а)

              

а) – токовые цепи; б) – оперативные цепи защиты.

Рисунок 2.2 – принципиальная схема трёхфазной МТЗ

Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание оперативных цепей защиты осуществляется  постоянным током с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электромагнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфазные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными нейтралями.

2.2 Выбор тока срабатывания

Исходным для выбора тока срабатывания МТЗ является требование, чтобы она надежно работала при повреждениях на защищаемом участке, но в то же время не действовала при максимальном рабочем токе нагрузки                I_н.тах и кратковременных перегрузках, вызванных пуском и самозапуском электродвигателей, а также нарушением нормального режима электрической сети.

Увеличение тока нагрузки из-за самозапуска электродвигателей принято оценивать коэффициентом самозапуска k_сзп, показывающим, во сколько раз возрастает ток I_р.тах.

Для отстройки МТЗ от I_н.max необходимо выполнить два условия.             По первому условию МТЗ, пришедшая в действие при КЗ в сети                           (вне защищаемой ЛЭП), должна надежно возвращаться в исходное состояние после отключения КЗ при наличии в защищаемой ЛЭП тока нагрузки I_{н. тах}.

По первому условию:

I_с.з =(k_oтc/k_в)×k_сзп×I_p .                                          (2.1)

По второму условию ИО тока, находящиеся в состоянии не ­действия МТЗ, не должны срабатывать при появлении I_н.тах:

I_с.з>I_н.max.                                                (2.2)

2.3 Токовые отсечки. Принцип действия токовых отсечек

Отсечка является разновидностью МТЗ, позволяющей обес­печить быстрое отключение КЗ. Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного действия и  отсечки с выдержкой времени.

Селективность токовых отсечек достигается ограничением их зоны действия так, чтобы отсечка не работала при КЗ за пределами этой зоны, на смежных участках сети, РЗ которых имеет выдержку времени, равную или большую, чем отсечка. Для этого ток срабатывания отсечки (I_c.з) должен быть больше максимального тока КЗ   (I_к.мах), проходящего через нее при повреждении в конце участка (например, AM на рисунке 2.3), за пределами которого она не должна работать:

I_с.з >I_к.мах.

Зона действия мгновенной отсечки по условиям селективности не должна выходить за пределы защищаемой ЛЭП. Зона действия отсечки, работающей с выдержкой времени, выходит за пределы защищаемой ЛЭП и по условию селективности должна отстраиваться от конца зоны РЗ смежного участка по току и по времени. Токовые отсечки применяются как в радиальной сети с односторонним питанием, так и в сети, имеющей двустороннее питание.

Рисунок 2.3 – Принцип действия токовой отсечки

Схемы цепей постоянного тока отсечек изображены на рисунке 2.4, а, б. Схемы отсечек, выполненные на электромеханических реле и на постоянном оперативном токе, аналогичны схемам МТЗ.

Схемы отсечек с выдержкой времени полностью совпадают со схемами МТЗ с независимой выдержкой времени. Схемы отсечек без выдержки времени отличаются от схем МТЗ отсутствием реле времени.

                          Рисунок 2.4 – Схема цепей постоянного тока токовой

отсечки на электромеханических реле

3 Лекция.  Токовые направленные защиты

Содержание лекции:

- приведены схемы направленной защиты, в двухрелейном исполнении и её работа при КЗ на линии.

Цель лекции:

- выяснить необходимость применения направленных защит в сетях с двумя источниками питания и изучить принцип действия направленных защит.  

3.1 Токовая направленная защита в сетях с двухсторонним питанием

Направленной называется РЗ, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ S_K. Необходимость в применении направленных РЗ возникает в сетях с двусторонним питанием                  (см.рисунок 3.1, а) и в кольцевых сетях с одним источником питания (см.рисунок 3.1, б). При двустороннем питании места КЗ для ликвидации повреждения РЗ должна устанавливаться с обеих сторон защищаемой ЛЭП, как показано на рисунке 3.1.

а)

б)

а) – радиальная сеть;     б) – кольцевая сеть.

Рисунок 3.1 – Схема сети с двухсторонним питанием и размещение РЗ

в   этих сетях

Для селективного действия необходимо ее дополнить реле направлением, реагирующим на знак мощности, протекающей по защищаемому присоединению. Действительно, предположим, что в сети            на рисунке 3.1, а на всех ЛЭП установлены МТЗ, и рассмотрим действие одной из них - например 5'. При КЗ в точке К1 выдержка времени защиты 5' должна быть меньше времени действия РЗ 6', 7' и 8', т.е. t_5'<t_6', t_7' и t_8'.               В случае же КЗ в точке К2 МТЗ 5' должна действовать медленнее РЗ 6' (t_5'>t_6'). Одновременное выполнение обоих требований невозможно. Так, при выполнении первого требования (т.е. при t_5'<t_6') МТЗ 5' будет действовать неселективно при КЗ на W3. Эту неселективность можно устранить, заменив МТЗ 5' направленной защитой 5, действующей только при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. При этом РЗ 5 не будет действовать при КЗ на W3, так как в этом случае мощность КЗ будет направлена из линии к шинам и поэтому второе требование (t₅ > t₆) отпадает. При аналогичном выполнении всех остальных МТЗ сети селективное отключение повреждений становится возможным при выборе выдержек времени РЗ, действующих в одном направлении, по ступенчатому принципу. Исходя из сказанного, можно сформулировать следующие принципы выполнения селективной РЗ в сетях с двусторонним питанием:

1) защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой ЛЭП и действовать на отключение при появлении тока КЗ, если мощность направлена от шин в линию (см.рисунок 3.1);

2) выдержки времени на РЗ, работающих при одном направ­лении мощности (от генератора А или генератора В), должны согласовываться по ступенчатому принципу, нарастая по на­правлению к источнику питания:                  у РЗ, действующих от тока источника А, выдержка времени t₆<t₄<t₂;                у РЗ, действующих от тока источника В t₃<t₅<t₇.

Рисунок 3.2 – Функциональная схема и принцип действия токовой направленной защиты

Направленная токовая защита (НТЗ) при КЗ должна реагировать на значение тока и направление мощности в поврежденных фазах защищаемой ЛЭП. Структурная (функциональная) схема НТЗ, наиболее часто применяемая и показанная на рисунке 3.2 состоит из трех основных элементов (органов): два пусковых реле тока КА (органы тока), которые срабатывают при появлении тока КЗ и выдают сигнал, разрешающий РЗ действовать; два реле направления мощности KW (органы направления мощности - OHM), которые срабатывают при направлении мощности от шин в ЛЭП и подают сигнал, разрешающий РЗ действовать. Если же мощность направлена к шинам, то реле KW выдают сигнал, блокирующий действие РЗ, логической схемы (органы логики), которая действует по заданной программе: получив сигнал о срабатывании органа тока, OHM формирует сигнал о срабатывании РЗ, который с заданной выдержкой времени поступает на ЭО выключателя и производит его отключение.

                                         а)                                          б)

а) цепи переменного  тока    б) цепи напряжения.

Рисунок 3.3 – Двухфазная схема направленной МТЗ с

электромеханическими реле

Рисунок 3.4 – Оперативные цепи двух релейной направленной МТЗ

Пусковое реле тока КА включают на ток фазы ЛЭП, а реле направления мощности (РHМ) – на ток той же фазы и соответствующее междуфазное напряжение (см.рисунок 3.3). Поведение РHМ определяется знаком мощности, подведенной к его зажимам:

                                                   S_p=U_р×I_р×5sin(-_р),                                     (3.1)

где  - угол сдвига между напряжением и током в цепи напряжения реле (угол внутреннего сдвига);

_р - угол сдвига между U_p и I_p.

При КЗ на защищаемой ЛЭП S_p положительно (+ S_p), и РНМ разрешает НТЗ действовать на отключение. При КЗ на защищаемой ЛЭП W1                      (см.рисунок 3.1) или на следующем за ней участке W2 реле КА и KW, приходя в действие, подают сигналы на вход И (см.рисунок 3.1). На выходе элемента И появляется сигнал, который приводит в действие КТ             (см.рисунок 3.1 и 3.4). Через заданное время на выходе КТ появляется сигнал, действующий на исполнительный элемент KL, подающий команду на отключение выключателя. При КЗ на других присоединениях данной подстанции (W2 на рисунке 3.1). КА срабаты­вает, если I_к>I_с.з, но так как KW не работает, элемент И, а следовательно, и НТЗ в целом не действуют. Рассматриваемая схема может быть реализована с помощью как контактных, так и бесконтактных реле. В нормальном режиме, если мощность нагрузки направлена от шин в ЛЭП, РНМ может сработать. Для исключения при этом срабатывании НТЗ ее пусковой орган КА необходимо отстраивать от тока нагрузки (I_с.з>I_н.мax). При качаниях в энергосистеме НТЗ может работать ложно, если ток качания окажется больше I_с.з, мощность S_p на зажимах KW будет направлена от шин в ЛЭП, а период качаний будет больше выдержки времени НТЗ. Анализируя действия НТЗ, установленных в кольцевой  следует иметь в виду возможную каскадность ее действия, т.е. последовательное срабатывание РЗ и отключение выключателей, установленных по кон­цам защищаемой ЛЭП. Так, например, при КЗ в точке К1 из­мерительные органы РЗ 6, установленной на ПС III, удаленной от источников питания, могут не подействовать в первый мо­мент возникновения повреждения из-за недостаточной чув­ствительности. После же отключения поврежденной ЛЭП со стороны ПС I ток, протекающий от ПС III, увеличится и РЗ 6 по­действует каскадно, ликвидируя КЗ в точке К1.

4 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

4.1 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.

Рисунок 4.1 – Протекание фазных токов при замыкании на землю

в сети с изолированной нейтралью

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 4.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (гене­ратором или понижающим трансформатором) и одной экви­валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть. 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 4.2 – 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 (см.рисунок  4.2, 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,

где

X_C= 1/.                                                        (4.1)

Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3×I₀ отсутствует (см.рисунок  4.2, а).

Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети                                    с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А             (см.рисунок 4.1), 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 (см.рисунок 4.1 и 4.2, б), т.е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:

      U_N = U_KN = -E_A.                                                                       (4.2)

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 4.1 и 4.2.

На рисунке 4.2, 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.

4.2 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 3×U₀. Такое устройство состоит из одного реле повышения напряжения KV₀, которое питается напряжением 3×U₀ от обмоток ТН, соединенных по схеме разомкнутого треугольника  (см.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.

Рисунок 4.3 – Схема неселективной сигнализации при замыкании на землю

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

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.

4.3 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 напряжение 35 кВ, для которых от­сутствуют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности, защиту подклю­чить нельзя. Самарский трансформаторный завод в России выпускает трансформаторы тока нулевой последовательности для воздушных выводов 6-1 0кВ типа ТДЗЛВ-10. Трансформа­тор, имеющий внутренний диаметр окна 590 мм, устанавливается внутри ячейки и охватыва­ет проходные изоляторы всех трех фаз. Таким образом может быть выполнена защита от за­мыканий на землю и при отсутствии кабельной вставки. Конструкция кабельного ТНП показа­на на рисунке 4.4.

                                     а)                                                      б)

в)

а – устройство; б – схема замещения; в – установка ТНП на кабеле;

1 - магнитопровод; 2 – обмотка; 3 – трехфазный силовой кабель.

Рисунок 4.4 – Трансформатор тока нулевой последовательности

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

                                             Ф_рез=Ф_А+Ф_В+Ф_С.                                                  (4.3)

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

                                                Ф_рез=k×3×I₀.                                                          (4.4)

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 составляющую I₀. Поэтому, ток во вторичной цепи ТНП будет по­являться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двух фазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз I_A + I_B + I_C = 0, и поэтому, ток в реле отсутствует  (Ф_рез=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). ТНП имеют малую мощность, поэтому, как правило, значительная часть тока уходит на ток намагничивания. Это приводит к необходимости при­менять реле с очень малым потреблением или подбирать условия, при которых отдача мощно­сти от ТТ будет максимальной. Для получения наибольшей мощности от ТНП,                                  а следовательно, и максимальной чувстви­тельности реле, питающихся от ТНП, сопротивление обмотки реле Z_p должно равняться сопротивлению ТНП. Пренебрегая сопротивлением вторичной обмотки Z₂, согласно                рисунку 4.4, б по­лучаем Z_ТНП = Z_нам, и тогда условие отдачи максимальной мощности можно выразить равен­ством Z_P=Z_нам. Из эквивалентной схемы ТНП (см.рисунок 4.4, б) видно, что при выполнении этого ус­ловия вторичный ток, поступающий и реле, и ток намагничивания оказываются одинаковыми. I_нам=I_р. Отсюда следует, что погрешность ТНП достигает примерно 50%. При такой большой погрешности нельзя вычислять вторичный ток по первичному, пользуясь коэффициентом трансформации k=w₂/w₁. Поэтому чувствительность защиты, включенной на ТНП, оценивается по значению первичного тока, при котором обеспечивается действие защиты. В ряде случаев она должна быть на уровне долей одного ампера. При малых значениях 3×I₀ ТНП работает в начальной части характеристики намагничивания, при которой МДС, созданная одновитковым ТНП, очень мала. Таким образом, для обеспечения необходимой чувствительности кроме конструктивных улучшений ТНП требуется применение высокочувствительных измерительных органов (ИО).

ИО устройства УЗА имеют высокую чувствительность и малое потребление (УЗА-10 I_ср=0,05А, S=0,01 ВА). Это позволяет не обязательно добиваться наивысшей отдачи от трансформато­ра тока. Потребление  ИО УЗА-АТ больше, и сильно зависит от уставки. Поэтому, первичный ток срабатывания защиты целесообразно проверять опытным путем, подачей тока в провод, пропущенный через окно ТНП. Для защиты линий ТНП обычно выполняются кабельного типа (ТЗ, ТЗЛ, ТФ). При необ­ходимости осуществления ЗЗ воздушных ЛЭП делается кабельная вставка, на ко­торой устанавливается ТНП. Применяя устройство ТДЗЛВ-10 Самарского завода можно обойтись без кабельной вставки, если габариты ячейки и расположение проходных изоляторов позволяет разместить этот датчик тока внутри ячейки. 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 (см.рисунок 4.4, 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. Для разветвленных сетей с изолированной нейтралью, где емкостной ток одного фидера зна­чительно меньше общего емкостного тока, в качестве ЗЗ можно применить просто токовую защиту высокой чувствительности. Такая защита имеется в устройствах УЗА, а также в большинстве микропроцессорных токовых устройств защиты зарубежных фирм. При малой протяженности кабелей в сети, или, если кабели разной длины и ток в одном кабеле соизме­рим с общим током замыкания на землю, требуется применить направленную защиту нулевой последовательности. Такая защита входит в одну из модификаций УЗА-АТ и во многие уст­ройства зарубежных фирм, например: устройство MiCOM P125-127 фирмы ALSTOM. Широко распространена также защита ЗЗП производства ЧЭАЗ.

5 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:

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. На подстанциях без дежурного персонала ликвидация длительной перегрузки должна производиться автоматически от РЗ отключением менее ответственных потребителей или перегрузившегося трансформатора.

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. Необходимость установки такой РЗ обусловлена возможностью отключения в указанном режиме второго, параллельно работающего AT той же подстанции.

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 (см.рисунок 5.1), 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 5.1. 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 5.1 – Максимальная токовая защита двухобмоточного

трансформатора

На рисунке 5.1, 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 + Δt на отключение Q2 со стороны ВН. Структурная схема при таком выполнении МТЗ приведена                  на рисунке 5.1, 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                          (см.рисунок 5.1, 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/Δ. 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 Δ/Δ и не связанных с сетью                          с заземленной нейтралью МТЗ выполняется также двумя токовыми реле КА1 и КА2 (см.рисунок 5.1, г), ТТ при этом соединяются в неполную звезду.

Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Δ. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме Y/Δ, устанавливается дополнительное реле в обратном проводе токовых цепей КA3 (показано пунктиром на рисунке 5.1, 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 ВН 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 3×I₀, 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.

6 Лекция. 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

6.1 Токовые защиты трансформаторов и автотрансформаторов

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 (см.рисунок 6.1). При внешнем КЗ и нагрузке токи I_I и I_II направлены в одну сторону (см.рисунок 6.1,а) и находятся в определенном соотношении, равном коэффициенту трансформации защищаемого трансформатора:

                                                     I_II/I_I=К_Т                                                             (6.1)

                                 а)                                      б)

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

Рисунок 6.1 – 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.                                                        (6.2)

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

                                                      I_р = I_Iв + I_IIв.                                                             (6.3)

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.                                                            (6.4)

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 (6.4) 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 (6.1).

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 (6.4) необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов                   I_Ib = I_I/К_II и I_IIb = I_II/K_I по значению, а при разных схемах соединения обмоток (Y/Δ и Δ/Y) - и по  фазе с тем, чтобы поступающие в реле токи были равны. Компенсация сдвига токов I_Ib и I_IIb 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 Лекция.  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 трансформаторов. Принцип действия и устройство газового реле. 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 (см.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).

1 – газовое реле; 2 – расширитель

Рисунок 7.2 – Установка газового реле на трансформаторе

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.

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.

Рисунок 7.3 – Устройство поплавкового газового реле;

схема выходных цепей газовой защиты

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 генераторов

Содержание лекции:

- изучаются виды повреждений и ненормальные режимы генераторов и схемы защит генераторов.

Цель лекции:

- изучить основные типовые схемы защиты от замыканий в обмотке статора, защита от замыканий обмотки статора на корпус (землю), а так же схемы и расчеты защиты генераторов от перегрузок.

8.1 Защита от междуфазных коротких замыканий в обмотке статора, защита от замыканий обмотки статора на корпус (землю)

Виды повреждений генераторов. Большинство повреждений генератора вызывается нарушением изоляции обмоток статора и ротора, которые происходят вследствие старения изоляции, ее увлажнения, наличия в ней дефектов, а также в результате перенапряжений, механических повреждений, например из-за вибрации стержней обмоток и стали магнитопровода.

Повреждения в статоре. В статоре возникают междуфазные КЗ, замыкание одной фазы на корпус (на землю), замыкание между витками обмотки одной фазы. Междуфазные КЗ сопровождаются прохождением в месте повреждения очень больших токов (десятки тысяч ампер) и образованием элект­рической дуги, вызывающей выгорание изоляции и токоведущих частей обмоток, а иногда и стали магнитопровода. При замыкании обмотки статора на к о р п у с ток поврежде­ния проходит в землю через сталь магнитопровода статора, выжигая ее. Повреждение стали требует длительного ремонта с перешихтовкой магнитопровода (переборкой активной час­ти стали статора). Длительные замыкания на землю могут пере­ходить в междуфазные КЗ, что увеличивает объем поврежде­ний. Замыкание витков одной фазы происходит от­носительно редко; оно переходит либо в замыкание на землю, либо в КЗ между фазами.

Повреждения в роторе. Обмотка ротора генератора находит­ся под сравнительно невысоким напряжением, и поэтому ее изоляция имеет значительно больший запас электрической прочности, чем изоляция статорной обмотки. Однако из-за значительных механических усилий, обусловленных большой частотой вращения роторов турбогенераторов (1500-3000 об/мин), относительно часто наблюдаются случаи повреждения изоля­ции и замыкания обмотки ротора на корпус (т.е. на землю) в одной или двух точках. Замыкание на корпус в одной точке обмотки ротора неопасно, так как ток в месте замыкания очень мал и нормальная работа генератора не нарушается. Но при этом повышается вероятность возникновения опасного для генератора аварийного режима в случае появления второго замыка­ния на корпус в другой точке цепи возбуждения.

В  ка­честве основной РЗ от междуфазных КЗ в генераторе применяет­ся быстродействующая продольная дифференциальная РЗ. Эта РЗ, выполняемая по схеме с циркулирующими токами, подключается к ТТ, установленным со стороны линей­ных выводов и со стороны нулевой точки генератора; в зону ее действия входят обмотки, выводы статора, а для генераторов, работающих на сборные шины, - кабели или шины, соединяю­щие генератор с его выключателем.

Разновидности схем продольных дифференциальных защит. На рисунке 8.1 приведены две основные схемы дифферен­циальных РЗ.

Первая схема (см.рисунок 8.1, а, б) выполнена с помощью двух реле типа РНТ-565. Подобная схема обычно применяется на гене­раторах небольшой мощности (менее 30 МВт). Ток срабатыва­ния при этом допускается принимать равным (1,3-1,4)×I_ном. При такой уставке срабатывания дифференциальная РЗ, как правило, бывает надежно отстроена от тока небаланса и вмес­те с тем предотвращается ее ложное срабатывание в нормаль­ном режиме в случае обрыва соединительных проводов или неисправности одного из ТТ. При этом для сигнализации обры­ва соединительных проводов дифференциальной РЗ в нулевой провод токовых цепей включается токовое реле КАО (см.рисунок 8.1, а), уставка срабатывания которого принимается рав­ной (20-30%) I_ном. Недостатком первой схемы РЗ по рисунку 8.1, а является то, что она не срабатывает при двойном замыкании на землю (одно в сети, другое в обмотке статора), если в генераторе замы­кается на землю фаза статора, на которой отсутствуют ТТ РЗ. Для отключения генератора в этом случае преду­сматривается дополнительное токовое реле в схеме РЗ от за­мыканий на землю с ТТНП, действующее без выдержки време­ни на отключение. Вторая, наиболее распространенная схема, применяемая на генераторах с косвенным охлаждением обмоток, средней мощ­ности от 30 до 160 МВт приведена на рисунке 8.1, в, г. Она выпол­няется в трехфазном исполнении с помощью реле РНТ-565 с улучшенной отстройкой от апериодической составляющей тока небаланса, для чего сопротивление в короткозамкнутой обмотке реле принимается наибольшим (10 Ом).    

токовые цепи: а – с двумя реле РНТ; в – с тремя реле РНТ;

оперативные цепи: б – с двумя реле РНТ; г – с тремя реле РНТ

Рисунок 8.1 – Схемы продольных дифференциальных защит

генератора

Ток срабатывания РЗ с РНТ обычно принимается равным                           (0,5-0,6)×I_ном._г. Защита при этом оказывается надежно отстроенной от тока небаланса.

Защита от замыканий обмотки статора на корпус (на землю). Требования к защите. На основании результатов эксперимен­тов и опыта эксплуатации установлено, что при замыкании на землю в генераторе при токе замыкания 5А и даже меньших его значениях, имеет место повреждение стали статора, тре­бующее большого и длительного ремонта.

В связи с этим чувствительность защиты должна быть очень высокой, и защита должна действовать на отключение. Это требование становится важным для новых типов генераторов большой мощности (200 МВт и более), особенно с водяным охлаждением. Для таких генераторов необходимо выполнение защит, обеспечивающих их действие при замыканиях на землю в пределах всей обмотки (100%-ный охват витков обмотки ста­тора).

Принципы выполнения защиты. Самым простым способом защиты генераторов от замыканий на землю является защита, реагирующая на составляющую НП (3×I₀). Токи I₀ и напряжения U₀ при замыканиях на землю обмотки статора. Ток замыкания на землю I₃ равен 3×I₀ и пропорционален напряжению нулевой последовательно­сти U₀:

                                                       I₃ = 3×I₀=3×U₀ /X_с,                                                    (8.1)

где Х_с - емкостное сопротивление фазы самого генератора и сети генераторного напряжения.

При замыкании на землю в обмотке генератора (см.рисунок 8.2, а) напряжение U₀ частотой 50 Гц равно напряжению замкнувших­ся на землю витков w₃ обмотки фазы статора. С некоторым при­ближением можно считать, что напряжение распределяется равномерно по всем виткам фазы. Тогда, выражая w₃ в процен­тах от всех витков фазы, получаем

                                                               U₀ = w₃ % ×U_ф.г  / 100,                                                 (8.2)

где U_ф.г – нормальное напряжение фазы генератора. Подставив U₀ из (8.2)  в (8.1), найдем

                                              I_з = 3×I₀ = З×U_ф.г ×w₃ %/(X_C × 100).                                 (8.3)

а – при замыкании на землю обмотки статора генератора;

б – зависимость U₀, I₀ и I₃ от числа витков обмотки статора генератора.

Рисунок 8.2 – Направление U_о и ток I₀

Из (8.2) и (8.3) следует, что U₀, I₀ и I₃, появляющиеся при замыкании на землю, пропорциональны числу замкнув­шихся витков w₃. Графически эта зависимость изображена на рисунке 8.3, б. Величины U₀, I₀, I₃ имеют максимальное значение при замыкании на землю на выводах генератора. В этом случае w₃=100%; подставив это значение в (8.2) и (8.3), получим U_о=U_ф.г, а

                                                    I ₃ = 3×I₀ = 3×U_ф._г /Х_с = 3×U_ф.г ×w×С,                                    (8.4)

где С – емкость относительно земли одной фазы сети генера­торного напряжения.

При приближении точки замыкания на землю к нейтрали генератора w₃ уменьшается от 100% до 0, вследствие этого уменьшаются и U₀, I₀, I ₃, достигая нуля при замыкании в нейт­рали генератора (см.рисунок 8.2, б).

Принцип действий токовой защиты с трансформатором тока нулевой последовательности (ТНП). Защита генераторов от замыканий на землю в обмотке статора, реагирующая на 3×I₀, должна выполняться с помощью фильтра НП (ТНП). Однако ТНП обычной конструкции не обеспечивают не­обходимой чувствительности, поэтому применяются ТНП с подмагничиванием, позволяющим получить большую чувст­вительность РЗ (3-5 А первичного тока).

Конструкция ТНП. Магнитопровод  ТНП, имеющий форму прямоугольника, внутри которого располагаются кабели или токопроводы трех фаз генератора выполняется из трансформаторной стали, на нем намотана вторичная обмотка, питающая реле. Чувствительность РЗ значительно возрастет, если на магнитопровод поместить дополнительную обмотку  (см.рисунок  8.3), питаемую переменным током I_п от постороннего источника. Магнитодвижущая сила дополнительной обмотки F_п будет подмагничивать магнитопровод, создавая в нем магнитный поток Ф_п. Если при наличии подмагничивания протекает тот же ток замыкания на землю I₃, то созданная им магнитодвижу­щая сила F₃ складывается с магнитодвижущей силой обмотки подмагничивания F_п. В результате этого ТНП работает в более крутой части характеристики намагничивания и ЭДС, наводимая током, Е^’’₂ будет значительно больше, чем при том же I₃ без подмагничивания; соответственно возрастает ток в реле, что повышает чувствительность РЗ. Указанное подмагничивание осуществляется переменным током от ТН генера­тора, поэтому магнитный поток Ф_п, создаваемый обмоткой подмагничивания, будет наводить во вторичной обмотке до­полнительную ЭДС_п, искажающую работу ТНП. Для устра­нения вредного влияния обмотки подмагничивания магнито­провод выполняется из двух одинаковых сердечников: 1а и 1б (см.рисунок 8.3). На каждом сердечнике располагаются вторичные обмотки 2а и 2б и обмотки подмагничивания 3а и 3б. Обмот­ки 3а и 3б соединяются встречно-последовательно и создают в сердечниках магнитные потоки противоположного направ­ления. Вторичные обмотки 2а и 2б соединяются согласно-по­следовательно, поэтому наводимые в них током подмагничи­вания ЭДС Е_пa и E_пб взаимно уничтожаются.

Принципиальная схема защиты с ТНП, имеющим подмагничивание, изображена на рисунке  8.4. В схеме предусмотрены два токовых реле: чувствительное и грубое. Чувстви­тельное реле КА1 предназначено для действия при одно­фазных замыканиях на землю в обмотке статора генератора.

На генераторах с ТНП кабельного типа используется токовое реле типа РТ-40, РТЗ-50 или заменяющее его реле типа РТЗ-51, имеющее высокий коэффициент возврата.

Рисунок 8.3 – Трансформатор тока нулевой последовательности с подмагничиванием

                              а)                                                                 б)

                            а – токовые цепи; б – цепи оперативного тока.

             Рисунок 8.4 – Схемы защиты генератора от замыканий на землю

Реле КА1 при сра­батывании воздействует на реле времени КТ, имеющее вы­держку времени 0,5-1 с. В схемах защиты с ТНПШ предусмотрена блокировка, выво­дящая КА1 из действия при внешних КЗ для предотвращения отключения генератора из-за больших токов небаланса. Грубое токовое реле КА2 устанавливается для дей­ствия при двойных замыканиях на землю (одном – в генерато­ре и втором – в сети). Реле КА2 отстраивается от токов небалан­са при внешних КЗ и действует на отключение без выдержки времени. При больших кратностях тока двойного замыкания на землю возможно искажение формы кривой вторичного то­ка ТНП и как следствие – возникновение вибрации подвижной системы и контактов реле КА2 и отказ его в работе. Для исклю­чения этого в качестве КА2 используется реле РНТ-565 с НТТ. Во вторичную цепь ТНП включается сопротивление R=5 Ом для ограничения тока в цепи при двойных замыканиях на зем­лю, благодаря чему обеспечивается термическая стойкость обмотки реле РТЗ-50, сопротивление входного трансформатора которого резко уменьшается из-за насыщения.

8.2 Защита от сверх токов при внешних  и перегрузках

Назначение и виды защит от внешних КЗ. Защита генерато­ров от внешних КЗ служит для отключения генераторов при повреждениях на сборных шинах электростанций или на отхо­дящих от них присоединениях при отказе РЗ или выключателей этих элементов. В тех случаях, когда сборные шины генераторного напря­жения не имеют специальной РЗ, защита генератора от внеш­них КЗ служит основной РЗ от повреждений на шинах. Защита от внешних КЗ дополнительно используется для резервирования дифференциальной РЗ генератора при между­фазных КЗ в нем. Защита должна подключаться к ТТ, установ­ленным со стороны нулевых выводов генераторов, благодаря чему обеспечивается ее срабатывание от тока генератора при повреждении в его обмотках статора.

а – токовые цепи; б – цепи напряжения; в – цепи оперативного тока.

Рисунок 8.5 – Схема максимальной токовой РЗ с блокировкой по напряжению

В качестве РЗ генераторов от внешних КЗ применяются МТЗ с блокировкой (пуском) по напряжению, МТЗ ОП. Максимальная токовая защита с блокировкой по напряже­нию. Блокировка по напряжению выполнена по комбиниро­ванной схеме, состоящей из реле напряжения ОП KV2 и одного реле минимального напряжения KV1, включенного на между­фазное напряжение (см.рисунок 8.5). В схеме используются три токовых реле мгновенного действия.

Токовая защита от симметричной перегрузки. На электро­станциях, имеющих постоянный дежурный персонал, РЗ от перегрузки может действовать на сигнал и выполняться по схеме, приведенной на рисуноке 8.5. Поскольку перегрузка может продолжаться длительно, реле времени КТ2 должно быть тер­мически стойким. Выдержка времени выбирается большей, чем на РЗ от КЗ, чтобы РЗ от перегрузки не давала сигналов при внешних КЗ, отключаемых РЗ.

На генераторах большой мощности в защитах от симметрич­ных перегрузок используется специальное реле с коэффици­ентом возврата: k_в=0,99. При этом I_с.з=1,06×I_ном.г. 

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

Св. план 2012 г., поз.287