Релейная защита трансформаторов и автотрансформаторов: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по специальности ''Электроэнергетические системы и сети''

Федеральное агентство по образованию Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Релейная защита трансформаторов и автотрансформаторов Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по специальности 140205 – электроэнергетические системы и сети

Составители: Худугуев В. И. Данеев В.В.

Улан-Удэ Издательство ВСГТУ 2006

Аннотация к методическим указаниям «Релейная защита трансформаторов и автотрансформаторов». В методических указаниях дан комплексный подход к выбору и расчетам типовых устройств релейной защиты и автоматики, используемых в электрических сетях энергосистем. Изложенный материал может оказать существенную помощь студентам при выполнении типовой работы по курсу «Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем» и соответствующего раздела дипломного проекта по специальности 140205 – «Электроэнергетические системы и сети». КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Плавкие предохранители; Токовая отсечка; Дифференциальная защита трансформаторов; Газовая защита; Максимальная токовая защита; Защита нулевой последовательности.

2

1. Назначение и основные типы защиты трансформаторов и автотрансформаторов В обмотках трансформаторов и автотрансформаторов могут возникать короткие замыкания (КЗ) между фазами, замыкания одной или двух фаз на землю, витковые замыкания и замыкания между обмотками разных напряжений. На вводах трансформаторов и автотрансформаторов, ошиновке и в кабелях также могут возникать КЗ между фазами и на землю. Кроме того, в эксплуатации возможны нарушения нормальных режимов работы трансформаторов и автотрансформаторов, к которым относятся: прохождения через трансформатор или автотрансформатор сверхтоков при повреждении других связанных с ними элементов, перегрузка, выделение газов из масла, понижение уровня масла и повышение его температуры. В соответствии с изложенным и в зависимости от мощности трансформатора (автотрансформатора), условий их работы, категории потребителя и т.д. применяются следующие типы защиты: дифференциальная – для защиты при повреждениях обмоток, вводов и ошиновки трансформаторов или автотрансформаторов; токовая отсечка мгновенного действия или плавкий предохранитель – для защиты трансформатора при повреждениях ошиновки, вводов и части обмоток со стороны источника питания; газовая – для защиты при повреждениях внутри бака маслонаполненного трансформатора (автотрансформатора), сопровождающихся выделением газа, а также при понижении уровня масла; от сверхтоков, проходящих через трансформатор (автотрансформатор) при повреждении как самого 3

трансформатора (автотрансформатора), так и других связанных с ним элементов – максимальная токовая или максимальная токовая направленная защита, реагирующая на фазные токи, а также на токи нулевой и обратной последовательностей; максимальная токовая защита с пуском минимального напряжения, дистанционная защита; от перегрузок и др. 2. Защита трансформаторов плавкими предохранителями В сетях напряжением 6-10кВ и даже 35кВ в качестве основной защиты трансформаторов мощностью до 1000кВ*А широко используется плавкие предохранители. Обычно они устанавливаются вместе с выключателем нагрузки типа ВНП, снабженным отключающей катушкой. Резервирует действия плавкого предохранителя газовая защита. Для предотвращения срабатывания предохранителя в нормальном режиме и при бросках тока намагничивания трансформатора плавкую вставку предохранителя выбирают с номинальным током IЕС.НОМ≈(1,5…2)IТР.НОМ, где IТР.НОМ – номинальный ток трансформатора. 3. Токовая отсечка Если плавкий предохранитель по своей отключающей способности и другим причинам не проходит в качестве защиты от КЗ и больших перегрузок, то на одиночно работающих трансформаторах мощностью до 6300 кВ*А и параллельно работающих трансформаторах мощностью менее 4000 кВ*А для этих целей используется токовая отсечка. Однако она не является полноценной, так как, реагируя только на большие токи повреждения, охватывает своей зоной 4

действия лишь часть трансформатора. Резервирует отсечку максимальная токовая и газовая защиты. Отсечка устанавливается с питающей стороны трансформатора и выполняется с использованием реле прямого действия РТМ, реле РТ-40 или электромагнитного элемента реле РТ-80. 3 Уставка отсечки I СЗ = K ОТС * I К .МАКС , где КОТС – коэффициент отстройки, КОТС=1,3…1,4 (РТ-40); КОТС=1,5…1,6 (РТ-80); КОТС=1,8…2 (РТМ); IК.МАКС(3) – максимальный ток КЗ при повреждении на выводах трансформатора со стороны нагрузки. Кроме того, отсечка отстраивается от броска тока намагничивания IНАМ при включении трансформатора: IСЗ>IНАМ; согласно опыту эксплуатации принимается IСЗ = (3…5)ּIТР.НОМ Чувствительность отсечки оценивается отношением: I K2 .МИН KЧ = ≥ 2, I СЗ

где IК.МИН(2) – ток двухфазного КЗ у места установки защиты в режиме минимального питания. Отсечка в сочетании с максимальной токовой и газовой защитами обеспечивает хорошую защиту трансформаторов указанных выше мощностей. 4. Продольная дифференциальная защита трансформаторов и автотрансформаторов Дифференциальная защита является основной быстродействующей защитой при повреждениях обмоток, вводов и ошиновок одиночно работающих трансформаторов мощностью 6300кВ*А и более и трансформаторов мощностью 4000кВ*А и более, включенных на параллельную работу. Она может устанавливаться и на трансформаторах меньшей 5

мощности (SТР≥1000кВ*А), если токовая отсечка не проходит по чувствительности, а максимальная токовая защита имеет время срабатывания больше 0,5с. При выполнении защиты учитывается ряд особенностей: наличие намагничивающего тока, броски которого могут превышать номинальный ток трансформатора (автотрансформатора) в (5…8) раз; неравенство вторичных токов и разнотипность трансформаторов тока, устанавливаемых по плечам дифференциальной защиты; неодинаковые схемы соединения обмоток трансформаторов (автотрансформаторов); наличие токов небаланса в схеме дифференциальной защиты из-за погрешностей трансформаторов тока, из-за изменения коэффициента трансформации защищаемого трансформатора (автотрансформатора) при регулировании напряжения, из-за неточного выравнивания вторичных токов. Применяются три варианта схем дифференциальной защиты: 1. Дифференциальная отсечка с реле РТ-40 или РТМ; 2. Дифференциальная защита с реле РНТ; 3. Дифференциальная защита с торможением. Выбор одного из этих вариантов производится на основании расчета коэффициента чувствительности защиты I K2 .МИН KЧ = ≥2 I СЗ где IК.МИН(2) –

(1)

ток двухфазного КЗ при повреждениях в зоне действия защиты; IСЗ – ток срабатывания защиты. На выбор варианта защиты с РНТ или с торможением существенное влияние оказывает способ регулирования напряжения силового трансформатора:

6

на трансформаторах с ПБВ (переключением без возбуждения, то есть без регулирования напряжения под нагрузкой) обычно применяется дифференциальная защита с РНТ; для трансформаторов с РПН, обладающих большим диапазоном регулирования напряжения, предпочтительна дифференциальная защита с торможением. 4.1. Дифференциальная отсечка «Правила»[1] допускают применение дифференциальной отсечки (рис.1) на трансформаторах мощностью до 25 МВА при условии обеспечения требуемой чувствительности. Ток срабатывания защиты определяется условиями отстройки: а). от бросков тока намагничивания трансформатора (2) IСЗ=KОТС*IТР.НОМ, где KОТС=3…4; б). от бросков тока небаланса IНБ (3) IСЗ=KОТС*IНБ где KОТС=1,3 – при использовании в защите реле РТ-40;

′ + Й′НБ ′′ ЙНБ = Й′НБ + Й′НБ

где I ′ - составляющая, трансформатора тока нб

обусловленная

′ = K А ⋅ K 0 ⋅ E ⋅ I ( 3) К .МАКС I НБ

(4) погрешностью

(5) где KА – коэффициент, учитывающий влияние апериодической слагающей в токе КЗ; КА=2 – при использовании дифференциальной отсечки; КА=1 – при использовании в защите реле РНТ или реле ДЗТ; К0 – коэффициент однотипности: К0=0,5 – в плечах защиты устанавливаются трансформаторы тока одного типа; К0=1 – для трансформаторов тока плеч защиты разного типа; Е=0,1 – коэффициент, учитывающий допустимую относительную погрешность трансформаторов тока; 7

IК.МАКС(3) – наибольший ток при внешнем КЗ; I ′′ - составляющая, обусловленная регулированием напряжения защищаемого трансформатора НБ

КА1

R

КА2

R

T

Рис.1. Схема дифференциальной отсечки двухобмоточного трансформатора. ′′ = ∆U * I К( 3.)МАКС , I НБ

(6) где ∆U [o.e] – половина диапазона регулирования напряжения в относительных единицах;

′′′ I НБ

- составляющая, обусловленная неточностью выравнивания токов в плечах защиты. При отсутствии специальных устройств выравнивания ′′′ = ( I 1В − I 2 В ) * I К( 3.)МАКС / I 1В , I НБ (7) где I1в, I2в – вторичные токи в плечах защиты. Принимается большее значение тока срабатывания защиты Iсз. Ток срабатывания реле I СР = I СЗ * К СХ / ηТА , (8) где КСХ – коэффициент схемы соединения обмоток трансформаторов тока, установленных в плече защиты с большим вторичным током; 8

ηТА – коэффициент трансформации трансформаторов тока, установленных в плече защиты с большим вторичным током. 4.2. Дифференциальная защита с реле РНТ В схеме защиты токовое реле подключается к дифференциальной ветви через промежуточный быстронасыщающийся трансформатор БНТ, необходимый для отстройки от бросков токов намагничивания и небаланса, а также для выравнивания вторичных токов. БНТ с токовым реле РТ-40 получило название реле РНТ. Промежуточный трансформатор имеет три первичные обмотки (рабочую – Р, уравнительные – У1, У2), одну вторичную – В и короткозамкнутую обмотку – К (рис.2). Рабочая обмотка включается в дифференциальную цепь защиты и изменением числа ее витков регулируется уставка срабатывания реле. Ко вторичной обмотке подключается токовое реле, а уравнительные обмотки используются для компенсации неравенства вторичных токов в плечах защиты. В дифференциальной защите двухобмоточного трансформатора достаточно использовать только одну уравнительную обмотку, включая ее в плечо с меньшим током. Обмотка К регулирует подмагничивающее действие апериодического тока, поступающего в рабочую обмотку. Условием равновесия токов плеч защиты, когда при внешнем КЗ отсутствует ток в обмотке В, является следующее выражение: I 1ВWУ 1 − I 2 ВWУ 2 + ( I 1В − I 2 В )W Р = 0 (9) Для двухобмоточного трансформатора при I1В>I2В и WУ1=0

9

− I 2 ВWУ 2 + ( I 1В − I 2 В )WР = 0

WУ 2 = ( I 1В / I 2 В − 1)WР

на отключение

КА I1

I1в

КАТ У1

У2

Р

К

Т

I2

I2в

Рис.2. Дифференциальная трансформатора с реле РНТ.

защита

двухобмоточного

Расчет дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора производится в следующей последовательности: 1. Определяются первичные номинальные токи обмоток ВН и НН трансформатора при среднем положении устройства регулирования напряжения, и вторичные токи в плечах защиты; 2. Определяются токи срабатывания защиты по условиям (2), (3) при КОТС=1,3. При этом по условию (30) используется I = I ′ + I ′′ без составляющей I ′′′ . 3. Определяется вторичный ток срабатывания, отнесенный к стороне с большим вторичным током НБ

НБ

НБ

НБ

I ср = I сз * К сх / η ТА , 10

где ηТА – коэффициент трансформации трансформаторов тока, установленных со стороны защиты с большим вторичным током. У1 I1

У2

Р

I1B

I2B T I2

I3

I3В

Рис.3. Дифференциальная защита трехобмоточного трансформатора с реле РНТ 4. Определяется расчетное число витков обмоток реле РНТ со стороны защиты с большим вторичным током, которая называется основной. WОСН . РАСЧ = WУ 1РАСЧ = FCP / I CP (10) Для двухобмоточных трансформаторов обычно в качестве основной обмотки используется одна из уравнительных обмоток, а другая уравнительная обмотка служит для выравнивания токов в плечах защиты. Принимается ближайшее, чаще всего, меньшее к WОСН.РАСЧ значение числа витков, которое можно установить на уравнительной обмотке – WУ1. 11

5. Определяется расчетное число витков со стороны с меньшим вторичным током, которая называется не основной, из условия (9). Допустим: ток I1B>I2B, сторона с током I1B основная, рабочая обмотка Р не используется; WУ1 – основная обмотка; WУ2 – неосновная обмотка. Тогда условием равновесия токов плеч защиты является выражение I 1BWУ 1 − I 2 BWУ 2 = 0 (11) I 1B W = Откуда У 2.РАСЧ I * WУ 1 . 2B

Принимается ближайшее значение WУ2, которое можно установить на этой обмотке. 6. Производится уточнение расчета с определением составляющей ′′′ = I НБ

′′′ I НБ

WУ 2.РАСЧ − WУ 2 * I К(3.)МАКС WУ 2. РАСЧ

(12)

′ + I НБ ′′ + I НБ ′′′ ; I НБ = I НБ Затем вновь определяется ток IСЗ=КОТС*IНБ, и если он получился больше определенного в п.2, то вновь пересчитываются числа витков обмоток РНТ. Расчет повторяется до тех пор, пока ток срабатывания, определенный с учетом I ′′′ , станет равным или меньше тока срабатывания, определенного предыдущим расчетом. 7. Определяется коэффициент чувствительности по минимальному вторичному току IР.МИН, проходящему по обмоткам реле при двухфазном КЗ за трансформатором в зоне защиты. При этом необходимо учитывать токораспределение в цепях защиты. НБ

12

КЧ =

I Р.МИН ≥2 I CP

(13)

При упрощенной оценке I К( 2.)МИН КЧ = ≥ 2, I CЗ

(14)

где IК.МИН(2) – минимальный ток двухфазного КЗ за трансформатором в зоне защиты. При выполнении дифференциальной защиты трехобмоточного трансформатора или автотрансформатора вначале аналогично предыдущему определяются первичные токи со всех сторон, соответствующие номинальной мощности наиболее мощной обмотки трансформатора или проходной мощности автотрансформатора, определяются вторичные токи в соответствующих плечах дифференциальной защиты и выявляется сторона с большим током. Трансформаторы тока стороны с большим вторичным током, которая называется основной, присоединяются непосредственно к рабочей обмотке Р, а трансформаторы тока двух других неосновных сторон присоединяются к уравнительным обмоткам У1 и У2. 4.3. Дифференциальная защита с торможением В ряде случаев токи небаланса могут достигать значительных величин не только в переходном режиме, но и в установившемся. При этом чувствительность защиты с реле РНТ может оказаться недостаточной. В таких случаях дифференциальная защита выполняется с реле типа ДЗТ. У такого реле на промежуточном быстронасыщающемся трансформаторе БНТ кроме обмоток, аналогичных тем, что имеются у реле РНТ, расположены дополнительно одна или 13

несколько тормозных обмоток Т, а короткозамкнутая обмотка К отсутствует.

Рис.4. Дифференциальная защита двухобмоточного трансформатора с реле ДЗТ. В нормальном режиме и при внешних КЗ (рис.4а), тормозной ток IТ наводит в магнитопроводе БНТ поток ФТ, замыкающийся по крайним стержням и насыщающий их. Э.д.с. индуктированные потоком ФТ в секциях вторичной обмотки В взаимно уравновешиваются, так как эти секции включаются встречно – последовательно. Но с увеличением насыщения магнитопровода сопротивление ветви намагничивания БНТ резко падает и существенно ухудшается трансформаторная связь между рабочей и вторичной обмотками. А это приводит к увеличению тока срабатывания IСР, то-есть к загрубению защиты. Таким образом, обеспечивается отстройка от увеличивающихся токов небаланса при наличии в них как апериодической, так и периодической составляющих. Зависимость тока срабатывания реле ДЗТ от тока IТ (рис.4б), проходящего в тормозной обмотке, называется тормозной характеристикой. Эта зависимость наглядно показывает, что чем больше ток 14

внешнего КЗ, тем больше ток IТ и тем лучше отстройка от токов IНБ. Тормозная обмотка включается, как правило, в плечо той стороны трансформатора или автотрансформатора, где внешнее КЗ вызывает больший ток небаланса. Число витков тормозной обмотки определяется по выражению WT =

K OTC * I НБ * WP I К(3.)МАКС * tgα

,

(15)

где КОТС=1,5; WP – расчетное число витков уравнительной обмотки реле ДЗТ на стороне, где включена тормозная обмотка; IНБ – ток небаланса, определяемый по стороне с тормозной обмоткой; IК.МАКС(3) – ток внешнего трехфазного КЗ в максимальном режиме работы системы со стороны трансформатора, где включена тормозная обмотка; tgα=0,75…0,8 – тангенс угла наклона к оси абсцисс касательной, проведенной из начала координат к тормозной характеристике реле ДЗТ; Промышленностью выпускается реле с одной тормозной обмоткой типа ДЗТ-11, с тремя тормозными обмотками типа ДЗТ-13 и с четырьмя тормозными обмотками типа ДЗТ-14 [3]. Для трансформаторов и автотрансформаторов большой мощности освоен выпуск дифференциальной защиты с торможением типов ДЗТ-21 и ДЗТ-23 [4], в которых может быть установлена минимальная уставка по току срабатывания, равная 0,3IНОМ трансформатора. Для отстройки от бросков намагничивающего тока и переходных токов небаланса используется время – импульсный принцип блокирования защиты в сочетании с торможением от второй гармоники тока, содержащейся в токе намагничивания. Новая защита 15

обладает более высокой чувствительностью, быстродействием и потребляет меньшую мощность по сравнению с защитами, использующими БНТ. 5. Газовая защита Газовая защита устанавливается на маслонаполненных трансформаторах, автотрансформаторах и реакторах. Применение газовой защиты является обязательным на трансформаторах и автотрансформаторах мощностью 6300кВ*А и более, а на внутрицеховых подстанциях – мощностью 630кВ*А и более. Установка такой защиты допускается и на трансформаторах мощностью 1000…4000кВ*А, но не является обязательной. Действие газовой защиты основано на том, что всякие повреждения, а также повышенные нагревы внутри бака трансформатора вызывают разложение масла и органической изоляции обмоток, что сопровождается выделением газа. Интенсивность газообразования и химический состав газа зависят от характера и размеров повреждения. Поэтому при медленном газообразовании, свидетельствующем о медленном развитии аварии, газовая защита дает предупредительный сигнал, а при бурным газообразовании, вызванном КЗ, защита действует на отключение трансформатора. Она является единственной защитой, реагирующей на опасное понижение уровня масла и на витковые замыкания обмоток, сопровождаемые недостаточными для других видов защит значениями тока. Газовая защита осуществляется с помощью специальных газовых реле, которые подразделяются на поплавковые, лопастные и чашечные. Наибольшее распространение получили газовые реле типа РГЧ3, реле Бухгольца ВF 80/Q и струйное реле типа U&&RF 25/10. 16

6. Защита от сверхтоков. Защита трансформаторов и автотрансформаторов от сверхтоков является резервной, предназначенной для отключения их от источников питания как при повреждениях самих трансформаторов (автотрансформаторов) и отказе основных защит, так и при повреждениях смежного оборудования и отказе его защиты или выключателей. При отсутствии специальной защиты шин защита трансформаторов (автотрансформаторов) от сверхтоков осуществляет также защиту этих шин. Резервные защиты от междуфазных повреждений имеют несколько вариантов исполнения: 1). МТЗ без пуска по напряжению; 2). МТЗ с комбинированным пуском по напряжению; 3). МТЗ обратной последовательности с приставкой для действия при симметричных КЗ. Резервные защиты от замыкания на землю выполняются в виде токовой защиты нулевой последовательности.

6.1. Выбор схем резервных защит. Выбор схем защит производится в зависимости от типа защищаемого оборудования (трансформатора или автотрансформатора) и числа обмоток, а также от схемы питания (одностороннее, двухстороннее). 1) Для двухобмоточных трансформаторов в качестве резервной защиты от междуфазных повреждений используется МТЗ двухрелейного исполнения и с соединением трансформаторов тока в треугольник для повышения чувствительности. Первоначально рассчитывается МТЗ без пуска по напряжению, а если чувствительность защиты мала, то применяется комбинированный пуск по напряжению со стороны НН (рис.5). 17

Как видно из схемы Рис.5, в цепь обмоток реле времени КТ последовательно с контактами токовых реле КА1.1 и КА2.1 включен контакт промежуточного реле КL.1. Это реле фиксирует положение контактов пускового органа напряжения KV2 и минимального реле напряжения KV1. Напряжение на реле KV1 подается через контакт KV2.1 реле, включенного через фильтр напряжения обратной последовательности ZV2 [3]. При всех видах двухфазных КЗ вследствие возникновения напряжения обратной последовательности реле КV2 срабатывает и снимает напряжение с реле KV1, которое при этом также срабатывает и запускает промежуточное реле KL. В результате подается сигнал о работе защиты, а через выдержку времени – импульс на отключение. КV2.1

КА1.1.

КV1

КА1

КА2

КV2

КV1.1.

а в с

а)

КT

КА2.1. ZV2

ТА

КL.1.

от ТV

+

КL

КL.2. + сигнал

б)

на отключение

в)

Рис.5. МТЗ с комбинированным пуском по напряжению. При трехфазных КЗ напряжение обратной последовательности отсутствует, реле KV2 не срабатывает, но при достаточном снижении напряжения в сети срабатывает реле KV1. Для трехобмоточных трансформаторов с односторонним питанием МТЗ устанавливается на стороне питания и выполняется в трехфазном трехрелейном исполнении. Для обеспечения чувствительности комбинированный пуск по напряжению может осуществляться со стороны ВН и НН. 18

Защита действует на отключение с двумя выдержками времени: с первой выдержкой времени обычно отключается сторона СН, со второй – все выключатели трансформатора. Для трехобмоточных трансформаторов с двухсторонним питанием МТЗ (как правило, с пуском по напряжению) устанавливается на каждой стороне трансформатора и предназначается в основном, для резервирования защит присоединений своей стороны. 2) Выбор резервной защиты от междуфазных повреждений для автотрансформаторов зависит от схемы питания. Для автотрансформаторов с односторонним питанием на стороне питания устанавливается МТЗ с комбинированным пуском по напряжению; для обеспечения чувствительности пуск по напряжению может осуществляться со сторон СН и НН. Эта защита действует с двумя выдержками времени: с первой – отключается выключатель со стороны СН, со второй – все выключатели автотрансформатора. Кроме того, на стороне НН предусматривается МТЗ с пуском или без пуска по напряжению. Для автотрансформаторов с двухсторонним питанием на стороне ВН устанавливается МТЗ обратной последовательности (рис.6). Схема состоит из фильтра-реле тока обратной последовательности типа РТ-2 [3] (КА2 и ZA2) и реле времени КТ. КV1

КА1

КА2

ZА2

от ТV на шинах ВН

КА1.1.

КV1.1. КV2.1.

КV2

от ТV на шинах СН

КА2.1. КТ.1.

ТА

на отключение

+

а)

КT

б)

в)

Рис.6. МТЗ обратной последовательности с приставкой 19

В таком виде защита действует только при несимметричных КЗ. Поэтому для обеспечения действия защиты при трехфазных симметричных КЗ схему защиты дополняют приставкой, состоящей из токового реле КА1 и двух блокирующих реле минимального напряжения KV1, KV2 на сторонах ВН и СН. Приставка действует на то же реле времени. Отключение производится с двумя выдержками времени: с первой отключается выключатель стороны СН, со второй – все выключатели автотрансформатора. На стороне низшего напряжения предусматривается МТЗ с пуском или без пуска по напряжению. На мощных трансформаторах и автотрансформаторах, связывающих между собой основные сети напряжением 110÷750кВ, в качестве резервной защиты от внешних междуфазных КЗ применяется дистанционная защита. Это позволяет обеспечить необходимую чувствительность к удаленным КЗ, а так же селективность с аналогичными защитами линий электропередачи. 3) В качестве резервной защиты от замыканий на землю принимается токовая защита нулевой последовательности. На трансформаторах применяется МТЗ нулевой последовательности, которая может устанавливаться только со стороны обмоток, соединенных по схеме звезды и работающих с глухозаземленной нулевой точкой. Причем ток нулевой последовательности получается от трансформатора тока, включенного в провод, связывающий нейтраль трансформатора с землей. Это позволяет охватывать своей зоной действия обмотки звезды трансформатора. Трехобмоточные трансформаторы, имеющие две обмотки с заземленными нейтралями, оснащаются направленными 20

защитами нулевой последовательности, что необходимо для обеспечения селективности. На автотрансформаторе, работающем со встречнонаправленными токами в общей части обмоток высшего и среднего напряжения, защита нулевой последовательности в заземляющем нейтраль проводе не устанавливается, ее включают на трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности, устанавливаемый со стороны выводов ВН и СН. Для обеспечения селективности защиты нулевой последовательности выполняются направленными и двухступенчатыми. Первая ступень осуществляется в виде токовой отсечки с t=0,5с. Она отстраивается от быстродействующих защит присоединений, отходящих от шин. Вторая ступень выполняется как чувствительная МТЗ, полностью резервирующая защиту следующего участка сети. Каждая ступень защиты выполняется с двумя выдержками времени: с первой выдержкой времени отключается выключатель на стороне защиты, со второй – все выключатели автотрансформатора. 6.2. МТЗ без пуска по напряжению Ток срабатывания защиты отстраивается от максимального тока нагрузки I СЗ =

К ОТС * К СЗП * I НАГР.МАКС , КВ

(16)

где КОТС=1,2; – коэффициент самозапуска КСЗП=1,5…2,5 электродвигателей (может быть определен расчетом) КВ=0,8 (РТ-40) – коэффициент возврата реле;

21

IНАГР.МАКС – максимальный принимается равным трансформатора. Время срабатывания защиты

tT = t МТЗ . Л + ∆t ,

ток нагрузки, номинальному

обычно току

(17)

где tМТЗ.Л – время срабатывания МТЗ наиболее мощного присоединения, подключенного к соответствующим шинам; ∆t=0,4с – ступень селективности. Оценку чувствительности защиты производят при двухфазном КЗ в конце зоны резервирования, где коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,2. При выполнении защитой функции защиты шин коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5. 6.3. МТЗ с комбинированным пуском по напряжению Уставка МТЗ по току определяется по выражению (16) при условии: КСЗП=1 (наличие блокировки защиты по напряжению). Уставка блокирующего реле минимального напряжения KV1 (рис.5) U U СЗ = РАБ .МИН , (18) К ОТС * К В где UРАБ.МИН=0,9ּUНОМ – минимально допустимое рабочее напряжение; КОТС=1,2; КВ=1,1 (РН-50). Для реле напряжения обратной последовательности KV2 (рис.5) принимается уставка, равная 6В (реле KV2 и фильтр ZV2 входят в комплект фильтр-реле типа РНФ-1М [3]).

22

6.4. МТЗ обратной последовательности Защита реагирует на ток обратной последовательности (рис.6), появляющийся при несимметричных КЗ внешних и в трансформаторе. Ток срабатывания защиты выбирается из условия отстройки от тока обратной последовательности I2РАСЧ, протекающего через трансформатор (автотрансформатор) при несимметричном КЗ в конце зоны действия той защиты, с которой производится согласование: I 2СЗ = К ОТС * I 2 РАСЧ ,

(19)

где КОТС=1,2 Кроме того, защита должна быть неполнофазного режима работы сети. Практически, с запасом принимается

отстроена

от

I 2СЗ = (0,5...0,7) I ТР.НОМ

(20) Время срабатывания защиты принимается аналогично времени, определенному по выражению (17). Чувствительность защиты обычно проверяется при двухфазном КЗ на шинах СН и НН (понижающие трансформаторы). 6.5. Токовая защита нулевой последовательности Расчет защиты заключается в определении тока срабатывания отсечки для автотрансформаторов и тока срабатывания МТЗ для трансформаторов и автотрансформаторов. Ток срабатывания отсечки отстраивается от максимального тока нулевой последовательности 3IО.РАСЧ, протекающего через автотрансформатор при замыкании на землю в конце зоны действия первых ступеней земляных защит отходящих линий: 23

I СЗ .О = К ОТС * 3I О. РАСЧ ,

(21)

где КОТС=1,1…1,2. Чувствительность отсечки проверяется при КЗ на шинах в месте установки защиты: К Ч = 3I О. КЗ / I СЗ .О > 1.5 (22) Ток срабатывания МТЗ выбирается по условиям: А) согласования по чувствительности с защитами нулевой последовательности отходящих линий

I СЗ .О = К ОТС * I СЗ . Л ,

(23)

где КОТС=1,25; IСЗ.Л – ток срабатывания МТЗ нулевой последовательности отходящих линий с наибольшей уставкой. Б) отстройки от тока небаланса при внешних трехфазных КЗ на шинах подстанции I СЗ .О = К ОТС ⋅ I НБ . РАСЧ = К ОТС ⋅ К А ⋅ К 0 ⋅ Е ⋅ I К( 3.)МАКС , (24) где КА=1…2 – коэффициент, учитывающий наличие апериодической слагающей в токе КЗ (КА=1 при tСЗ>0,1с); К0=0,5…1 – коэффициент однотипности трансформаторов тока. Е=0,1 – относительная максимальная погрешность трансформаторов тока. Время срабатывания защиты. t СЗ .О = t СЗ . Л + ∆t , (25) где tСЗ.Л – время срабатывания МТЗ нулевой последовательности отходящей линии. Чувствительность защиты.

К Ч = 3I ОТ .МИН / I СЗ ≥ 1,2 ,

(26) 24

где 3IОТ.МИН – минимальный ток нулевой последовательности, проходящий по нейтрали трансформатора при однофазном КЗ в конце наиболее протяженной отходящей линии.

7. Расчет дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора Исходные данные: трансформатор ТДН-16000/110; SH=16MB*A; UBH=115kB; UHH6,6kB; UK=10,5%; со стороны высшего напряжения установлен РПН (9х1,78)%; схема ( 3) соединения обмоток У/Д-11; I К .МАКС = 850 А – максимальный ток трехфазного КЗ на выводах 6,6кВ, приведенный к стороне ( 2) 115кВ; I К .МИН = 520 А – минимальный ток двухфазного КЗ на выводах 6,6кВ, приведенный к стороне 115кВ. Расчет начинается с определения вторичных токов в плечах дифференциальной защиты, результаты сводятся в таблицу 1. Таблица 1. Численные значения

Наименование величины

для стороны 115кВ

6,6кВ

Первичные номинальные токи

(

(

)

трансформаторов, А Коэффициенты трансформации

)

16000 / 3 ⋅ 115 = 80,3 16000 / 3 ⋅ 6,6 = 1399,7

250/5

200

трансформаторов тока 25

Схемы соединения обмоток

Д

У

трансформаторов тока Вторичные токи в плечах защиты, А

1399,7 ⋅ 3 / 400 = 3,5 80,3 ⋅ 3 / 50 = 2,78

Поскольку со стороны 6,6кВ проходит наибольший вторичный ток, она принимается за основную. А. Выясняется возможность применения дифференциальной отсечки. Ток срабатывания такой защиты находится по условиям (2), (3): I СЗ = К ОТС * I ТР.НОМ = 4 * 80,3 = 321,2 А А) ′ + Й′НБ ′′ ; I СЗ = К ОТС * I НБ ; ЙНБ = Й′НБ + Й′НБ Б)

′ = K А * K 0 * EI ( 3) К .МАКС По выражению (5) I НБ ′ = 2 *1* 0,1* 850 = 170 А I НБ

′′ = ∆U * I К( 3.)МАКС = 0,16 * 850 = 136 А По выражению (6) I НБ где ∆U=9х0,0178=0,16

′′′ = ( I 1В − I 2 В ) * I К .МАКС / I 1В По выражению (7) I НБ ′′′ = (2,78 − 3,5) * 850 / 2,78 = 220 А; I НБ ( 3)

IНБ=170+136+220=526А IСЗ=1,3*526=684А Принимается уставка IСЗ=684А. 26

Ток срабатывания реле, отнесенный к основной стороне 6,6кВ определяется по выражению (8) I СР = I СЗ * К СХ / ηТА I СР =

684 *115 *1 = 29,8 А 6,6 * 400

Коэффициент чувствительности дифференциальной отсечки определяется по минимальному вторичному току IР.МИН, проходящему по обмоткам токовых реле КА1, КА2 (рис.7) при двухфазном КЗ за трансформатором со схемой соединения обмоток У/Д-11. В соответствии с токораспределением в цепях защиты I Р.МИН = 1,5 * 2 * I К( 2.)МИН /( 3 *ηТА ) ; IР.МИН=1,5*2*520/( 3 *50)=18А I Р.МИН 18 = = 0,6 < 2 КЧ = 29,8 I СР Грубую оценку чувствительности защиты можно сделать по отношению

I К( 2.)МИН 520 КЧ = = = 0,76 < 2 I СЗ 684

Дифференциальная отсечка не проходит по чувствительности.

Б. Проверяется возможность использования дифференциальной защиты с реле РНТ: А) по условию (2) I СЗ = К ОТС * I ТР.НОМ , где КОТС=1,3 – при использовании реле РНТ; КОТС=1,5 – для защиты с торможением (реле ДЗТ) IСЗ=1,3*80,3=104А Б) по условию (3) без учета составляющей 27

′′′ I НБ

′ + I НБ ′′ ) I СЗ = К ОТС * ( I НБ ′ = К А * К 0 * ЕI К( 3.)МАКС , I НБ

где КА=1 – при использовании в защите реле РНТ или ДЗТ;

In = In =

2 ( 2) ⋅ I к . мин ⋅ 3 3

2 ⋅ 520 ⋅ 3 = 601 А 3

I р. мин. = 1,5 ⋅ I n / η ТА I р. мин. = 1,5 ⋅ 601 / 550 = 18 А

Рис.7. Распределение токов в цепях дифференциальной отсечки при двухфазном КЗ со стороны 6,6кВ трансформатора. ′ = 1*1* 0,1* 850 = 85 А; I НБ ′′ = 136А; I НБ I СЗ = 1,3 * (85 + 136) = 287 А.

Предварительно принимается IСЗ=287А. Тогда

I CP = I СЗ * К СХ / ηТА =

278 *115 *1 = 12,5 А 6,6 * 400

28

I Р.МИН 18 = = 1,44 < 2 КЧ = 12,5 I CP I К( 2.)МИН 520 = = 1,8 < 2 . При грубой оценке К Ч = I 287 СЗ

29

при двухфазном КЗ со стороны 6,6кВ трансформатора.

Рис.8. Распределение токов в цепях дифференциальной защиты с реле РНТ

Чувствительность защиты недостаточная. В учебных целях продолжим рассмотрение варианта защиты с реле РНТ. В качестве основной обмотки указанного реле (со стороны 6,6кВ, принятой главной) используется уравнительная обмотка У1 (рис.8), а другая уравнительная обмотка У2 применяется для выравнивания токов в плечах защиты. Рабочая обмотка Р не используется.

По выражению (10) определяется расчетное значение витков основной обмотки W6.6 РАСЧ = WУ 1РАСЧ = FCP / I CP = 100 / 12,5 = 8

Принимается W6,6РАСЧ=WУ1=8 Число витков уравнительной обмотки У2 определяется из условия (11) равенства нулю результирующей м.д.с.

I 2 В *WУ 1 − I1В *WУ 2 = 0;

W115 РАСЧ = WУ 2 РАСЧ =

I 2 В * WУ 1 3,5 * 8 = = 10,07 I 1В 2,78

Принимается W115=WУ2=10 Производится по выражению (12) уточнение расчета с

′′′ определением составляющей I НБ ′′′ = I НБ

WУ 2 РАСЧ − WУ 2 10,07 − 10 * I К(3.)МАКС = * 850 = 6 А WУ 2 РАСЧ 10,07

IНБ=85+136+6=227А IСЗ=1,3*227=295А ICP=295*115*1/6,6*400=12,85А КЧ=18/12,85=1,4<2 W6,6РАСЧ=100/12,85=7,78; W6,6=WУ1=8 WУ2РАСЧ=3,5*8/2,78=10,07; WУ2=10 ′′′ = I НБ

10,07 − 10 * 850 = 6 10,07

А; IНБ=85+136+6=227А

IСЗ=1,3*227=295А Окончательно принимается WУ1=W6,6=8; WУ2=W115=10 В. Поскольку защита с РНТ не обеспечивает необходимую чувствительность, принимается для рассматриваемого трансформатора вариант дифференциальной защиты с реле ДЗТ-11, имеющим одну тормозную обмотку. При 30

одностороннем питании трансформатора тормозная обмотка Т включается в плечо защиты со стороны нагрузки (рис.9), что позволяет исключить влияние магнитного торможения при КЗ в зоне действия защиты. Уставка защиты принимается только по условию отстройки от бросков тока намагничивания трансформатора I СЗ = К ОТС * I ТР . НОМ

где КОТС=1,5 (для ДЗТ); IСЗ=1,5*80,3=120,5А I CP = K СХ * I СЗ / ηТА = КЧ =

1*120,5 *115 = 5,25 А 6,6 * 400

I Р.МИН 18 = = 3.43 > 2 I CP 5.25

Чувствительность защиты с ДЗТ-11 обеспечивается. Числа витков обмоток ДЗТ для выравнивания м.д.с. определяется аналогично тому, как это выполнялось для защиты с РНТ: W6, 6 РАСЧ = WУ 2 РАСЧ = FCP / I CP = 100 / 5,25 = 19,05 Принимаем W6,6=WУ2=19

I 1ВWУ 1 − I 2 ВWУ 2 = 0

W115 РАСЧ = WУ 1РАСЧ =

I 2В 3,5 * WУ 2 = *19 = 23,9 I 1В 2,78

Принимаем W115=WУ1=24

31

при двухфазном КЗ со стороны 6,6кВ трансформатора.

Рис.9. Распределение токов в цепях дифференциальной защиты с реле ДЗТ

′′′ = I НБ

WУ 1РАСЧ − WУ 1 (3) 23,9 − 24 * I К .МАКС = * 850 = 4 А WУ 1РАСЧ 23,9

IНБ=85+136+4=225А Согласно выражению тормозной обмотки WT =

(15)

определяется

число

витков

K ОТС * I НБ * WP 1,5 * 225 *19,05 = = 9,95 ( 3) 850 * 0,76 I К .МАКС * tgα

На тормозной обмотке реле ДЗТ-11 могут быть установлены числа витков: 1,3,5,7,9,11,13,18,24; Принимается WT=11 32

Следовательно, для защиты выставляются следующие числа витков: WУ1=24; WУ2=19; WT=11 8. Расчет дифференциальной защиты автотрансформатора Исходные данные: автотрансформатор АТДТН-32000/220 с проходной мощностью SПРОХ=32МВ*А, типовая мощность автотрансформатора SТИП составляет 50%, а мощность обмотки 10кВ-37,5% его проходной мощности; UВН=230кВ; UCH=121kB; UHH=11kB; на стороне среднего напряжения имеется РПН (5х2)%; схема соединения обмоток У/У/Д; автотрансформатор запитан со стороны высшего напряжения от энергосистемы с параметрами XС.МАКС=60 Ом, XС.МИН=90 Ом, сопротивление системы нулевой последовательности XС.О=140 Ом (сопротивления приведены к базисному напряжению UБ=230кВ) UKBH-CH=11%; UKBH-HH=34%; UKCH-HH=21%; UKBH=0,5(UKBH-CH+UKBH-HH-UKCH-HH)=0,5(11+34-21)=12% UKCH=0,5(UKBH-CH+UKCH-HH-UKBH-HH)=0,5(11+21-34)=0% UKHH=0,5(UKBH-HH+UKCH-HH-UKBH-CH)=0,5(34+21-11)=22% Для составления схемы замещения сопротивления сторон автотрансформатора. U KBH *U Б2 12 * 2302 XB = = = 200Ом; 100 * S ПРОХ 100 * 32

XC=0; XH

U KHH * U Б2 22 * 230 2 = = = 360Ом 100 * S ПРОХ 100 * 32 33

вычисляются

Рис.10. а) Исходная схема; б) схема замещения прямой (обратной) последовательности; в) схема замещения нулевой последовательности. Определяются вторичные токи в плечах защиты, результаты сводятся в таблицу 2.

Таблица 2 Наименование величины

Численные значения для стороны 230кВ

121кВ

11кВ

Первичные токи на сторонах автотрансформа тора,

32000 3 * 230

32000

= 80,4

3 * 121

соответствующи е его проходной мощности, А Коэффициенты 34

= 152,9

32000 3 * 11

= 1682

трансформации 150/5

300/5

2000/5

Д

Д

У

80,4 * 3 = 4,64 30

152,9 * 3 = 4,41 60

1682 *1 = 4,21 400

трансформаторо в тока Схемы соединения обмоток трансформаторо в тока Вторичные токи в плечах защиты, соответствующи е проходной мощности автотрансформа тора, А

Определяются первичные максимальные токи КЗ, протекающие через автотрансформатор при внешних повреждениях на шинах 110кВ и 10кВ. А) повреждение на шинах 110кВ (точка К1) I K(31),110 =

UБ 3 ( X С .МАКС + Х В )

=

230000 3 (60 + 200)

= 511А

б) повреждение на шинах 10кВ (точка К2) I K(32),10 =

UБ 3 ( X С .МАКС + Х В + Х Н )

=

230 3 (60 + 200 + 360)

= 214 А

А. Предлагается использование дифференциальной защиты с РНТ и определяются первичные токи небаланса без учета ′′′ : составляющей I НБ А) при повреждении на шинах 110кВ 35

′ .К 1 + I НБ ′′ .К 1 = К А * К 0 * EI К(31),10 + ∆U110 * I К(31),110 , I НБ .К 1 = I НБ где ∆U110=0,1 – половина диапазона регулирования напряжения на стороне 110кВ; IНБ.К1=1*1*0,1*511+0,1*511=102А Б) при повреждении на шинах 10кВ ′ .К 2 + I НБ ′′ .К 2 = К А * К 0 * EI К(32),110 + 0 = 1*1* 0,1* 214 = 21,4 А I НБ .К 2 = I НБ Определяется предварительно первичный ток срабатывания защиты: 1) по условию отстройки от наибольшего тока небаланса на стороне 110кВ IСЗ=КОТС*IНБ.К1=1,3*102=132,6А 2) по условию отстройки от бросков тока намагничивания при включении ненагруженного автотрансформатора под напряжение IСЗ=КОТС*IТИП, – ток, соответствующий типовой мощности где IТИП автотрансформатора,

I ТИП = S ТИП /( 3 *U ВН ) = 16000 /( 3 * 230) = 40,2 А IСЗ=1,3*40,2=52,3А Принимается IСЗ=132,6А Ток срабатывания реле по основной стороне 220кВ 132,6 * 3 = 7,65 А I СР = 30 Проверяется чувствительность защиты в минимальном режиме работы энергосистемы и следующих дополнительных условий: 1) двухфазном КЗ на стороне 10кВ в точке КЧ; 2) трехфазном замыкании на стороне 110кВ в точке К3; 3) однофазном замыкании на стороне 110кВ в точке К3. По условию ( 2) I КЧ ,10 =

1)

UБ 230000 = = 177 А 2( Х С .МИН + Х В + Х Н ) 2(90 + 200 + 360)

Определяется ток в реле в соответствии токораспределением в цепях защиты (рис.11) 36

с

I Р.МИН = 1,5 *

2

( 2) * I КЧ ,10 / η ТА = 1,5 *

3

К Ч( 2) =

2 3

* 177 / 30 = 10,2 А

I Р.МИН 10,2 = = 1,33 < 2 I СР 7,65

При грубой оценке

К

( 2) Ч

=

( 2) I КЧ ,10

=

I СЗ

177 = 1,34 < 2 132,6

По условию ( 3) 1) I К 3,110 =

UБ 3 ( Х С .МИН + Х В )

I Р.МИН =

К Ч(3) =

=

230000 = 458 А 3 (90 + 200)

I К( 33),110 * К СХ

ηТА

=

458 * 3 = 26,4 А 30

I Р.МИН 26,4 = = 3,45 > 2 7,65 I СР

Рис.11. Распределение токов в цепях дифференциальной защиты при двухфазном КЗ со стороны 11кВ автотрансформатора. 37

По условию (1) I К 2) 3,110 =

3 *U Б 2( Х Σ1 + Х Σ 0 ) ,

– суммарное сопротивление где ХΣ1 последовательности при КЗ в точке К3; ХΣ1=ХС.МИН+ ХВ=90+200=290 Ом; ХΣ0 – суммарное сопротивление последовательности при КЗ в точке К3 Х Σ0 = I К(13) ,110

прямой нулевой

( Х С .О + Х В ) * Х Н (140 + 200) * 360 = = 175Ом Х С .О + Х В + Х Н 140 + 200 + 360

- полный ток однофазного КЗ в точке К3 I К(13) ,110 =

3 * 230000 = 527 А 2 * 290 + 175

Ток однофазного КЗ, проходящий через первичные цепи защиты I

=

(1) К 3,110 ,1

I Р.МИН =

К Ч(1) =

Х Н * I К(13) ,110 Х С .О + Х В + Х Н

I К(13) ,110 ,1

η ТА

=

=

360 * 527 = 271А 140 + 200 + 360

271 = 9,03 А 30

I Р.МИН 9,03 = = 1,18 < 2 I СР 7,65

Чувствительность защиты с реле РНТ по условиям 1) и 3) недостаточная. Б. Рассматривается вариант дифференциальной защиты с реле ДЗТ-11. Ток срабатывания защиты принимается только по условию отстройки от бросков тока намагничивания IСЗ=КОТС*IТИП, где КОТС=1,5 (ДЗТ) 38

IСЗ=1,5*40,2=60,3А I СР = 60,3 * 3

30

= 3,48 А

При двухфазном КЗ на стороне 10кВ в точке КЧ К Ч( 2) =

I Р.МИН 10,2 = = 2,93 > 2 I СР 3,48

При однофазном КЗ на стороне 110кВ в точке КЗ К Ч(1) =

I Р.МИН 9,03 = = 2,59 > 2 I СР 3,48

Чувствительность защиты с ДЗТ-11 обеспечивается. Определяются числа витков обмоток ДЗТ-11. Основная сторона 220кВ с вторичным током, равным 4,64А; IСР=3,48А; W220,РАСЧ=WР,РАСЧ=FСР/IСР=100/3,48=28,7; Принимается WP=W220=28, тогда IСР=100/28=3,57А 10,2 К Ч( 2) = = 2,86 > 2 3,57 К Ч(1) =

9,03 = 2,53 > 2 3,57

Сторона 110кВ. WУ 1, РАСЧ = W110, РАСЧ =

WP * I В. ВН 28 * 4,64 = = 29,5 , I В.СН 4,41

принимается WУ1=W110=30; Сторона 10кВ. WУ 2, РАСЧ = W10, РАСЧ =

WP * I В. ВН 28 * 4,64 = = 30,85 I В.НН 4,21

принимается WУ2=W10=31; Уточнение токов небаланса: А) сторона 110кВ 39

′′′ . К 1 = I НБ

WУ 1. РАСЧ − WУ 1 (3) 29,5 − 30 * I К 1.110 = * 511 = 8,7 А WУ 1.РАСЧ 29,5

IНБ.К1=102+8,7=110,7А Б) сторона 10кВ ′′′ .К 2 = I НБ

WУ 2. РАСЧ − WУ 2 30,85 − 31 * 214 = 1А * I К( 32).10 = WУ 2.РАСЧ 30,85

IНБ.К2=21,4+1=22,4А. Выбирается место включения тормозной обмотки реле ДЗТ-11 На трехобмоточных понижающих трансформаторах (автотрансформаторах) с односторонним питанием рекомендуется выбирать место включения тормозной обмотки таким образом, чтобы определяющим для выбора тока срабатывания было бы условие отстройки от броска тока намагничивания. Для этого тормозная обмотка, как правило, включается в плечо той стороны трансформатора, где внешнее КЗ вызывает больший ток. Если же отстройка от тока небаланса при КЗ на другой стороне требует увеличения тока срабатывания защиты больше чем 1,5 IНОМ.ТР, рекомендуется включить тормозную обмотку ДЗТ-11 на сумму токов плеч защиты питаемых сторон. В рассматриваемом примере тормозную обмотку включаем в плечо 110кВ с наибольшим током небаланса IНБ.К1=110,7А. При этом несрабатывание защиты при внешнем повреждении на шинах 10кВ, когда торможение отсутствует, обеспечивается выбором тока срабатывания, так же как и для защиты с устройством РНТ где КОТС=1,5 (ДЗТ), тогда -IСЗ=КОТС*IНБ.К2, IСЗ=1,5*22,4=33,6А. 40

Но определяющим является условие отстройки от броска и тока намагничивания, по которому IСЗ=60,3А обеспечивается необходимая чувствительность защиты. Определяется число витков тормозной обмотки реле ДЗТ11, необходимое для обеспечения бездействия защиты при внешнем трехфазном КЗ в точке К1, по выражению (15) WT =

K OTC * I НБ .К 1 * WУ 1.РАСЧ 1,5 *110,7 * 29,5 = = 12,6 ( 3) 511 * 0,76 I К 1.110 * tgα

принимается WТ=13. Для защиты выставляются следующие числа витков обмоток реле ДЗТ-11: WP=28; WУ1=30; WУ2=31; WТ=13

Рис.12. Схема включения обмоток реле ДЗТ-11 в дифференциальной защите автотрансформатора. 9. Расчет дифференциальной защиты трехобмоточного трансформатора Исходные

данные:

трех-обмоточных

трансформатор

ТДЦТН-63000/220;

UBH=230kB±12%;

UCH=38,5kB±5%;UHH=11;

понижающий

SТ=

63МВ*А;

UKBH-CH=12,5%;

UKBH-HH=24%; UKCH-HH=10,5%; схема соединения обмоток 41

У/У/Д;

трансформатор

питается

от

энергосистемы

с

параметрами ХС.МАКС=12 Ом, ХС.МИН=18 Ом (сопротивления приведены к базисному напряжению UБ=230кВ) UKBH=0,5(12,5+24-10,5)=13% UKСH=0,5(12,5+10,5-24)=0 UKНH=0,5(24+10,5-12,5)=11% Сопротивления сторон трансформатора U KBH * U Б2 13 * 230 2 XB = = = 109Ом; 100 * S T 100 * 63

ХС=0; U KHH * U Б2 11 * 230 2 = = 92.4Ом XH = 100 * ST 100 * 63

220кВ

Х сист.

К3

К1 Xв

35кВ

Т

К4 Xн

К2 10кВ а)

б)

Рис.13. а) Исходная схема; б) Схема замещения 42

При расчетах Т.К.З. для защит трансформаторов с РПН учитывается изменение сопротивления за счет регулирования напряжения. Для трансформаторов 220кВ можно принять: XТ.МИН=ХТ.НОМ*(1-∆U)2; XТ.МАКС=ХТ.НОМ*(1+∆U)2; Отсюда XВ.МИН=109(1-0,12)2=84,4 Ом; XВ.МАКС=109(1+0,12)2=137 Ом; XН.МИН=92,4(1-0,12)2=71,6 Ом; XН.МАКС=92,4(1+0,12)2=116 Ом; Ток КЗ на шинах СН (рис.13, точка К1) I К(31).МАКС = I К( 21).МИН =

UБ 3 ( Х С .МАКС + Х В.МИН )

230

=

3 (12 + 84,4)

= 1,38кА;

UБ 230 = = 0,742кА; 2( Х С .МИН + Х В.МАКС ) 2(18 + 137)

Ток КЗ на шинах НН (рис.13, точка К2) UБ

I К( 32).МАКС =

3 ( Х С .МАКС + Х В.МИН + Х Н .МИН )

I К( 22).МАКС =

230

=

UБ 2( Х С .МИН + Х В.МАКС + Х Н .МАКС )

3 (12 + 84,4 + 71,6)

=

= 0,791кА;

230 = 0,424кА; 2(18 + 137 + 116)

Токи КЗ приведены к ступени напряжения 230кВ. Определяются вторичные токи в плечах защиты, результаты сводятся в таблицу3. Таблица 3 Наименование величины

Численные значения для стороны 230кВ

Первичные номинальные токи

63000 3 * 230

38,5кВ

= 158

трансформатора, А Коэффициенты 43

63000 3 * 38,5

= 945

11кВ 63000 3 * 11

= 3310

трансформации трансформаторов тока

400/5

2000/5

4000/5

Д

Д

У

158 * 3 = 3,42 80

945 * 3 = 4,09 400

3310 = 4,13 800

Схемы соединения обмоток трансформаторов тока Вторичные токи в плечах защиты, А

А. Дифференциальная защиты с реле РНТ. Ток срабатывания защиты определяется по условиям: А) отстройки от бросков тока намагничивания IСЗ=КОТС*IТР.НОМ=1,3*158=205А Б) отстройка от тока небаланса I СЗ = К ОТС ( К А * К 0 * Е + ∆U 230 + ∆U 38,5 ) * I К(31).МАКС

IСЗ=1,3(1*1*0,1+0,12+0,05)*1380=484А Принимается IСЗ=484А. Предварительная проверка чувствительности защиты производится по первичным токам при двухфазном КЗ на стороне НН (рис.13, точка К4) I К( 22).МИН 424 = = 0,88 < 2 К4 = 484 I СЗ

Б. Поскольку защита с реле РНТ не обеспечивает требуемую чувствительность, применяется защита с реле ДЗТ. Определяется уставка защиты по условиям: А)отстройки от бросков тока намагничивания трансформатора IСЗ=КОТС*IТР.НОМ, где КОТС=1,5 (ДЗТ) IСЗ=1,5*158=237А Б) отстройки от тока небаланса при КЗ на шинах С.Н. I СЗ = К ОТС ( К А * К 0 * Е + ∆U 230 + ∆U 38,5 ) * I К(31).МАКС

IСЗ=1,5(1*1*0,1+0,12+0,05)*1380=559А; 44

В)отстройки от тока небаланса при КЗ на шинах Н.Н I СЗ = К ОТС ( К А * К 0 * Е + ∆U 230 ) * I К(32).МАКС ; IСЗ=1,5(1*1*0,1+0,12)*791=261А; Принимается реле ДЗТ-11 с установкой тормозной обмотки со стороны С.Н.. Тогда отстройка от токов небаланса при КЗ на шинах С.Н. будет обеспечена за счет магнитного торможения, а ток срабатывания защиты принимается IСЗ=261А Чувствительность защиты при КЗ на стороне Н.Н в условиях минимального регулирования I К( 22).МИН 424 К4 = = = 1,63 < 2 I СЗ 261

несколько меньше нормируемой, однако, номинальном коэффициенте трансформации I К( 22).МИН . Н =

уже

при

UБ 230 = = 0,524кА; 2( Х С .МИН + Х В + Х Н ) 2 * (18 + 109 + 92,4) К4 =

524 = 2,01 > 2 261

Из таблицы 3 следует, что в качестве основной следует взять сторону защиты 11кВ. I CP.11 =

I СЗ *η Т * К СХ

η ТА

=

261 * 230 * 5 *1 = 6,82 А 11 * 4000

Расчетное число витков рабочей обмотки для основной стороны WР.РАСЧ=W11.РАСЧ=FCP/ICP.11=100/6,82=14,66; что соответствует Принимается WP=W11=14, IСР.11=100/14=7,14А; I *η 7,14 *11 * 4000 I СЗ = CP.11 TA = = 273 А 230 * 5 *1 η T * K CX Расчетные числа витков для других сторон трансформатора: 45

Для стороны 230кВ WУ 1.РАСЧ = W230. РАСЧ =

W11 * I B.11 14 * 4,13 = = 16,9 I B.230 3,42

принимается WУ1=W230=17; для стороны 38,5кВ WУ 2. РАСЧ = W38,5.РАСЧ =

W11 * I B.11 14 * 4,13 = = 14,1 I B.38,5 4,09

принимается WУ2=W38,5=14 Ток срабатывания защиты выравнивания I СЗ = К ОТС ( К А * К 0 * Е + ∆U 230 +

I СЗ = 1,5(1 * 1 * 0,1 + 0,12 +

с

учетом

погрешности

WУ 1. РАСЧ − WУ 1 ) * I К(32).МАКС ; WУ 1. РАСЧ

16,9 − 17 ) * 791 = 268 А; 16,9

Уточненный расчетный ток срабатывания реле I СР11 =

268 * 230 * 5 * 1 = 7,005 < 7.14 А 11 * 4000

Поскольку уточненный ток срабатывания реле меньше фактического, то выбор витков обмоток реле ДЗТ-11 закончен. Расчетный ток небаланса защиты при КЗ на стороне 38,5кВ с учетом погрешности выравнивания I НБ .38,5 = ( К А * К 0 * Е + ∆U 230 + ∆U 38,5 + I НБ .38,5 = (1 * 1 * 0,1 + 0,12 + 0,05 +

WУ 2.РАСЧ − WУ 2 ) * I К( 31).МАКС WУ 2. РАСЧ

14,1 − 14 ) *1380 = 382 А 14,1

Согласно (15) число витков тормозной обмотки WT =

K ОТС * I НБ .38,5 * W38,5.РАСЧ I К(31).МАКС * tgα

принимается WТ=9 46

=

1,5 * 382 * 14,1 = 7,32 А 1380 * 0,8

Фактическая чувствительность защиты определяется приближенно по первичным токам при расчетном КЗ на стороне 11кВ для случаев минимального и нормального регулирования напряжения. К4 =

I

( 2) К 2. МИН

I СЗ

( 2) I 524 К 2. МИН . Н 424 = = 1,92 = = 1,56 и К 4 = 273 I СЗ 273

Поскольку чувствительность защиты примерно соответствует 2, то дифференциальная защиты с ДЗТ-11 рекомендуется к установке со следующими данными (рис.14): WP=W11=14; WУ1=W230=17; WУ2=W38,5=14; WT=9 110 кВ

35 кВ

17 вит. 4

9 вит.

Т

2

Wт

Wу1

9

14 вит. 6

1

14 вит. 5

Wу2

8

3

Wр

10 кВ

Рис.14. Схема включения обмоток реле ДЗТ-11 в дифференциальной защите трехобмоточного трансформатора.

10.Расчет защит повышающего трансформатора связи Исходные данные: повышающий трансформатор связи ТДЦ-80000/220 работает через один выключатель на двойную систему шин 220кВ с обходной и через один выключатель на секцию шин генераторного напряжения 10кВ (рис.15); UBH=242kB; UHH=10,5kB; UK=11%; SН=80000кв*А; РПН±(9х1,78)%; схема соединения обмоток У/Д-11; 47

I К( 3.)МАКС = 1730

А – максимальный ток трехфазного КЗ на I К( 2.)МИН = 1350 А – выводах 220кВ трансформатора; минимальный ток двухфазного КЗ на выводах 220кВ. Для трансформатора связи рассматриваются следующие защиты: 1) Продольная дифференциальная защита при повреждениях обмоток, вводов и ошиновки трансформатора; 2) Газовая защита – при повреждениях внутри бака трансформатора, сопровождающихся выделением газа, а также при понижении уровня масла; 3) Максимальная токовая защита с пуском по напряжению – от внешних симметричных КЗ; 4) Одноступенчатая токовая защита обратной последовательности – от внешних несимметричных КЗ; 5) Одноступенчатая токовая защита нулевой последовательности – от внешних однофазных КЗ на землю в сети с заземленными нейтралями при работе трансформатора связи с заземленной нейтралью; 6) Одноступенчатая максимальная защита напряжения нулевой последовательности – от внешних однофазных КЗ на землю в сети с заземленными нейтралями при работе трансформатора связи с изолированной нейтралью; 7) Защита от симметричных перегрузок А. Рассматривается дифференциальная защита с реле РНТ и определяются вторичные токи в плечах защиты (таблица 4). Таблица 4 Наименование

Численные значения для стороны

величины Первичные

242кВ 80000/(

3 *242)=191 48

10,5кВ 80000/(

3 *10,5)=4404

номинальные токи трансформатора, А Коэффициенты

400/5

5000/5

Д

У

трансформации трансформаторов тока Схемы соединения обмоток трансформаторов 191*

тока

3 /80=4,13

4404/1000=4,4

Вторичные токи в плечах защиты, А

Условия определения уставки защиты: А) отстройка от бросков тока намагничивания трансформатора IСЗ=КОТС*IТР.НОМ=1,3*191=248,3А Б) отстройка от тока небаланса I СЗ = К ОТС ( К А * К 0 * Е + ∆U ) * I К( 3.)МАКС ; IСЗ=1,3(1*1*0,1+0,16)*1730=585А; Принимается IСЗ=585А. I *η * K CX 585 * 242 * 5 *1 I CP = СЗ T = = 13,5 А η TA 10,5 * 5000 В соответствии с токораспределением в цепях защиты (рис.15) при двухфазном КЗ на выводах трансформатора со стороны ВН по реле проходит ток IР.МИН. I CP =

Тогда

К4 =

2 I К( 2.)МИН *η Т * K CX 3 *η TA

=

2 * 1350 * 242 * 5 * 1 3 * 10,5 * 5000

I Р.МИН 36 = = 2,67 > 2 I СР 13,5 49

= 36 А

I К( 2.)МИН 1350 = = 2.31 > 2 При грубой оценке К 4 = I 585 СЗ

Поскольку со стороны 10,5кВ проходит наибольший вторичный ток (таблица 4), она принимается основной и для нее используется уравнительная обмотка У1, а другая уравнительная обмотка У2 применяется для выравнивания токов в плечах защиты. Рабочая обмотка Р не используется. Определяется расчетное значение витков основной обмотки WУ1.РАСЧ=W10,5.РАСЧ=FCP/ICP=100/13,5=7,41 Принимается WУ1=7 витков Неосновная сторона 242кВ: WУ2РАСЧ=W242.РАСЧ=WУ1*IВ.10,5/IВ.242=7*4,4/4,13=7,46 Принимается WУ2=8 А

В

С

242кВ I(2) к.мин.=1350А

Т

к реле

5000 5

18А

36А

18А

I(2) к.мин.. * 242

10,5кВ

3 *10.5 А

В

С

Рис.15. Распределение токов в цепях дифференциальной защиты при двухфазном КЗ со стороны 242кВ трансформатора связи. 50

Производится

′′′ составляющей I НБ ′′′ = I НБ

уточнение

расчета

с

определением

WУ 2. РАСЧ − WУ 2 7,46 − 8 * I К(3.)МАКС = *1730 = 125 А WУ 2. РАСЧ 7,46

IСЗ=1,3(0,26*1730+125)=747,5А; I СР =

747,5 * 242 * 5 * 1 = 17,2 А; 10,5 * 5000

36 = 2,09 > 2 17,2 WУ1.РАСЧ=100/17,2=5,81; WУ1=6 WУ2.РАСЧ=6*4,4/4,13=6,39; WУ2=6 Окончательно для обмоток реле РНТ принимается: WУ1=6; WУ2=6. Б. Газовая защита выполняется с помощью газового реле типа РГЧЗ-66 с чашкообразными элементами, устанавливаемого в маслопроводе между баком и расширителем трансформатора. Предусматривается использование элементов газового реле KSG (рис.16в): при слабом газообразовании – на сигнал и при интенсивном – на отключение. Газовая защита отличается высокой чувствительностью и реагированием практически на все виды повреждения внутри бака. В. Защита от внешних симметричных КЗ выполняется в виде МТЗ с пуском напряжения по сторонам ВН и НН трансформатора. Используется (рис.16, б, в), реле тока типа РТ-40 (КАЗ), два реле напряжения типа РН-54/160 (KV1, KV2) и реле времени (КТ2). Уставка МТЗ по току принимается согласно выражению (16) при условии КСЗП=1: К4 =

I СЗ =

I CP =

К ОТС * К СЗП 1,2 *1 * I ТР. НОМ = * 4404 = 6606 КВ 0,8

I СЗ * К СХ

ηТА

=

6606 *1 * 5 = 6,6 5000 51

А;

А;

Время срабатывания защиты t2=tМТЗ.Л+∆t, где tМТЗ.Л=2с – время срабатывания МТЗ наиболее мощной линии, подключенной к шинам 220кВ; ∆t=0,4с – ступень селективности t2=2+0,4=2,4с Уставки блокирующих реле минимального напряжения KV1 и KV2 определяются по выражению (18): Для реле KV1: UСЗ1=0,9UНОМ/(КОТС*КВ)=0,9*220000/(1,2*1,1)=150000 UCP1=UСЗ1/ηТV, где ηТV – коэффициент трансформации трансформатора напряжения UCP1=150000/2200=68,2В; Для реле KV2; UСЗ2=0,9*10000/(1,2*1,1)=6818В UCP2=6818/100=68,2В Чувствительность защиты при КЗ на шинах ВН в минимальном расчетном режиме I К( 2.)МИН 1350 * 242 = = 4,71 > 1,5 К4 = 10,5 * 6606 I СЗ

Г. для защиты от внешних несимметричных КЗ используется токовая защита обратной последовательности (рис.16, б, в) с реле типа РТФ-7/1 (KAZ1) [3] и реле времени (KT1). Ток срабатывания защиты принимается по выражению (20) I 2СЗ = 0,6 I ТР . НОМ = 0,6 * 4404 = 2642 А;

I 2CP =

I 2СЗ * К СХ

ηТА

=

2642 * 5 *1 = 2,64 5000

А

Время срабатывания защиты t1≈t2=2,4с Чувствительность защиты проверяется при двухфазном КЗ на шинах ВН. 52

I К( 2.)МИН 1350 * 242 = = 11,8 > 1,5 К4 = 10,5 * 2642 I 2СЗ

Д. Поскольку трансформатор связи по стороне ВН имеет соединение обмоток звездой и может работать с глухозаземленной нейтралью, а в сети есть установки с заземленными нейтралями, то в этих условиях применяется МТЗ нулевой последовательности (МТЗНП) с трансформатором тока (ТА7), включенным в нейтраль трансформатора (рис.16, а). Такая схема проста и охватывает своей зоной действия обмотки звезды трансформатора. Ток срабатывания МТЗНП выбирается: А) по условию (23) IСЗ.О=КОТС*IСЗ.Л Б) по условию (24) I СЗ .О = К ОТС * К А * К 0 * ЕI К( 3.)МАКС = 1,25 * 1 * 0,5 * 0,1 * 1730 = 108

А

При отсутствии в нормальном режиме тока нейтрали выбираем трансформатор тока по току 0,5IТР.НОМ. 0,5IТР.НОМ=0,5*191=95,5А; ηТА=100/5; I CP =

I СЗ .О

ηТА

=

108 * 5 = 5,4 100

А

По условию (25) По условию (26)

tСЗ.О=tСЗ.Л+∆t

К4=3IОТ.МИН/IСЗ.О≥1,2 По исходным данным примера: tСЗ.Л=0,8; 3IОТ.МИН=160А; Тогда tСЗ.О=0,8+0,4=1,2с; К4=160/108=1,48>1,2 Е. Для ограничения токов КЗ часть повышающих трансформаторов работает с разземленной нейтралью. Такие трансформаторы могут попасть под опасные перенапряжения, возникающие в сети при замыканиях на землю. Для 53

предупреждения этого применяется одноступенчатая максимальная защита напряжения нулевой последовательности с реле типа РНН-57 (KVZ1) [3] и реле времени (КТ4). Реле РНН-57 включается на разомкнутый треугольник шинного трансформатора напряжения (рис.16,б). При КЗ на землю в сети защита приходит в действие и с выдержкой времени сигнализирует «Земля в сети 220кВ» (рис.16,в). Напряжение срабатывания реле РНН-57 отстраивается от UНБ. Ж. Защита от симметричной перегрузки устанавливается с одним токовым реле (КА2) и реле времени (КТ5) со стороны питания трансформатора (рис. 16, б, в). Она действует в зависимости от наличия или отсутствия дежурного персонала на сигнал или отключение. Уставка защиты по току принимается из условия возврата токового реле при номинальном токе трансформатора IСЗ=КОТС*IТР.НОМ/КВ, где КОТС=1,05; КВ=0,8 (РТ-40) Время действия защиты t5=t2+∆t, где t2 – время срабатывания МТЗ трансформатора. Для рассматриваемого трансформатора связи IСЗ=1,05*4404/0,8=5780А; ICP=IСЗ*КСХ/ηТА=5780*1*5/5000=5,78А; t5=2,4+0,4=2,8с

54

220 кВ

QS2

QS1

QS4

ТА1 ТА2 Q1 ТА3 ТА4 QS3 ТА5 ТА6

Т

ТА7

ТА8

QN1

ТА9 ТА10 ТА11 Q2 QS5 10 кВ

Рис. 16 а – поясняющая схема; Схема релейной защиты трансформатора связи мощностью 80МВ*А.

55

ТА1

ТА5

ТА2

ТА6

SG1

SG2

КАТ1

Испытательный блок

Продольная дифференциальная защита трансформатора

КАТ2 КАТ3

SG3

Испытательный блок

ТА11

Токовая защита нулевой последовательности

КА7 ТА7

Защита напряжения нулевой по следовательности KVZ1

от TV на шина х 220 кв

3Uo

Защита от перегрузки

ТА9

КА2

Токовая защита обратной последовательности

KAZ1 КА3 КV1

Максимальная токовая защита с пуском по на пряжению

от ТV на шинах ВН КV2

от ТV на шинах СН

Рис. 16 б – цепи переменного тока и напряжения Схема релейной защиты трансформатора связи мощностью 80МВ*А.

56

Рис. 16 в – цепи оперативного постоянного тока, выходные цепи защиты и цепи сигнализации Схема релейной защиты трансформатора связи мощностью 80МВ*А. 57

Список рекомендуемой литературы: 1. Правила устройства электроустановок: Радел III. Защита и автоматика/Под ред. С. Г. Королева. 5-е изд.-М: Энергоиздат, 1981 2. Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. 3-е изд.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

58

Содержание Назначение и основные типы защиты трансформаторов и автотрансформаторов. 2. Защита трансформаторов плавкими предохранителями 3. Токовая отсечка 4. Продольная дифференциальная защита трансформатора и автотрансформаторов. 4.1. Дифференциальная отсечка. 4.2. Дифференциальная защита с реле РНТ 4.3. Дифференциальная защита с торможением 5. Газовая защита. 6. Защита от сверхтоков. 6.1. Выбор схем резервных защит. 6.2. МТЗ без пуска по напряжению. 6.3. МТЗ с комбинированным пуском по напряжению 6.4. МТЗ обратной последовательности 6.5. Токовая защита нулевой последовательности 7. Расчет дифференциальной защиты двух-обмоточного трансформатора 8. Расчет дифференциальной защиты автотрансформатора 9. Расчет дифференциальной защиты трех-обмоточного трансформатора 10. Расчет защит повышающего трансформатора связи 11. Список рекомендуемой литературы

59

3 4 4 5 7 9 13 16 17 17 21 22 23 23 25 33 41 47 58

Релейная защита трансформаторов и автотрансформаторов Составители: Худугуев В. И., Данеев В. В. Рецензент: Хаптаев А. П.

Подписано к печати 08.02.2006 г. Формат 60х84 1/16 Усл. п. л. 3,95 Тираж 100 экземпляров. Заказ № Издательство ВСГТУ. г. Улан-Удэ, Ключевская, 40а. © ВСГТУ, 2006 г. 60