Токовая защита нулевой последовательности от однофазных КЗ на стороне 0,4 кВ.

Спец. 1-43 01 03

Тема 10. Защита трансформаторов и автотрансформаторов

Лекция 18. Защита трансформаторов от сверхтоков при внешних КЗ

Содержание лекции

1. МТЗ двухобмоточных понижающих трансформаторов.

2.Выбор уставок МТЗ трансформатора

3.Максимальная токовая защита с пуском по напряжению.

4.Расчет МТЗ на элементах схемы двухтрансформаторной подстанции.

5.Расстановка защит на трехобмоточных трансформаторах

Токовая отсечка трансформатора

7. Защита от перегрузки трансформатора

Токовая защита нулевой последовательности от однофазных КЗ на стороне 0,4 кВ.

18.1. МТЗ двухобмоточных понижающих трансформаторов.Схемы МТЗ трансформатора с односторонним питанием приведены на рис. 18.1. Чтобы включить в зону действия защиты сам трансформатор, РЗ устанавливается со стороны источника питания и должна действовать на отключение выключателей Q1и Q2.Токовые реле МТЗ включаются на ТТ, установленные у выключателя Q2

а)

Рис. 18.1. Максимальная токовая защита двухобмоточного понижающего трансформатора: а – схема токовых цепей с тремя ТТ, б – схема токовых цепей с двумя ТТ

На рис. 18.1, а приведена схема РЗ трансформатора, выполненная с двумя токовыми реле КА1и КА2, которые, сработав, с выдержкой времени одновременно действуют на отключение выключателей Q1и Q2.При этом в случае внешних КЗ на стороне низшего напряжения (НН) трансформатора отключение выключателя Q2резервирует действие выключателя Q1. Часто РЗ выполняют с двумя выдержками времени: с первой t₁- на отключение выключателя Q1со стороны НН, а со второй - t₂= t₁+ ∆tна отключение Q2со стороны ВН. При этом ТТ установлены у выключателя Q2.

В случае не отключения внешнего КЗ на стороне НН МТЗ с выдержкой времени t₁ отключит выключатель Q1, трансформатор при этом останется под напряжением со стороны ВН. В случае же повреждения в трансформаторе и отказе его основных быстродействующих РЗ сработает МТЗ с выдержкой времени отключит выключатель Q2.

На мощных двухобмоточных трансформаторах, питающих ответственную нагрузку, на выключателе со стороны НН, также устанавливают МТЗ со своими ТТ и реле. В этом случае защита на выключателе Q1 называется МТЗ ввода, а на выключателе Q2- МТЗ трансформатора.

Токовые реле КА1и КА2в схеме МТЗ трансформаторов с ВН 110-220 кВ подключены к ТТ, соединенным в треугольник (рис. 18.1, а). Такое выполнение токовых цепей МТЗ предотвращает возможное неселективное ее действие при КЗ на землю в сети 110-220 кВ (в случае, когда нейтраль трансформатора заземлена). Защита может действовать при всех видах междуфазных КЗ на сторонах как ВН, так и НН трансформатора со схемой соединения обмоток Y/∆. При этом, однако, по сравнению с МТЗ, содержащей три токовых реле, подключенных к ТТ, соединенным в полную звезду, имеет место снижение чувствительности на 18% при двухфазном КЗ на стороне НН 6(10) кВ. При двухфазном КЗ за трансформатором со схемой Y/∆ток в одной из фаз будет в два раза больше, чем в двух других фазах на стороне ВН. Такие же токи будут проходить и в реле. Если ТТ на стороне ВН собрать в треугольник, то ток в реле равен по величине току двухфазного КЗ и соотношение между ними будет равно 1/ 0,867. Для трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Y и не связанных с сетью с заземленной нейтралью МТЗ может выполняться с двумя токовыми реле КА1и КА2, ТТ при этом соединяются в неполную звезду (рис.18.1,б). Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмотокY/∆. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором с такой схемой соединения, устанавливается дополнительное реле в обратном проводе токовых цепей КA3 (показано пунктиром на рис. 18.1, б). Аналогичная схема применяется и на трансформаторах со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с заземленной нулевой точкой (обычно питающих сеть 0,4 кВ).

18.2.Выбор уставок МТЗ трансформатора. Если трансформатор имеет две защиты МТЗ ввода НН и МТЗ трансформатора, то вначале выбираются уставки МТЗ ввода НН.

Ток срабатывания МТЗ определяется из условия возврата токовых реле при максимальной нагрузке.

(18.1)

где К_н – коэффициент надежности равен 1.1…1,2 для микропроцессорных защит и 1.2…1,3 – для РТ-40;

К_сзп– коэффициент самозапуска, можно принять равным 1.8…2,5 для городских сетей общего назначения и 2 для сельских сетей. Эти значения коэффициента К_сзп нельзя применять для трансформатора, питающего сосредоточенную двигательную нагрузку. Для такого трансформатора необходимо определить общий пусковой ток и подставить в формулу взамен:

К_сзп Iраб.макс Iраб.макс – максимальный рабочий ток трансформатора;

К_в – коэффициент возврата защиты: он составляет 0,8 для РТ-40, 0,9 - для РСТ-13 и для микропроцессорных защит – 0,95…0,96.

Максимальный ток нагрузки с учетом самозапуска, от которого необходимо отстроить МТЗ, обычно определяется из рассмотрения трех видов нарушения:

· отключение параллельно работающего трансформатора,

· включение трансформатора от АПВ на неотключенную нагрузку,

· автоматическое подключение нагрузки при действии АВР в случае исчезновения напряжения на соседней секции (рис. 18.2).

В двух первых случаях I_с.з.определяется по (18.1). В третьем случае I_с.з.определяется по выражению:

(18.2)

где: I_{1раб.макс}и I_{11 раб.макс} – максимальные значения токов нагрузки секций: I- от которой при действии АВР подается напряжение и II - на которую подается напряжение.

Рис. 18.2. При отключении трансформатора Т2 и включении от АВР секционного выключателя возникает перегрузка трансформатора Т1.

Коэффициент чувствительности МТЗ ввода при КЗ в конце защищаемого участка определяется по формуле:

(18.3)

где Iк.мин – минимальный ток при КЗ на стороне НН трансформатора.

Значение Кчдолжно быть не менее 1,5 при выполнении МТЗ функций основной защиты и не менее 1,2 при выполнении МТЗ функций резервирования. Если чувствительность МТЗ оказывается неудовлетворительной, то применяются другие, более чувствительные защиты: например: МТЗ с блокировкой по напряжению, дистанционную защиту и т.д.

Выдержка времени МТЗ ввода НН выбирается по условию селективности на ступень выше наибольшей выдержки времени tn РЗ присоединений, питающихся от трансформатора или времени t_св РЗ секционного выключателя:

(18.4)

где: Δt – ступень селективности.

Выдержка времени МТЗ с зависимой характеристикой выбирается из условия (18.4) в предположении, что ток в реле равен току КЗ, проходящему через трансформатор в случае повреждения в начале ЛЭП, питаемой трансформатором. Защиту с зависимой характеристикой следует применять в тех случаях, когда посредством ее удается ускорить отключение повреждения в трансформаторе или на шинах.

Уставки МТЗ трансформатора на стороне ВН выбираются по условию согласования по чувствительности с МТЗ ввода НН:

I_сз.тр = К_нс(I_{сз.ввод} + I_нагр),

где: К_нс – коэффициент надежности согласования, принимается равным 1,2…1,3;

I_нагр- ток нагрузки третьей обмотки трехобмоточного трансформатора. Для двухобмоточного трансформатора I_нагр= 0.

Чувствительность МТЗ трансформатора проверяется по (18.3), где Iк.мин - минимальный ток на стороне ВН трансформатора при КЗ на стороне НН. Вид КЗ определяется в соответствии с табл. 18.1. Значение Кчдолжно быть не менее 1,2 при наличии защиты на выключателе ввода НН и 1.5 при ее отсутствии.

Выдержка времени выбирается на ступень селективности больше, чем МТЗ вводов стороны НН или СН.

18.3.Максимальная токовая защита с пуском по напряжению. В ряде случаев не удается выполнить достаточно чувствительную защиту трансформатора только по току, особенно на подстанциях, питающих двигательную нагрузку. Для повышения чувствительности можно применить защиту с блокировкой по напряжению.

Первичный ток срабатывания МТЗ с пуском по напряжению определяется по условию отстройки от тока нагрузки трансформатора без учета коэффициента самозапуска:

, (18.6)

где: Iраб.макс – принимается для однотрансформаторной подстанции равным номинальному току, а для двухтрансформаторной подстанции с 40% перегрузкой.

Уставка срабатывания реле минимального напряжения выбирается, исходя из следующих условий:

− возврата после отключения внешнего КЗ:

(18.7)

− отстройки от остаточного напряжения самозапуска после действия АПВ или АВР

(18.8)

где Uмин = (0,8…0,85) Uном – междуфазное напряжение в месте установки МТЗ в условиях самозапуска после отключения внешнего КЗ,

Uсзп = 0,7 Uном – междуфазное напряжение в месте установки МТЗ в условиях самозапуска после действия АПВ или АВР заторможенных электродвигателей,

К отс– коэффициент отстройки, равный 1,2;

К в – коэффициент возврата, равный 1,1.

Чувствительность МТЗдля токового реле определяется по выражению (18.3). Для реле минимального напряжения по формуле:

(18.9)

где U⁽³⁾_макс– первичное значение междуфазного напряжения в месте установки МТЗ при металлическом трехфазном КЗ в расчетной точке в режиме, обусловливающем максимальное значение этого напряжения.

Таблица 18.1

Схема соединения	Вид КЗ для расчета чувствительности
Обмоток трансформатора	ТТ, к которым подключена МТЗ
Y/∆	треугольник	Двухфазное
Y/Y	Неполная звезда	То же
∆/∆	То же	То же
Y/∆	Неполная звезда с дополнительным реле в обратном проводе	Трехфазное
Y/∆	Полная звезда	Трехфазное

Для выполнения защиты двухобмоточного трансформатора вполне достаточно установки на обеих сторонах двухэлементной токовой защиты. При этом для защиты трансформатора со схемой соединения Y/∆,реле на стороне ВН должны быть включены на три ТТ собранные по схеме треугольника. Отсечка стороны НН используется в качестве логической защиты шин. МТЗ используется в качестве максимальной защиты ввода, а дополнительный токовый орган блокирует логическую ДЗТ стороны ВН. На стороне ВН МТЗ выполняет свои функции, а токовая отсечка – логическую ДЗТ.

18.4. Расчет МТЗ на элементах схемы двухтрансформаторной подстанции. На рис 18.3 приведена схема двухтрансформаторной подстанции ГПП. Выбор параметров срабатывания максимальных токовых защит, установленных на секционном выключателе Q_c, выключателе ввода 6(10) кВ Q_в и выключателе Q_т трансформатора взаимосвязан.

Для МТЗ выключателей Q_c и Q_в основной зоной защиты являются шины подстанции, а резервной зоной - присоединения Q_п. Исходя из этого, при выборе тока срабатывания МТЗ справедливы выражения (18.1), (18.2) и (18.3). Однако при определении коэффициента самозапуска К_сзп и значения I_раб.max возникает ряд трудностей, особенно если к шинам подстанции подключены электродвигатели (ЭД) напряжением выше 1 кВ. В этом случае необходимо учитывать пусковые токи ЭД

При отсутствии электродвигателей, подключенных к шинам подстанции в качестве значения I_раб.max можно принять:

для МТЗ Q_с I_раб.max = 0,7I_ном.тр; для МТЗ Q_в I_раб.max = 1,4I_ном.тр ,

где I_ном.тр – номинальный ток трансформатора стороны НН.

Значение тока срабатывания МТЗ трансформатора (Q_т) должно быть больше, чем уставка МТЗ ввода Q_в из условия (18.2).

Проверка чувствительности МТЗ Q_с и Q_в производится по выражениям (18.3), где в качестве значения тока КЗ основной зоны принимается ток (рис. 18.3), а тока КЗ в зоне резервирования - , т.е. ток КЗ в конце самой длинной линии присоединения. Часто чувствительность МТЗ оказывается недостаточной за счет больших токов нагрузки. В этом случае применяют МТЗ с пуском по минимальному напряжению, тогда в выражении (18.2) пусковой ток ЭД не учитывают, а в выражении (18.1) коэффициент К_сзп принимают равным единице.

Следует отметить, что чувствительность МТЗ трансформатора проверяется только при КЗ на шинах 6 кВ, однако, при этом необходимо учитывать схему соединения трансформаторов тока (ТТ), установленных на высокой стороне и группу соединения обмоток трансформатора. Например, если ТТ соединены в треугольник, а группа трансформатора , то чувствительность МТЗ проверяется по формуле:

,

где - приведенный к высокой стороне трехфазный минимальный ток КЗ (первичный) на выводах низкого напряжения.

Коэффициент чувствительности защиты должен быть К_ч ≥ 1,2 при условии, что на вводе 6 (10) кВ стороны НН трансформатора установлена своя максимальная токовая защита и К_ч ≥ 1,5 при ее отсутствии. В последнем случае МТЗ трансформатора выполняется с двумя выдержками времени, с меньшей из них отключается ввод НН, а с большей – трансформатор.

Выбор времени срабатывания МТЗ производится по выражению (18.5), имея в виду, что все рассматриваемые защиты применяются с независимыми от тока выдержками времени. Поэтому исходной точкой для расчета выдержки времени МТЗ секционного выключателя является то присоединение Q_п , у которого МТЗ имеет наибольшую выдержку времени.

18.5. Расстановка защит на трехобмоточных трансформаторах.На трансформаторах с расщепленными обмотками НН (обычно 6, 10 кВ) по условию селективности (при КЗ на шинах или на ВЛ НН) в цепи каждой обмотки, питающей соответствующую секцию шин, достаточно установить МТЗ ввода (рис.18.4) с двумя токовыми реле, подключенными к ТТ, соединенным по схеме неполной звезды.

Для повышения надежности защиты стороны НН, расположенные в шкафах КРУ выключателей вводов 6, 10 кВ, с первой выдержкой времени действуют на отключение своих выключателей (Q1и Q2), а со второй (большей на ступень селективности) – на отключение выключателя ВН (Q3).

МТЗ на стороне ВН действует на выходные промежуточные реле РЗ трансформатора с выдержкой времени, равной второй выдержке времени МТЗ ответвлений к секциям I (II) шин 6, 10 кВ. Таким образом, МТЗ стороны ВН осуществляет резервирование основных РЗ трансформатора и МТЗ стороны НН. Предусматривается автоматическое ускорение МТЗ вводов НН, установленных на ответвлениях к шинам НН, при включении соответствующего выключателя 6…10 кВ, благодаря чему ускоряется его отключение в случае подачи напряжения на поврежденные шины или случайно оставленные после ремонта заземления. Ускорение выполняется с выдержкой времени (0,3…0,5) сдля отстройки от броска пускового тока. Ускорение вводится в работу сразу после включение выключателя ввода, затем через 1с выводится.

Защита трехобмоточных понижающих трансформаторов при внешних КЗ должна обеспечивать селективное отключение только той обмотки трансформатора, которая непосредственно питает место повреждения. Так, например, при КЗ на шинах III (рис. 18.5) должен отключиться выключатель Q3, обмотки трансформатора I и II должны остаться в работе.

На трехобмоточных трансформаторах с односторонним питанием (например, от шин I ) на обмотках II и III устанавливаются самостоятельные комплекты МТЗ (КА2и КАЗна рис.18.5), действующие на соответствующие выключатели. На обмотке I, питающей трансформатор, устанавливается третий комплект МТЗ КА1, предназначенный для отключения трансформатора при КЗ в нем и резервирования МТЗ и выключателей обмоток II и III. Выдержка времени t₁выбирается больше t₂и t₃. Токовые РЗ на сторонах НН и СН выполняются в двухрелейном исполнении и подключаются к ТТ, соединенным по схеме неполной звезды. Для увеличения защищаемой зоны КА2питается от ТТ, встроенных во втулки выключателей СН (35 кВ).

Для выполнения защиты на трансформаторе с расщепленной обмоткой стороны НН вполне достаточно установки на стороне ВН и обеих сторонах НН двухэлементной токовой защиты. При этом, для защиты трансформатора со схемой соединения Y/∆,реле (за исключением цифровых реле) на стороне ВН должны быть включены на три ТТ собранные по схеме треугольника. Отсечка сторон НН используется в качестве логической защиты шин. МТЗ используется в качестве максимальной защиты ввода, а дополнительный токовый орган обеих комплектов блокирует логическую ДЗТ трансформатора стороны ВН. На стороне ВН максимальная защита выполняет свои функции, а токовая отсечка – логическую ДЗТ.

Рис. 18.4. Размещение максимальных токовых защит (КА) на сторонах ВН и НН двухобмоточного понижающего трансформатора с расщепленными обмотками.	Рис. 18.5. Размещение максимальных токовых защит (КА) на сторонах ВН и НН трехобмоточных понижающих трансформаторов с односторонним питанием.

Для трехобмоточного трансформатора со стороны ВН необходимо применить трехфазную защиту, включенную на трансформаторы тока собранные в звезду или треугольник. Обычно предпочтительна схема звезды, так как эта схема более чувствительна к КЗ на стороне НН трансформатора собранной по схеме треугольника, обычно сопротивление трансформатора в сторону НН больше, чем в сторону СН и токи КЗ на стороне НН в процентном отношении меньше. На стороне НН и СН достаточно двухрелейной защиты. Вполне очевидно, что цифровые защиты, например серии MiCOM P121-124, можно применить на всех трех сторонах трансформатора. Оставшиеся в этих устройствах ступени защиты можно использовать для сигнализации перегрузки, блокировки РПН, пуска автоматики охлаждения, также выполнять функцию ЗМН в схеме АВР секций шин.