпаечных трансформаторах и тупиковых подстанциях 110кВ могут применяться и одноступенчатые токовые защиты нулевой последовательности, действующие на отключение трансформатора.
На автотрансформаторах транзитных подстанций с высшим напряжением 220-750кВ в качестве резервных защит используются дистанционные защиты (ДЗ) и направленные токовые защиты нулевой последовательности (НТЗНП).
Дистанционные защиты предназначены для отключения междуфазных к. , а НТЗНП – для отключения одно- и двухфазных к. на землю.
Как правило, на высшей и средней стороне АТ устанавливаются двухступенчатая ДЗ и 3-х ступенчатая НТЗНП.
Оперативное ускорение (О/У) первых или вторых ступеней ДЗ и НТЗНП стороны высшего или среднего напряжения АТ ( время 0,3-0,6 сек) вводится оперативным персоналом в случае вывода из работы дифференциальной защиты трансформатора, дифзащиты ошиновки высшего напряжения АТ, дифзащиты шин среднего напряжения.
Цель О/У резервных защит АТ – ускорить действие резервных защит АТ при близких внешних к. или к. в самом АТ.
Следует отметить, что на время ввода О/У резервных защит, возможно их неселективное действие при к. в прилегающей сети.
Резервные защиты АТ стороны высшего напряжения действуют с первой (меньшей) выдержкой времени на отключение всех выключателей высшего напряжения, а со второй (большей) – на отключение АТ со всех сторон.
На ПС, имеющих на стороне 330кВ схему первичных соединений “полуторная”, резервные защиты стороны 330кВ АТ действуют с первой (меньшей) выдержкой времени на деление шин 330кВ (отключение всех выключателей В12), со второй – на отключение выключателей 330кВ своего АТ, и с третьей (наибольшей) – на отключение своего АТ со всех сторон.
Резервные защиты стороны среднего напряжения АТ при схеме первичных соединений этой стороны “секционированная С. ” действуют с первой выдержкой времени на отключение ШСВ, со второй – на отключение своей стороны и с третьей – на отключение АТ со всех сторон.
Такое ступенчатое действие резервных защит позволяет сохранить в работе те АТ, которые отделяются от места к. после деления систем шин.
Автоматическое ускорение (А/У) резервных защит при включении выключателя стороны высшего напряжения (А/У – 750,
А/У-330) и при включении выключателей стороны среднего напряжения ( А/У-220, А/У-110) действует на отключение выключателя, включаемого на к. ключом управления или устройством ТАПВ.
При этом на каждой стороне АТ ускоряются до 0,4-0,5 сек I и II ступени ДЗ и II ненаправленная ТЗНП.
Индивидуальная защита от непереключения фаз выключателей стороны среднего и высшего напряжения АТ
Защита выполняется только на выключателях с пофазным управлением.
Назначение защиты – ликвидация неполнофазного режима, возникающего при включении выключателя одной или двумя фазами.
Защита действует на отключение трех фаз включаемого выключателя.
Выдержка времени защиты (0,15 ¶ 0,25 сек) выбрана по условию отстройки от разновременности включения фаз выключателя.
Защита от неполнофазного режима на стороне 330 кВ (750) АТ (ЗНР-330)
Назначение защиты – ликвидация неполнофазного режима, возникающего при неполнофазном отключении одного выключателя 330 кВ АТ и трехфазном отключении второго выключателя 330 кВ АТ.
Защита, как правило, действует на отключение АТ со всех сторон.
Выдержка времени ЗНР-330 на 0,3 сек выше выдержки времени индивидуальной защиты от непереключения фаз выключателя.
На АТ-750кВ для контроля состояния изоляции вводов 750кВ АТ применяется устройство КИВ-750.
Принцип действия устройства – измерение геометрической суммы токов, протекающих под воздействием рабочего напряжения через изоляцию вводов 750 кВ трех фаз.
При исправной изоляции геометрическая сумма токов, входящих в реле типа КИВ, близка к нулю. В случае частичного повреждения изоляции ввода одной из фаз появляется ток небаланса, который фиксируется защитой.
Устройство типа КИВ имеет измерительный элемент для оперативного контроля и отключающий элемент.
Отключающий элемент действует на отключение АТ со всех сторон.
Защита от перегрузки
В качестве такой защиты устанавливается токовая защита, действующая с выдержкой времени на сигнал в случае перегрузки по току любой обмотки трансформатора.
Видео: Релейная защита. Вводная лекция
Что такое релейная защита, для чего она нужна. Основные характеристики, которыми должна обладать релейная защита.
§ 97. Защита кремниевых выпрямителей от перенапряжений
Перенапряжения, возникающие на вентиле, в непроводящий период не должны превышать номинального обратного напряжения вентиля, так как при возрастании обратного напряжения
до величины пробивного имеет место необратимый процесс и вентиль гибнет. Таким образом, для защиты вентилей от перенапряжений должны быть приняты специальные меры. Рассмотрим возможные источники перенапряжений и способы их подавления. Коммутационные перенапряжения при отключении ненагруженного трансформатора возникают вследствие перехода электромагнитной энергии, запасенной в магнитопроводе, в энергию электрического поля. Рис. 97-1. Схема замещения однофазного мостового выпрямителя
В простейшем случае однофазного мостового выпрямителя, схема замещения которого изображена на рис. 97-1, напряжение на индуктивности в момент размыкания выключателя B1 будет
При отключении ненагруженного выпрямителя (Rст относительно велико) перенапряжение может достигать 10-кратной величины. При отключении нагруженного трансформатора параллельно сопротивлению Rст будет включено сопротивление нагрузки Rи и, таким образом, при относительно малом активном сопротивлении перенапряжение уменьшается. Аналогичные явления происходят и в многофазных цепях трансформаторов, однако в реальных условиях при отключении ток никогда мгновенно не спадает до нуля и в образующейся электрической дуге поглощается часть электромагнитной энергии.
Следует отметить следующие особенности перенапряжений, возникающих при включении трансформаторов:
а) перенапряжения во вторичных обмотках трансформатора возникают между обмотками и землей;
б) величина перенапряжения зависит от того, включаются ли масляным выключателем одновременно все три фазы, две фазы или одна фаза. Наибольшее перенапряжение возникает в том случае, когда в первое мгновение выключатель подает напряжение лишь на одну фазу;
в) ввиду малых значений продольных и поперечных емкостей трансформатора энергия перенапряжения мала и продолжительность импульсов перенапряжения не превосходит долей мксек. Подавление всех видов перенапряжений во вторичной обмотке трансформатора в промышленных выпрямителях производится путем включения цепочек R — C (рис. 97-2, а) или разрядников с лавинными вентилями (рис. 97-2,б). Сиротинский Л. Техника высоких напряжений. 3, вып. Госэнергоиздат, М. — Л. , 1959.
Рис. 97-2. Способы защиты от перенапряжений на переменном токе выпрямителя: а — с конденсаторами; б — с лавинными вентилями; ЛВ — лавинные вентили; С — конденсатор; R — демпфирующее сопротивление
Цепочки R — С обычно имеют параметры С=8 мкф, R=5 Ом. Эти емкости несколько превосходят расчетные значения, кроме лого, включение их между фазами и землей было бы более рационально. Лавинные вентили, применяемые в качестве разрядников, должны иметь напряжение лавинообразования на 20—30% ниже предельно допустимого обратного напряжения вентильного плеча. Рис. 97-4. Способы защиты от перенапряжении на выпрямленном токе: а — с конденсаторами; б — с лавинными вентилями; о — диаграммы токов и напряжений на разряднике; ЛВ — лавинные вентили; С, R — емкость и демпфирующее сопротивление разрядника; ∑Uл — разрядное (лавинное) напряжение; ip — ток в цепи разрядника
Рис. 97-3. Осциллограммы отключения тока к. :
iK — ток к. ; и — напряжение на зажимах выпрямителя; Udo — напряжение холостого хода
При комплектовании выпрямителя из лавинных вентилей защита от коммутационных перенапряжений на переменном токе не требуется.
- Внутренние коммутационные перенапряжения в вентилях изложены в § 92. Защита от этих перенапряжений обычных вентилей осуществляется цепочкой R — С (см. рис. 96-2). При применении в выпрямителе лавинных вентилей цепочки R — С могут отсутствовать.
- Коммутационные перенапряжения при размыкании цепей выпрямленного тока. Природа этих перенапряжений также связана с запасанием электромагнитной энергии в индуктивностях в период протекания тока и переходе этой энергии в электрическое поле при спаде тока.
* Весьма существенное влияние на величину перенапряжения оказывает скорость спада токаи величина индуктивности в цепи.
Отключение коротких замыканий на выпрямленном токе выключателем типа ВАБ вызывает всплеск перенапряжения порядка 1,7-2,5 от напряжения холостого хода выпрямителя (рис. 97-3). Подавление перенапряжения на выпрямленном токе может быть осуществлено двумя способами: при помощи конденсаторов (рис. 97-4, а) и разрядников (рис. 97-4,б). Так как конденсатор применяется емкостью около 300 мкф, то гармонические составляющие токов, проходящих через него, достигают 40 а. Эти токи в демпфирующем сопротивлении R=2,5 Ом создают дополнительные потери. В качестве разрядников для подавления перенапряжения применяются лавинные вентили, включаемые встречно полярности выпрямителя (рис. 97-4,б). Возрастание перенапряжения сверх суммарного напряжения лавинообразования вентилей вызывает через них обратный ток. Этот разрядный ток ip автоматически прекращается, как только перенапряжение снизится (рис. 97-4,в). Разрядники из лавинных вентилей обладают следующими преимуществами: а) не имеют сопровождающего тока; б) не создают потерь электроэнергии в эксплуатации; в) скорость действия их весьма велика и соответствует времени пробоя защищаемых кремниевых вентилей выпрямителя. Выбор лавинных разрядников производится по уровню максимально допустимого перенапряжения и по предельно допустимой энергии рассеивания в лавинных вентилях. Увеличение энергии рассеивания лавинных разрядников может быть получено путем увеличения числа вентилей.
Атмосферные перенапряжения с отрицательной полярностью относительно земли вызывают разрядные токи через вентили выпрямителя в прямом направлении. Эти перенапряжения для вентилей выпрямителя не опасны. Перенапряжения с положительной полярностью относительно земли вызывают обратные токи через вентили выпрямителя. И хотя атмосферные перенапряжения этого рода весьма редки, но защита от них в грозовой период необходима. Защита от атмосферных перенапряжений может быть осуществлена теми же средствами, что и защита от коммутационных перенапряжений на выпрямленном токе. Однако расчет и опытная проверка защитных средств в этом случае невозможны, поэтому защитные средства в отдельных случаях могут оказаться недостаточно эффективными. В качестве дополнительных средств защиты от атмосферных перенапряжений могут быть рекомендованы разрядники типа РМВУ-0,5, устанавливаемые на опорах контактной сети.