а) – структурная схема        б) токовые цепи    в) схема оперативных цепей                                    РЗ с электромеханическими РЗ        Рисунок 4.3 - Схема токовой защиты нулевое                                                                                                                                                                                      й последовательности

    

         5 Лекция .  Защита от замыканий на землю в сетях 10-35 кВ

         Содержание лекции: изучаются способы защиты линий от замыканий    на землю в сетях с изолированной нейтралью, особенности защиты кабельных линий.

         Цель лекции: выяснить распределение токов нулевой последовательности  при замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью, изучить специфические особенности подобных защит.

           5.1 Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью, токи и напряжения при однофазном замыкании на землю

         В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а также с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождается появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети. Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в сети и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю (К⁽¹⁾₃) в режиме, когда нейтраль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор. Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЗДС фаз источника питания. На рисунке 5.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания

(гене­ратором или понижающим трансформатором) и одной экви­валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть.

Рисунок 5.1 – Протекание фа3ных токов при замыкании на землю

в сети с изолированной нейтралью

Распреде­ленная емкость фаз относительно земли заменена эквива­лентной сосредоточенной емкостью С₀. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.

а) – в нормальном  симметричном режиме; б) при замыкании одной фазы на

землю

Рисунок 5.2 - Векторные диаграммы фазных токов и напряжений

В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U_A, U_B, U_C которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания Е_А, Е_B, Е_C. Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (рисунок  5.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали N отсутствует: U_N = 0. Под действием фазных напряжений че­рез емкости фаз относительно земли С_А,С_B,C_C проходят токи, опережающие фазные напряжения на 90°:

                                I_A = U_A / -jX_C;     I_В = U_B /-jX_C;    I_C = U_C /-jX_C,                (5.1)

          где  X_C = 1 / .                                                    

         Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3I₀ отсутствует (рисунок  5.2, а).

         Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А (рисунок 5.1), тогда ее фазное

напряжение относительно земли снижается до нуля (U_A = 0). Напряжение нейтрали U⁽¹⁾_N по отношению к земле становится равным U_N = U_KN                  (рисунок  5.1 и 5.2, б), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:

      U_N = U_KN = -E_A.                                                                          (5.2)

 Напряжения неповрежденных фаз относительно земли повышаются до междуфазных значений U⁽¹⁾_B=U_BA и U⁽¹⁾_C=U_CA. Междуфазные напряжения остаются неизменными, что видно из рисунков 5.1 и 5.2.

 На рисунке 5.2, б построена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (U⁽¹⁾_B, U⁽¹⁾_C, U_N): точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка N соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с землей и имеет нулевой потенциал.

Поскольку замыкания на землю не вызывают появления сверхтоков и не искажают значения междуфазных напряже­ний, то они не отражаются на питании потребителей и не сопровождаются перегрузкой оборудования опасными токами. Поэтому в отличие от КЗ замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью не требуют немедленной ликвидации.

Однако отключение замыканий на землю является все же необходимым, так как в результате теплового воздействия тока замыкания на землю и электрической дуги в месте по­вреждения возможно повреждение изоляции между фазами на кабельных ЛЭП и переход однофазного замыкания в междуфазное КЗ. Помимо этого, из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к образованию двойных замыканий на землю в разных точках сети.

5.2. Принципы выполнения защиты от однофазных замыканий на

землю

Все виды РЗ от однофазных замыканий на землю реагируют на составляющие нулевой последовательности тока I₀ и на­пряжения U₀. Простейшим устройством является неселективная сигнализация о появлении замыкания на землю, реаги­рующая на 3U₀. Такое устройство состоит из одного реле повышения напряжения KV₀, которое питается напряжением 3U₀ от обмоток ТН, соединенных по схеме разомкнутого треугольника  (рисунок 4.3). Подобная неселективная сигнализация устанавливается на шинах РУ 6-35 кВ. Возможен и другой вариант ее исполнения, изображенный на том же рисунке. В этой схеме сигнал о появлении земли дает реле КА₀, включенное в нулевой провод вольтметров контроля изоляции фаз сети, показания которых позволяют определить поврежденную фазу.

Селективная сигнализация должна дополняться РЗ, способной определять, на каком участке сети возникло замыкание на землю. В качестве селективных применяются токовые ненаправленные и направленные РЗ, реагирующие на составляющие НП.

Все применяемые РЗ можно подразделить на четыре группы защиты, реагирующие:

Рисунок 5.3 - Схема неселективной сигнализации при замыкании на землю

        1) на естественный емкостный ток сети (такой способ РЗ возможен только при отсутствии компенсации или при наличии перекомпенсации емкостного тока сети);

        2) на токи НП, создаваемые искусственным путем;

        3) на токи высших гармоник, возникающие в поврежденной ЛЭП при резонансной компенсации емкостных токов в установившемся режиме;

        4) на токи переходного режима, возникающие в первый момент замыкания.

5.3 Фильтры токов нулевой последовательности

  Как правило, такие защиты на линиях действуют на сигнал, тем не менее, применение этих защит целесообразно, так как место замыкания на землю нужно отыскать и устранить по воз­можности быстро, потому что упавший провод опасен для окружающих. Кроме того, повреж­дение в месте замыкания на землю развивается и со временем может привести к короткому замыканию. В ряде случаев защита должна обязательно действовать на отключение. Это двигатели и генераторы при токе замыкания на землю более 5 А. Это передвижные механиз­мы с электродвигательными приводами.

Существенным осложнением является то, что ток замыкания на землю имеет очень малую величину. Эта величина соизмерима с небалансом в нулевом проводе трансформаторов то­ка, поэтому в нулевой провод ТТ защиту от замыканий на землю не включают. Для защиты от замыканий на землю используют специальные трансформаторы тока нулевой последова­тельности (ТЗ, ТЗЛ, ТЗР), которые можно применить только при наличии кабельного вывода из ячейки. Для ячеек КРУ с воздушным выводом и линий напряжением 35 кВ, для которых от­сутствуют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности, защиту подклю­чить нельзя. Таким образом может быть выполнена защита от за­мыканий на землю и при отсутствии кабельной вставки. Конструкция кабельного ТНП показа­на на рисунке  5.4:    1 - магнитопровод; 2- обмотка; 3- трехфазный силовой кабель. Магнитопровод 1, собранный из листов трансформаторной стали, имеет обычно форму коль­ца или прямоугольника, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП. Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, являются первичной обмоткой трансформато­ра, вторичная обмотка 2 располагается на магнитопроводе с числом витков w = 20-30.

Рис. 5.4     Трансформатор тока нулевой последовательности:

а - устройство; б- схема замещения; в - установка ТНП на кабеле.

         Токи фаз IA, IB и IC создают в магнитопроводе соответствующие магнитные потоки Ф_А, Ф_В, Фа ко­торые, складываясь, образуют результирующий поток:

                                 Ф_рез=Ф_А+ФВ+ФС.                                            (5.3)

Так как сумма токов I_A+ I_B+ I_C = 3I₀, то можно сказать, что результирующий поток, созда­ваемый первичными токами ТНП, пропорционален составляющей тока НП:

                                  Ф_рез=k3I₀.                                                          (5.4)

Поток Ф_рез, а следовательно, вторичная ЭДС Е₂ и вторичный ток I₂ могут возникнуть только при условии, что сумма токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные токи, про­ходящие через ТНП, содержат составляющуюI0. Поэтому, ток во вторичной цепи ТНП будет по­являться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двухфазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз I_A + I_B + I_C = 0, и поэтому, ток в реле отсутствует  (Фрез=0). Однако, поскольку из-за неодинакового расположения фаз А, В и С относительно вторичной обмотки ТНП коэффициенты взаимоиндукции этих фаз со вторичной обмоткой различны, не­смотря на полную симметрию первичных токов, сумма их магнитных потоков в нормальном режиме не равна нулю. Появляется магнитный поток небаланса (Ф_рез—Ф_нб), вызывающий во вторичной обмотке ЭДС и ток небаланса (I_нб).

         Для защиты линий ТНП обычно выполняются кабельного типа (ТЗ, ТЗЛ, ТФ). При необ­ходимости осуществления ЗЗ воздушных ЛЭП делается кабельная вставка, на ко­торой устанавливается ТНП. Для кабельных ЛЭП изготовляются ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа во­ронки, и типов ТЗР и ТФ с разъемным магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки.

         При прохождении токов I_бр по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного ТНП, в реле РЗ появляется ток, от которого РЗ может подействовать неправильно. Эти токи появляются при замыканиях на землю вблизи кабеля или при работе сварочных аппаратов.

         Для исключения ложной работы РЗ необходимо компенсировать влияние блуждающих токов, замыкающихся по свинцовой оболочке и броне кабеля. С этой целью воронка и оболочка кабе­ля на участке от воронки до ТНП изолируются от земли (рисунке 5.4, в), а заземляющий провод присоединяется к воронке кабеля и пропускается через окно ТНП. При таком исполнении ток, проходящий по броне кабеля, возвращается по заземляющему проводу, поэтому магнитные потоки в магнитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничтожаются. Магнитопровод ТНП должен быть надежно изолирован от брони кабеля.

6 Лекция. Резервные защиты трансформаторов и

   автотрансформаторов       

          Содержание лекции:  изучается схема максимальной токовой защиты трансформатора и назначение дистанционной защиты автотрансформаторов.

          Цель лекции:  изучить виды повреждений и ненормальных

режимов работы трансформаторов и автотрансформаторов.

Виды повреждений. Основными видами повреждений в трансформаторах и автотрансформаторах являются: замыкания между фазами внутри кожуха трансформатора (трехфазного) и на наружных выводах обмоток; замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания на землю обмоток или их наружных выводов; повреждения магнитопровода трансформатора, приводящие к появлению местного нагрева и "пожару стали". Опыт показывает, что КЗ на выводах и витковые замыкания в обмотках происходят наиболее часто. Междуфазные повреждения внутри трансформаторов возникают значительно реже. В трехфазных трансформаторах они хотя и не исключены, но маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции. В трансформаторных группах, составленных из трех однофазных трансформаторов, замыкания между обмотками фаз практически невозможны.

При витковых замыканиях токи, идущие к месту повреждения от источников питания, могут быть небольшими. Чем меньше число замкнувшихся витков w_a, тем меньше будет ток I_к, приходящий из сети.

Для ограничения размера разрушения РЗ от повреждений в трансформаторе должна действовать быстро (t = 0,05  0,1 с).

Защита от повреждений. В качестве таких РЗ применяются токовая отсечка, дифференциальная и газовая защиты.

На трансформаторах мощностью 200 MBА и более предусматривается автоматическое пожаротушение водой. Все изложенное далее в равной мере относится к трансформаторам и автотрансформаторам.

Виды ненормальных режимов. Наиболее частым ненормальным режимом работы трансформаторов является появление в них сверхтоков,     т.е. токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора. Сверхтоки в трансформаторе возникают при внешних КЗ, качаниях и перегрузках. Последние возникают вследствие самозапуска электродвигателей, увеличения нагрузки в результате отключения параллельно работающего трансформатора, автоматического подключения нагрузки при действии АВР и т. п.

Внешние КЗ. При внешнем КЗ, вызванном повреждением на шинах трансформатора или неотключившимся повреждением на отходящем от шин присоединении, по трансформатору проходят токи КЗ I_к > I_ном, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. В связи с этим трансформаторы должны иметь РЗ от внешних КЗ, отключающую трансформатор. Защита от внешних КЗ осуществляется при помощи МТЗ, МТЗ с блокировкой минимального напряжения, дистанционной РЗ, токовых РЗ нулевой и обратной последовательностей. В зону действия РЗ от внешних КЗ должны входить шины подстанций (I участок) и присоединения, отходящие от этих шин (II участок). Эти РЗ являются также резервными от повреждений в трансформаторе.

Перегрузка. Время действия РЗ от перегрузки определяется только нагревом изоляции обмоток. Масляные трансформаторы допускают длительную перегрузку на 5%. В аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка в следующих пределах:

         Кратность перегрузки ................. ..1,3        1,6        1,75        2        3

         Допустимое время перегрузки, мин ….120         45          20          10      1,5

Из этих данных видно, что перегрузку порядка (1,5-2) I_ном можно допускать в течение значительного времени, измеряемого десятками минут. Наиболее часто возникают кратковременные, самоликвидирующиеся перегрузки, неопасные для трансформатора ввиду их непродолжительности, например перегрузки, вызванные самозапуском электродвигателей или толчкообразной нагрузкой (электропоезда, подъемники и т. п.). Отключения трансформатора при таких перегрузках не требуется. Более длительные перегрузки, вызванные, например, автоматическим подключением нагрузки от АВР, отключением параллельно работающего трансформатора и др., могут быть ликвидированы обслуживающим персоналом, который располагает для этого достаточным временем. Таким образом, РЗ трансформатора от перегрузки должна действовать на отключение только в том случае, когда перегрузка не может быть устранена персоналом или автоматически.

Неполнофазный режим. На автотрансформаторах (AT) предусматриваются РЗ от неполнофазного режима, возникающего при отключении (или включении) не всеми фазами сторон высшего (ВН) или среднего (СН) напряжений. Эта РЗ должна действовать на отключение AT.

.

Понижение уровня масла в баке трансформатора ниже уровня обмоток, что возможно при течи в баке или резком понижении температуры наружного воздуха, может привести к повреждению обмотки. Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях. Защита от внешних КЗ служит для отключения трансформатора при КЗ на сборных шинах или на отходящих от них присоединениях (рисунок 6.1), если РЗ или выключатели этих элементов отказали в работе. Одновременно РЗ от внешних КЗ используется и для защиты от повреждения в трансформаторе. Однако по условиям селективности РЗ от внешних КЗ должна иметь выдержку времени и, следовательно, не может быть быстродействующей. По этой причине в качестве основной РЗ от повреждений в трансформаторах она используется лишь на маломощных трансформаторах. На трансформаторах, имеющих специальную РЗ от внутренних повреждений, РЗ от внешних КЗ служит резервом к этой защите на случай ее отказа. Наиболее простой РЗ от внешних КЗ является МТЗ. В тех случаях, когда ее чувствительность оказывается недостаточной, применяются более чувствительные МТЗ с пуском по напряжению, МТЗ ОП и НП, ДЗ.

Максимальные токовые защиты трансформаторов. Защита двухобмоточных понижающих трансформаторов. Схема МТЗ трансформатора с односторонним питанием приведена на рисунке 6.1. Чтобы включить в зону действия защиты сам трансформатор, РЗ устанавливается со стороны источника питания и должна действовать на отключение выключателя Q1. Токовые реле МТЗ включаются на ТТ, установленные у выключателя Q2.

а) – схема токовых цепей с тремя ТТ; б) - принципиальная схема оперативных цепей; в)- структурная схема; г) – схема токовых цепей с двумя ТТ

Рисунок 6.1- Максимальная токовая защита двухобмоточного

трансформатора

На рисунке 6.1, а приведена схема РЗ трансформатора, выполненная с двумя токовыми реле КА1 и КА2, которые, сработав, с выдержкой времени одновременно действуют на отключение выключателей Q1 и Q2.      

При этом в случае внешних КЗ на стороне низшего напряжения (НН) трансформатора отключение выключателя Q2 резервирует действие выключателя Q1. Часто РЗ выполняют с двумя выдержками времени: с первой t₁ на отключение выключателя Q1 со стороны НН, а со второй            t₂ = t₁ + t на отключение Q2 со стороны ВН. Структурная схема при таком выполнении МТЗ приведена на рисунке 6.1,  в. В случае неотключенного 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 МТЗ с выдержкой времени отключит выключатель Q2.

Токовые реле КА1 и КА2 в схеме МТЗ трансформаторов с ВН 110-220 кВ подключены к ТТ, соединенным в треугольник (рисунок 6.1, 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 15% при двухфазном КЗ на стороне НН 6-10 кВ. Для трансформаторов со схемой соединения обмоток y/y или / и не связанных с сетью с заземленной нейтралью МТЗ выполняется также двумя токовыми реле КА1 и КА2 (рисунок 6.1, г), ТТ при этом соединяются в неполную звезду. Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме Y/ , устанавливается дополнительное реле в обратном проводе токовых цепей КA3 (показано пунктиром на рисунке 6.1, в-г). Аналогичная схема применяется и на трансформаторах со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с заземленной нулевой точкой (обычно питающих сеть 0,4 кВ).

Резервные защиты от внешних междуфазных КЗ на AT. На трехобмоточных понижающих AT в качестве резервных защит от внешних междуфазных КЗ применяются: на стороне НН - МТЗ с комбинированным пуском напряжения: на стороне ВН AT 220/110/6-10-35 кВ - НТЗ и МТЗ ОП, а также МТЗ с пуском по напряжению от трехфазных КЗ; на сторонах ВН и СН AT 220/110/6-10-35 кВ и 500/220/10 кВ - ДЗ.

Максимальная токовая РЗ с комбинированным пуском напряжения на стороне НН AT присоединяется к ТТ, встроенным в его выводы. С первой выдержкой времени РЗ должна действовать на отключение выключателя НН, а со второй - на отключение всего AT.

Токовая РЗ ОП устанавливается на стороне ВН и питается от ТТ, встроенных во втулки ВН AT. Релейная защита выполняется направленной в сторону ВН в предположении, что выдержки времени резервных РЗ НЭП ВН меньше выдержек времени резервных РЗ ЛЭП СН. Как направленная, РЗ действует с первой выдержкой времени, большей выдержек времени резервных РЗ ЛЭП ВН, на отключение шиносоединительного или секционного выключателей (при их наличии), со второй - на отключение выключателя ВН AT и с третьей - на выходные промежуточные реле AT. В обход РНМ, как ненаправленная, РЗ действует с первой выдержкой времени - на отключение шиносоединительного и секционного выключателей СН, со второй - на отключение выключателя СН AT и с третьей - на выходные промежуточные реле РЗ AT.

Направленная токовая РЗ ОП выполняется с использованием фильтра-реле тока РТФ-8 и РНМ ОП типа РМОП-2М. При наличии на стороне ВН AT схемы "мостик" с выключателем в перемычке и отделителями в цепях AT РЗ выполняется ненаправленной. В дополнение к МТЗ ОП для действия при трехфазных КЗ предусматривается МТЗ с пуском минимального напряжения в однофазном исполнении.

Направленные ДЗ, устанавливаемые на сторонах В.Н и СН, включаются таким образом, чтобы защищать ЛЭП ВН и СН соответственно. Применение ДЗ более сложных, чем МТЗ, объясняется необходимостью обеспечения согласования по селективности РЗ, установленных на противоположных концах ЛЭП, и дальнего резервирования в сетях ВН и СН. Токовая защита нулевой последовательности реагирует на ток 3I₀, появляющийся в трансформаторе при внешних КЗ (одно - и двухфазных на землю) и КЗ в трансформаторе. Она применяется на повышающих трансформаторах (а также на AT) и устанавливается со стороны обмоток ВН и СН, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухозаземленной нулевой точкой. Защита от перегрузки трансформатора - на трансформаторах, находящихся под наблюдением оперативного персонала, РЗ от перегрузки выполняется действующей на сигнал посредством одного токового реле.

7Лекция. Основные защиты трансформаторов и автотрансформаторов

         Содержание лекции: рассматриваются основные защиты трансформаторов от всех видов КЗ.

Цель лекции: изучается принцип действия токовой отсечки и дифференциальной защиты трансформатора от всех видов КЗ , так же газовой защиты трансформаторов.

           7.1 Токовые защиты трансформаторов

Токовая отсечка - простая быстродействующая РЗ от повреждений в

трансформаторе Зона действия отсечки ограничена, она не действует при витковых замыканиях и замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с малым током замыкания на землю. Отсечка устанавливается с питающей стороны.

В зону действия отсечки входят ошиновка, выводы и часть обмотки трансформатора со стороны питания. Отсечка, являющаяся РЗ от внутренних повреждений, должна отключать трансформатор со всех сторон, имеющих источники питания. Достоинством отсечки являются ее простота и быстродействие. Отсечка в сочетании с МТЗ и газовой защитой (рассматриваемой ниже) обеспечивает хорошую защиту для трансформаторов малой мощности. Дифференциальная защита. Назначение и принцип действия дифференциальной защиты трансформатора.

В качестве основной быстродействующей РЗ трансформаторов от КЗ между фазами, однофазных КЗ на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение получила дифференциальная РЗ (рисунок 7.1). При внешнем КЗ и нагрузке токи I_I и I_II направлены в одну сторону (рисунок 7.1,а) и находятся в определенном соотношении, равном коэффициенту трансформации защищаемого трансформатора:

                                                     I_II / I_I = К_т                                                     (7.1)

                     а) - внешнее КЗ;  б) – КЗ в трансформаторе

Рисунок 7.1 - Действие дифференциальной защиты трансформатора

При внешнем КЗ защита не должна действовать, при КЗ в трансформаторе - должна работать. С учетом этого и выполняется схема защиты. Трансформаторы тока ТАI и ТАII, питающие схему, устанавливаются с обеих сторон защищаемого трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются разноименными полярностями так, чтобы при внешнем КЗ и нагрузке вторичные токи I_Ib и I_IIв были направлены в контуре соединительных проводов последовательно (циркулировали по ним). Дифференциальное реле КА включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При

таком соединении в случае внешнего КЗ и при токе нагрузки вторичные токи I_Ib и I_IIв замыкаются по обмотке реле КА и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен разности вторичных токов:

                                               I_р = I_Iв - I_IIв.                                                                   (7.2)

При КЗ в защищаемом трансформаторе вторичные токи I_Iв и I_IIв проходят по обмотке реле в одном направлении (рисунок 6.1, б), в результате чего ток в реле равен их сумме:

                                                 I_р = I_Iв + I_IIв.                                                                  (7.3)

Если I_p> I_с.р то реле срабатывает и отключает трансформатор.

Для того чтобы дифференциальная РЗ не работала при нагрузке и внешних КЗ, необходимо уравновесить вторичные токи в плечах РЗ так, чтобы ток в реле, равный их разности, отсутствовал:

                                         I_р = I_Iв - I_IIв = 0.                                                               (7.4)

Для этого необходимо, чтобы токи совпадали по модулю и по фазе, т. е.

I_Iв = I_IIв.

Особенности дифференциальной  защиты  трансформаторов и AT.           

В дифференциальной РЗ ЛЭП и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, поэтому для выполнения условия селективности (7.4) достаточно иметь равенство коэффициентов трансформации ТТ. Иное положение имеет место в дифференциальной РЗ трансформаторов. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по значению и в общем случае не совпадают по фазе.

В режиме нагрузки и внешнего КЗ ток трансформатора на стороне низшего напряжения I_II всегда больше тока на стороне высшего напряжения I_I. Их соотношение определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора согласно (7.1).

В трансформаторе с соединением обмоток звезда-треугольник и треугольник-звезда токи I_I и I_II различаются не только по значению, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединения обмоток трансформатора. При наиболее распространенной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треугольника опережает линейный ток со стороны звезды на 30°. В трансформаторах с соединением обмоток звезда-звезда токи I_I и I_II совпадают по фазе.

Таким образом, для выполнения условия селективности (7.4) необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов                   I_Ib = I_I/К_II и I_IIв = I_II / K_III по значению а при разных схемах соединения обмоток (y/ и /Y) - и по  фазе с тем, чтобы поступающие в реле токи были равны. Компенсация сдвига токов I_Ib и I_IIв по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмо­ток ТТ, установленных на стороне звезды силового трансформатора. Соединение в треугольник обмоток ТТ должно соответствовать соединению в треугольник обмотки силового трансформатора.

7.2  Газовая защита трансформаторов

Содержание лекции: приводятся сведения о повреждениях внутри бака

трансформатора; принцип действия и конструкция плавкого газового реле.

Цель лекции: изучить защиту трансформатора от внутренних   повреждений.

Газовая защита получила широкое распространение в качестве весьма чувствительной защиты от внутренних повреждений трансформаторов. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой или нагревом деталей, что приводит к разложению масла и изоляционных материалов и образованию летучих газов. Будучи легче масла, газы поднимаются в расширитель 2, который является самой высокой частью трансформатора (рисунок 7.2) и имеет сообщение с атмосферой. При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных повреждениях, бурно расширяющиеся газы создают сильное давление, под влиянием которого масло в кожухе трансформатора приходит в движение, перемещаясь в сторону расширителя. Таким образом, образование газов в кожухе трансформатора и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора. Эти признаки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и движения масла. Газовое реле 1 устанавливается в трубе, соединяющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы через него проходили газ и поток масла, устремляющиеся в расширитель при повреждениях в трансформаторе. В трубе предусмотрена задвижка, которая закрывает ее автоматически при срабатывании газовой защиты, предотвращая поступление масла из расширителя в бак поврежденного трансформатора (для ограничения пожара в баке).

Рисунок 7.2- Установка газового реле на трансформаторе: 1- газовое реле;

2- расширитель

Конструкции газовых реле имеют три разновидности, различающиеся принципом исполнения реагирующих элементов, в виде: поплавка, лопасти, чашки.

Устройство поплавкового газового реле показано на рисунке 7.3 Реле состоит из чугунного кожуха 1, имеющего вид тройного патрубка с фланцами для соединения с трубкой к расширителю. Внутри кожуха реле расположены два подвижных поплавка 2а и 2б, выполненные в виде тонкостенных полых цилиндров, герметически запаянных и плавающих в масле. Каждый поплавок свободно вращается на оси, закрепленной на стойке. На торце поплавков располагаются ртутные контакты 3, представляющие собой стеклянные колбочки с впаянными в них контактами и ртутью внутри. При определенном положении поплавков ртуть замыкает контакты. Выводы от контактов на

наружную сторону кожуха выполнены с помощью гибких и изолированных проводников. Контакты верхнего поплавка действуют на сигнал, а нижнего - на отключение трансформатора. Кожух реле находится ниже уровня масла в расширителе, поэтому он всегда заполнен маслом. Поплавки, стремясь всплыть, занимают верхнее положение, их контакты разомкнуты.

Рисунок 7.3- Устройство поплавкового газового реле; схема

выходных цепей газовой защиты

При небольших повреждениях образование газа происходит медленно, и он небольшими пузырьками поднимается к расширителю. Проходя через реле, пузырьки газа заполняют верхнюю часть его кожуха, вытесняя оттуда масло. По мере понижения уровня масла верхний контакт опускается и через некоторое время замыкается.

Если повреждение трансформатора значительное, то под влиянием давления, создаваемого бурно образующимися газами, масло приходит в движение, сообщая толчок нижнему поплавку. Под его воздействием поплавок мгновенно замыкает свои контакты, посылая импульс на отключение. Поскольку в схемах управления выключателями предусмотрено удерживание отключающих сигналов, даже кратковременного замыкания контактов газового реле оказывается достаточно для надежного отключения выключателя.

Сигнализация о небольших повреждениях вместо отключения позволяет дежурному персоналу перевести нагрузку на другой источник питания и отключить после этого трансформатор. Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторе. В этом случае первым сработает сигнальный контакт, а затем при продолжающемся снижении уровня масла срабатывает отключающий контакт, выключая трансформатор.

Оценка газовой защиты. Основными достоинствами газовой защиты являются: простота ее устройства, высокая чувствительность, малое время действия при значительных повреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимости от размеров повреждения. Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждения

его обмоток и особенно при витковых замыканиях. Все масляные трансформаторы мощностью 1000 кВА и выше поставляются вместе с газовой защитой. Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора, поэтому должна дополняться второй защитой от внутренних повреждений. Для маломощных трансформаторов такой защитой служат МТЗ и токовая отсечка. Для мощных трансформаторов применяется  более совершенная дифференциальная РЗ.

         8 Лекция. Защита электродвигателей

         Содержание лекции: рассматриваются основные защиты электродвигателей от всех видов КЗ.

 Цель лекции: изучается принцип действия защит и схемы защит двигателей от всех видов КЗ и перегрузки.

           8.1 Защита электродвигателей от КЗ между фазами и от перегрузки

          Междуфазные КЗ в обмотках статора сопровождаются боль­шими токами КЗ и вызывают значительные разрушения по­врежденных электродвигателей. Поэтому РЗ электродвигате­лей от междуфазных повреждений является обязательной. На электродвигателях, подверженных перегрузкам, устанав­ливается РЗ от перегрузки, которая в зависимости от условий работы и обслуживания электродвигателей выполняется дей­ствующей на сигнал, разгрузку приводимого механизма или отключение электродвигателя.

         Защита от КЗ между фазами является основной РЗ электро­двигателей, и установка ее обязательна во всех случаях. В ка­честве РЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт от КЗ согласно ПУЭ применяется МТЗ (токовая отсечка). Наиболее просто токовая отсечка выполняется с реле прямого действия, встроенными в привод выключателя. С реле косвенного дей­ствия отсечка выполняется с независимыми токовыми реле по схемам на рисунках 8.1 и 8.2. Ток срабатывания должен быть отстроен от броска пускового тока электродвигателя

                       I_с.р = k_отс k_сх I_пуск / K_I                                                          (8.1)

          где k_cx - коэффициент схемы, равный  для схемы на рисунке 8.1 и 1 для схемы на рисунке 8.2; I_пуск - пусковой ток электродвига­теля; k_отс - коэффициент отстройки, значение которого прини­мается равным: 1,8 - для реле типа РТ-40, действующих через промежуточное реле с временем срабатывания 0,04-0,06 с; 2 - для реле прямого действия и индукционных реле типов РТ-82 и РТ-84 . Если ток срабатывания отсечки отстроен от пускового тока электродвигателя, то она надежно отстроена и от тока, кото­рый электродвигатель посылает в сеть при внешнем КЗ.

   Токовую РЗ электродвигателей мощностью до 2000 кВт сле­дует выполнять, как правило, по наиболее простой и дешевой однорелейной схеме               (рисунок 8.1). Недостатком этой схемы является более низкая чувствительность по сравнению с отсеч­кой, выполненной по схеме на рисунке 8.2, к двухфазным КЗ меж­ду одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой

без ТТ. Это имеет место, так как ток срабатывания реле отсечки, выполненной по однорелейной схеме, в  раз больше, чем в двухрелейной схеме.

         Поэтому  на  электродвигателях  мощностью  2000-5000  кВт токовая  отсечка  выполняется  двухрелейной.   Двухрелейную схему отсечки следует также применять на электродвигателях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительности однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя окажется менее двух (k_ч < 2)

          а- цепи тока; б- цепи оперативного        а- цепи тока; б -цепи оперативного

             постоянного тока                                      постоянного тока                    

         Рисунок 8.1 Схема однорелейной            Рисунок 8.2 Схема двухрелейной

          токовой отсечки электродвигателя         токовой отсечки электродвигателя

         На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более устанавливается продольная дифференциальная РЗ, обеспечивающая более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках электродвигателей, чем токовая отсечка и МТЗ. Дифферен­циальная РЗ предусматривается и на электродвигателях мощ­ностью до 5000 кВт, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности. Дифференциальная РЗ обычно вы­полняется в двухфазном исполнении с реле типа РНТ-565. Ток срабатывания РЗ, который должен быть отстроен от I_нб при пуске электродвигателей, рекомендуется принимать:

                                   I_с.з = 2I_ном.                                                                                (8.2)

Коэффициент чувствительности РЗ при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя должен быть не менее двух. В тех случаях, когда РЗ с реле РНТ-565, отстроенная от больших токов небаланса, не обеспечивает необходимой чувствительности, используются дифференциальные реле типа ДЗТ-11 с торможе­нием. Подобные РЗ, в частности, применяются на асинхрон­ных электродвигателях типа АТД 5000-8000 кВт, а также на синхронных электродвигателях мощностью более 5000 кВт.

         Защита электродвигателей от перегрузки

        Перегрузка электродвигателей возникает при затянувшем­ся пуске и

самозапуске; из-за перегрузки приводимых механиз­мов. Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя, кратковременны и самоликвидируются при достижении нормальной частоты вращения. Значительное увеличение тока электродвигателя получа­ется также при обрыве фазы, что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при пере­горании одного из них. При номинальной загрузке в зависимо­сти от параметров электродвигателя увеличение тока статора при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6 - 2,5)I_ном. Эта перегрузка носит

устойчивый характер. Также устойчивый ха­рактер носят сверхтоки, обусловленные механическими по­вреждениями электродвигателя или вращаемого им механиз­ма и перегрузкой механизма. Основной опасностью сверхто­ков является сопровождающее их повышение температуры от­дельных частей, и в первую очередь обмоток. Повышение тем­пературы ускоряет износ изоляции обмоток и снижает срок службы двигателя.

При решении вопро­са об установке РЗ от перегрузки и характере ее действия  руководствуются условиями работы электродвигателя, имея в виду возможность устойчивой перегрузки его приводного механизма:

         а) на электродвигателях механизмов, не подверженных тех­нологическим перегрузкам (например, электродвигателях цир­куляционных, питательных насосов и т. п.) и не имеющих тяжелых условий пуска или самозапуска, РЗ от перегрузки не устанавливается;

         б) на электродвигателях, подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях мельниц, дроби­лок, багерных насосов и т. п.), а также на электродвигателях, самозапуск которых не обеспечивается, РЗ от перегрузки долж­на устанавливаться;

          в) защита от перегрузки выполняется с действием на отклю­чение в случае, если не обеспечивается самозапуск электро­двигателей или с механизма не может быть снята технологи­ческая перегрузка без остановки электродвигателя;

         г) защита от перегрузки электродвигателя выполняется с действием на разгрузку механизма или сигнал, если техноло­гическая перегрузка может быть снята с механизма автомати­чески или вручную персоналом без остановки механизма и элект­родвигатели находятся под наблюдением персонала;

         д) на электродвигателях механизмов, могущих иметь как перегрузку, устраняемую при работе механизма, так и пере­грузку, устранение которой невозможно без останова механиз­ма, целесообразно предусматривать действие РЗ от сверхтоков с меньшей выдержкой времени на отключение электродвига­теля. В тех случаях, когда ответственные электродвигатели собственных нужд электростанций находятся под постоянным наблюдением дежурного персонала, тогда РЗ их от перегруз­ки можно выполнить с действием на сигнал. Защиту электродвигателей, подверженных технологической перегрузке, желательно иметь такой, чтобы она, с одной сто­роны, защищала от недопустимых перегрузок, а с другой давала возможность наиболее полно использовать перегрузоч­ную характеристику электродвигателя с учетом предшество­вавшей нагрузки и температуры окружающей среды.

Защита от перегрузки с токовыми реле. Для защиты электро­двигателей от перегрузки обычно применяются МТЗ с использованием реле с ограниченно зависимыми характеристиками типа РТ-80 или МТЗ с независимыми токовыми реле и реле вре­мени (рисунок 8.3).

а, в- цепи переменного тока; б, г – цепи переменного оперативного

тока для защит с независимой и с зависимой выдержками времени

соответственно

Рисунок 8. 2 Схема защит электродвигателей от перегрузки

Максимальная токовая РЗ с независимой выдержкой време­ни в одно-релейном исполнении (рисунок 8.2, а, б) применяется на всех асинхронных электродвигателях собственных нужд теп­ловых и атомных электростанций, а на промышленных пред­приятиях - для всех синхронных (когда она совмещена с РЗ от асинхронного режима) и асинхронных электродвигателей, являющихся приводами ответственных механизмов, а также для неответственных асинхронных электродвигателей с вре­менем пуска более 12-13 с.

         В случае выполнения РЗ от междуфазных КЗ при помощи токовых реле типа РТ-80 эти же реле используются и для защи­ты от перегрузки. Если при этом РЗ от сверхтоков должна дей­ствовать не на отключение, а на сигнал, то применяются реле типа РТ-84, имеющие раздельные контакты отсечки и индук­ционного элемента (рисунок 8.2, в, г).

Ток срабатывания МТЗ от перегрузки устанавливается из условия отстройки от I_ном электродвигателя:

                                   I_с.з=k_отсI_ном/k_в                                                                                                                    (8.3)

Время действия МТЗ от перегрузки t_э.п должно быть таким, чтобы оно было больше времени пуска электродвигателя t_nycк, а у электродвигателей, участвующих в самозапуске, больше времени самозапуска.

Время пуска асинхронных электродвигателей обычно состав­ляет 10-15 с. Поэтому характеристика реле типа РТ-80 должна иметь в независимой части время, не меньшее 12-15 с. На РЗ от перегрузки с независимой характеристикой выдержка вре­мени принимается 12-20 с.

              8.2 . Защита электродвигателей от замыканий на землю

         В соответствии с ПУЭ РЗ от замыканий на землю в обмотке статора с

действием на отключение устанавливается на элект­родвигателях мощностью 2000 кВт и более при токах замыка­ния на землю более 5 А, а на электродвигателях меньшей мощ­ности - при токах замыкания на землю более 10 А. В эксплуата­ции, однако, при токах замыкания на землю более 5 А РЗ от замыканий на землю часто устанавливают на электродвигате­лях любой мощности, что способствует ограничению их повреж­дений при замыканиях на землю. Защита от замыканий на землю реагирует на емкостный ток сети и выполняется с помощью одного токового реле типа РТЗ-51 (РТЗ-50, применявшихся раньше), которое подключает­ся к ТТ нулевой последовательности (ТТНП), установленному на кабеле, питающем двигатель.

Применяются ТТНП типов ТЗ, ТЗЛ, ТЗЛМ и др. (рисунок 8.3, а). В случае, когда питание электродвигателя осуществляется по нескольким параллельным кабелям (двум-четырем), вто­ричные обмотки ТТНП, надетые на каждый из них, соединяют­ся последовательно или параллельно.

а – защита двигателя от замыканий на землю; б- схема подключения

дополнительного трансформатора с заземляющими резисторами.

Рисунок 8.3. Структурная схема защиты от замыканий на землю

        Ток срабатывания РЗ выбирается на основании тех же соображений, что и для аналогичной РЗ кабельных линий, реагирующих на емкостный ток (50 Гц)              

                                                                       (8.3)

        где I_С - собственный емкостный ток электродвигателя; k_OTC -коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,2-1,3; k_б -коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока электро­двигателя при внешних перемежающихся замыканиях на землю. Для РЗ, действующей без выдержки времени, значе­ние этого коэффициента принимается равным 3-4. Для повы­шения чувствительности РЗ допускается принимать уменьшенное значение k_б = 1,5  2. Защита при этом выполняется с выдержкой времени 1 -2 с.

         В целях уменьшения перенапряжений при замыканиях на землю в сети собственных нужд (СН) энергоблоков ТЭС и АЭС большой мощности, а также повышения чувствительности и селективности действия РЗ электродвигателей 6 кВ и транс­форматоров СН 6,3/0,1 кВ, эти сети работают с нейтралью, за­-

земленной через резистор . Для этого на каждой секции блочных СН 6,3 кВ устанавливается дополнительный заземляю­щий трансформатор (ДТ), например, типа ТСЗК-63 со схемой со­единения обмоток звезда с заземленной нейтралью - треуголь­ник. В нейтраль ДТ включаются параллельно два высоковольт­ных заземляющих резистора по 200 Ом каждый, изготовлен­ные из специального электротехнического бетона (бетела) (рисунок 8.3, б).

Список литературы

1. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем./ Под ред. А.Ф. Дьякова.- М.: Изд. МЭИ, 2002.- 295 с.

2. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. "Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов".- М.: Энергоатомиздат, 1998.

4. Шабад М.А. Расчеты РЗ и А распределительных сетей: Монография.- СПб.: ПЭИПК,2003.- 350с.

5. Овчинников В.В. Защита электрических сетей 0,4-35кВ. ч.1,ч.2. –М.: Издательство редакции журнала “Энергетик” , 2002.

6. Шабад М.А. Защита генераторов малой и средней мощности. -М.: НТФ « Энергопрогресс». 2001.-96с.

7. Авербух А.М. Релейная защита в задачах с решениями и примерами. - М.: Энергия, 1975. - 416 с.

8. Правила устройства электроустановок Минэнерго СССР. 6-е издание.- М.: Энергоатомиздат, 1986.

9. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций / Под ред. Э.С. Мусаэляна. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

10.  Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13А. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Схемы. - М.: Энергоатомиздат,1985.- 112 с.

11. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Расчеты.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 96 с