Защита предохранителями трансформаторов

Предохранители на стороне высшего напряжения слу­жат для защиты от токов КЗ самого трансформатора и его ошиновки. Номинальный ток вставок этих предохранителей должен выбираться по условию селективности с предохранителя­ми на стороне низшего напряжения. Кратность номи­нального тока вставки предохранителя высшего напря­жения к номинальному току защищаемого трансформа­тора должна быть равна 2…3 для трансформаторов до 160 кВАи 1,5…2 для трансформаторов до 630 кВА.

При выборе плавких вставок желательно обеспечить селективность всех последовательно включенных предо­хранителей во всем возможном диапазоне токов КЗ. Если это не удается, необходимо обеспечить селектив­ность между предохранителями высшего напряжения и защитой питающей линии как минимум при КЗ на сто­роне высшего напряжения трансформатора.

Не допускается увеличивать номинальный ток вставки главного предохранителя на стороне низшего напряже­ния (например, для селективности с предохранителями линий 0,4 кв).При необходимости можно уменьшать но­минальный ток плавкой вставки предохранителя выс­шего напряжения (например, для селективности с защи­той питающей линии), сохраняя по возможности селек­тивность с предохранителями низшего напряжения. Про­верка селективности предохранителей, защищающих понижающие трансформаторы со стороны высшего и низ­шего напряжения, производится так же, как и для пре­дохранителей, установленных в сети одного напряжения. Но при этом необходимо учитывать, что по предохрани­телям протекают токи разной величины.

Чувствительность защиты трансформатора следует определять при минимальных токах однофаз­ного КЗ для трансформа­тором. Соотношения токов, проходящих при этом по обе­им сторонам трансформатора в зависимости от схемы соединения обмоток, определя­ется следующим выражением:

, (12.5)

где: К_Т – коэффициент трансформации трансформатора;

К_р – коэффициент токораспределения между обмотками НН и ВН, равный:

для трансформатора Δ /Y-0 и для трансформатора Y/Y-0 .

При однофазном КЗ на стороне обмотки, соединенной в звезду с нулем, величина тока для трансформатора Δ /Y-0 численно равна току трехфазного КЗ, а для трансформатора Y/Y-0 можно с достаточной для практики точностью определить по уравнению, рекомендованному [1]:

(12.6 )

где: U_Y-O - фазное напряжение обмотки, соединенной в Y-0;

Z⁽¹⁾_Т / 3 - величина сопротивления трансформатора при однофазном КЗ (табл.П1.10).

Селективность предохранителей, установленных на сторонах высшего и низшего напряжения, должна проверяться при наиболее неблагоприятных условиях. У трансформаторов со схемой соединения Y/ Δ селектив­ность должна проверяться при двухфазном КЗ, а со схемой Y/Y-0 - по трехфазному КЗ.

Длительность протекания через трансформатор тока внешнего КЗ ограничена. Она определяется по выражению (12.7), но не должна превышать 5 с:

, (12.7)

где: К - отношение тока КЗ к номинальному току трансформатора.

Для трансформаторов малой мощности выражение (12.7) можно привести к более удобному виду:

(12.8)

где: и_к - напряжение короткого замыкания трансформа­тора.

Преобразование выполнено на основании требований: для трехфазных трансформаторов мощностью до 2000 кВАвключительно с алюминиевой обмоткой и до 5000 кВАвключительно с медной обмоткой кратность К вуравнении (12.8) определяется без учета сопротивления питающей сети. Пользуясь этим уравнением, можно определить допу­стимую длительность протекания тока КЗ для трансформаторов: при и_к - 4,5% t_д =1,82 с;при и_к = 5,5% t_д =2,72 с.

На основании расчетов и опыта эксплуатации предохранителей можно сделать следующие вы­воды:

1. Предохранители на стороне низшего напряженияпрактически всегда обеспечивают термическую устойчивость трансформаторов. Так же обеспечивается и термическая устойчивость трансформаторов при КЗ на
стороне низшего напряжения до предохранителей.

2. Предохранители типа ПК (ПКТ), установленные на стороне6 или 10кВ,в большинстве случаев обеспечивают селективность с предохранителями типа ПН2 и ПР-3 установленными со стороны 0,4 кв,

3.Селективность предохранителей ПСН, установленных на стороне высшего напряжения, с предохранителя­ми низшего напряжения ПР и ПН2 обеспечивается толь­ко для самых малых трансформаторов. Поскольку по условиям чувствительности увеличивать номинальный ток вставки ПСН нельзя, для защиты трансформаторов 6-10/0,4 кВ следует применять предохранители типа ПКТ.

4. При значительном сопротивлении питающей сети время сгорания предохранителей 6 и 10 кВпри КЗ на стороне низшего напряжения до предохранителей низшего напряжения очень велико и может вызвать значительные увеличения размеров повреждения трансформаторов. Поэтому загрублять предохранители высшего напряже­ния нежелательно.

5. Посколькупри КЗ в трансформаторах или на сторо­не низшего напряжения время сгорания вставок пре­дохранителей ПК высшего напряжения велико, согласовать с ними время работы защиты линии, питающей трансформатор,очень сложно. Поэтому обычно ток срабатывания защиты отстраивают от КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора или согласуют ее выдержкувремени с предохранителями низшего напряжения, так как время их сгорания невелико даже при небольшихтоках. При этом допускается неселективность с предохранителями высшего напряжения при повреждениях в трансформаторах.

Какправило, хорошо согласуется с предохранителямизащита, имеющая зависимую характеристику. Защиту с независимой характеристикой согласовать с предохранителяминизшего напряжения по времени обычно не удается.

Расчетами можно показать, что предохранитель, выбранный по номинальному току трансформатора, не защищает трансформатор от не­больших перегрузок и не допускает использования зна­чительных, но допустимых кратковременных перегрузок трансформатора, например, при самозапуске двигателей.

Если предохранителя на низшей стороне нет, то защитой трансформатора от перегрузки должны служить предохранители отходящих линий. Если линия только одна и по ней передается вся мощность трансформатора, то номинальный токвставки, защищающей линию,следует выбрать по номинальному току трансформатора. Если отходящих линийдве и нагрузка на них распределяется равномерно, номинальные токи их вста­вок должны выбираться так,чтобы сумма их не превышала номинального токатрансформатора.

Для предохранителей ПСН-35 расчетами можно показать, что:

1.Существующая шкала вставок ПСН-35 позволяв подобрать вставки, удовлетворяющие всем требованиям в части термической устойчивости трансформаторов;

2. Время сгорания вставок с I_{вс.макс}при трехфазном КЗ на стороне низшего напряжения с учетом разброса по току +20% мало, что не позволяет обеспечить се­лективность предохранителей с релейной защитой отхо­дящих линий 6-10 кВ.

3. Для трансформаторов мощностью 0,63-4 МВАмож­но подобрать вставки, обеспечивающие их термическую устойчивость; для трансформатора 6,3 МВА вставка на 100 Амала и подобрать для него вставки нельзя.

4.Чувствительность вставок к КЗ на стороне 6 - 10 кВ достаточна за исключением трансформатора 0,63 МВА.

5. Время сгорания вставок даже без учета разбро­са настолько мало, что согласовать с ним релейную защиту со стороны 6 -10 кВпрактически невозможно.

Проведенный анализ плавких предохранителей позволяет сделать следующие выводы.

Основными достоинствами плавких предохранителей являются простота их конструкции, малая стоимость и возможность обслуживания персоналом невысокой ква­лификации. При тщательном расчете можно получить удовлетворительную защиту участков сетей и электро­оборудования от перегрузки и КЗ в простейших случаях при невысоких требованиях к селективности.

Существующие конструкции предохранителей имеют серьезные недостатки, ограничивающие область их при­менения. Основные из них следующие:

1. Однократность действия - после срабатывания предохранителя необходимо заменить вставку.

2. В условиях эксплуатации зачастую вместо калибро­ванных вставок устанавливают случайно оказавшиеся под рукой вставки на другие токи и просто куски прово­локи, при этом нарушаются все требования к защите.

3. Форма защитных характеристик вставок неудачна, особенно для защиты трансформаторов. Характеристики имеют большие разбросы. Во многих случаях невозможно обеспечить необходи­мые селективность и чувствительность.

Выбор уставок срабатывания предохранителей.Обобщая выше изложенное, расчеты токов срабатывания (уставок) защит в сетях до 1000В выполняются по следующим выражениям.

В предохранителе защитным элементом является его плавкая вставка, номинальный ток которой (I_вс.ном) равен уставки защиты линии, двигателя, осветительной сети и т.д.

Номинальный ток плавкой вставки выбирается по 3 условиям:

1. По условию отстройки от максимального длительного рабочего тока нагрузки:

, (12.6)

где k_отс – коэффициент отстройки, в среднем равный 1,1…1,2.

2. По условию отстройки от кратковременного пускового (пикового) тока:

(12.7)

где – коэффициент кратковременной тепловой перегрузки, который при легких условиях пуска двигателя равен 2,5, при тяжелых – 1,6-2.0, для ответственных электроприемников – 1,6:

3. По условию обеспечения достаточной чувствительности защиты при КЗ:

(12.8)

где I_к.мин – минимальный ток короткого замыкания;

k_ч – коэффициент чувствительности защиты, который должен быть не ниже 10…15 для защиты электродвигателя, в управлении которого применен магнитный пускатель или контактор и не ниже 3…5 для защиты осветительной сети.

Надо отметить, что при кратности 3плавкая вставка, например предохранителя типа ПН-2, перегорает за время около 10 с, а при кратности 10 – за 0,05…0,1с.

Если время плавления превысит 0,3 с, то при КЗ от возникающего резкого провала напряжения, магнитный пускатель или контактор отпадают и разрывают большой ток КЗ, на который они не рассчитаны.

Номинальный ток плавкой вставки выбирают по условиям (12.6), (12.7), принимают ближайшим большим по шкале номинальных токов и проверяют чувствительность по условию (12.8).

Для обеспечения селективности двух последовательно включенных однотипных предохранителей необходимо выбирать их плавкие вставки с номинальными токами, отличающимися на 2 шкалы; для разнотипных предохранителей – на 3 шкалы номинальных токов.

Для согласования защитных характеристик предохранителя и автоматического выключателя необходимо построить карту селективности. При этом на карте селективности кривую плавкой вставки предохранителя строят по типовой ее время-токовой характеристике, предварительно сместив ее на 20% вправо, тем самым учитывается возможный разброс времени перегорания плавкой вставки. 12.12. Определение границ действия защиты от однофазных КЗ в сети с асинхронными двигателями

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются достоинства и недостатки плавких предохранителей как защитного аппарата?

2. Каковы защитные характеристики плавких предохранителей?

3. Как производится выбор уставок срабатывания плавких предохранителей?

4. В чем заключаются особенности расчета токов КЗ в сетях напряжением 0,4 кВ для оценки чувствительности защиты?