Защита от межвитковых замыканий трансформатора

Релейная защита


Альфред Манилов, инженер, ООО «УК «Метрополия»	Ирина Чайка, инженер-проектировщик, ООО «Строй-Сервис»
г. Киев, Украина

Межвитковые замыкания обмоток электродвигателей, трансформаторов и реакторов являются достаточно распространенным видом повреждения.
Предотвратить разрушение обмоток и стали указанных элементов электросети можно с помощью самобалансирующихся защит, позволяющих обнаружить межвитковые замыкания на ранней стадии развития повреждения – считают наши украинские авторы и предлагают достаточно простое решение.

САМОБАЛАНСИРУЮЩИЕСЯ ЗАЩИТЫ
Способ повышения чувствительности
к межвитковым замыканиям

Выполнение чувствительной защиты к межвитковым замыканиям представляет собой сложную задачу, так как изменение тока очень мало и его значение может оказаться недостаточным для срабатывания максимальной токовой защиты, токовой отсечки и дифференциальной токовой защиты на ранней стадии развития аварийного процесса.

Обеспечение нормативных коэффициентов чувствительности защит при коротком замыкании (КЗ) вовсе не означает, что такая чувствительность обеспечивается и при межвитковых замыканиях.

Токовая отсечка без выдержки времени, в зону срабатывания которой входит только 60–70% обмотки, недостаточно эффективна для ограничения объема и степени повреждения, так как реагирует на относительно большие токи КЗ, а к межвитковым замыканиям остается нечувствительной.

В соответствии с [1] аварийный ток при межвитковых замыканиях может быть в пределах 0,06–70% номинального тока трансформатора ( _{н тр}).

Дифференциальная защита трансформатора, выполненная с применением реле ДЗТ-11, также не обеспечивает достаточную надежность при межвитковых замыканиях, поскольку ток ее срабатывания значительно больше, чем аварийный ток при подобных замыканиях.

Защита трансформатора, выполненная с использованием микропроцессорных устройств, срабатывает при токах, составляющих 20–30% _{н тр}.

Газовая защита весьма чувствительна к витковым замыканиям, однако зависимость времени срабатывания защиты от интенсивности газообразования увеличивает степень повреждения трансформатора.

ПРЕДЛАГАЕМАЯ СХЕМА

Для повышения чувствительности защиты к межвитковым замыканиям, а также для обеспечения ее действия на стадии развивающегося повреждения необходимо уменьшить ток срабатывания.

Известно, что при двухфазном КЗ ток в поврежденных фазах протекает во встречных направлениях. Если через окна шинных трансформаторов тока (ТТ) в фазах А, В, С пропустить изолированные проводники двух фаз, то при двухфазном КЗ ток в реле, подключенных к ТТ, будет определяться разностью первичных, а не вторичных токов, благодаря чему ток небаланса в реле будет весьма мал.

Это позволяет применить самобалансирующуюся защиту при межвитковых замыканиях (рис. 1).

Рис. 1. Схема защиты электродвигателя при двухфазном коротком замыкании

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

При двухфазном КЗ, например между фазами А и В, отпадает размыкающийся контакт реле мощности КW1. Замыкающиеся контакты KW2 и KW3 замкнуты.

После срабатывания реле времени КТ1 происходит отключение электродвигателя. Трехфазное КЗ внутри маловероятно и отключается другими защитами электродвигателя. При внешнем двухфазном КЗ защита не действует.

В нормальном режиме, при пуске и самозапуске электродвигателя защита не действует, так как разомкнуты размыкающиеся контакты реле KW1, KW2, KW3.

При потере питания в сети защита также не действует, так как размыкаются замыкающиеся контакты реле KW1, KW2, KW3.

Мощность срабатывания реле KW1, KW2, KW3 должна быть больше мощности в реле, обусловленной током небаланса ТТ при двухфазном КЗ, и меньше мощности, обусловленной током холостого хода. Ее величина определяется при наладке электродвигателя.

При обрыве во вторичных токовых цепях защита не блокируется, что не противоречит ПУЭ. Для исключения ложного срабатывания при включении электродвигателя защита действует с выдержкой времени 0,1 с.

ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРА ИЛИ РЕАКТОРА

Для защиты трансформатора или реактора вместо реле мощности KW1–KW3 предусматриваются токовые реле KА1–KА3 (рис. 2).

Рис. 2. Схема защиты трансформатора при двухфазном коротком замыкании

Защита действует на отключение при двухфазном КЗ в трансформаторе.

Для исключения действия защиты в режиме холостого хода предусматривается блокировка защиты замыкающими контактами выключателя Q1 или автоматическим выключателем QF1.

Для исключения действия защиты при внешнем КЗ ее выдержка времени должна быть больше выдержки времени защиты минимального напряжения ввода.

Ток срабатывания этих реле отстраивается от минимального тока нагрузки.

Для выполнения самобалансирующейся защиты необходимо конструктивное изменение шкафа распределительного устройства с установкой в нем шинных ТТ и изменение конструктивной части ошиновки для осуществления подвода изолированных проводников к ТТ.

ВЫВОД

Предлагаемые самобалансирующиеся защиты, действующие при двухфазных КЗ с выдержкой времени, основаны на измерении разности первичных, а не вторичных токов. Это значительно повышает чувствительность к межвитковым замыканиям на стадии развивающегося повреждения.

ЛИТЕРАТУРА

Засыпкин А. С. Релейная защита трансформатора. М.: Энергоатомиздат, 1989.

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник

Лекция 7. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ

7.1 Виды защит трансформаторов от повреждений

7.3 Повышение напряжения

7.4 Дифференциальная защита

7.5 Газовая защита

7.1 Виды защит трансформаторов от повреждений

Наиболее часто встречающиеся повреждения – КЗ на выводах и витковые замыкания. Многофазные КЗ происходят реже. В трехфазных трансформаторах они маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции; в трансформаторных группах, составленных из трех однофазных трансформаторов, замыкания между фазами практически невозможны.

При витковых замыканиях токи, как правило, небольшие, поэтому защиты трансформаторов, предназначенные для действия при витковых замыканиях, а также при замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с изолированной нейтралью, должны обладать высокой чувствительностью.

Для ограничения разрушений защита трансформаторов должна действовать быстро. Повреждения, сопровождаемые большим током должны отключаться без выдержки времени (время действия защиты составляет 0,05÷0,1 с.).

1. Дифференциальная – мгновенная защита обмоток, вводов и ошиновок трансформатора.

2. Токовая отсечка – защита ошиновки, вводов и части обмотки со стороны высокого напряжения.

3. Газовая – защита от повреждений внутри бака, сопровождающихся выделением газа, а также при понижении уровня масла.

4. Защита от замыканий на корпус.

К ненормальным режимам трансформаторов относят появление в их обмотках сверх токов при внешних КЗ, качаниях и перегрузках и повышение напряжения.

При КЗ на шинах или отходящей от шин линии через трансформатор протекает ток КЗ, существенно превышающий ток нормального режима. При длительном протекании сверх тока обмотки трансформатора недопустимо нагреваются.

Для защиты трансформатора в этом случае используется максимальные токовые защиты (обычная, или с блокировкой минимального напряжения), направленная защита, токовая защита нулевой последовательности.

7.2 Перегрузка

Перегрузку трансформатора порядка 1,5÷2 от номинального значения можно допускать в течение десятков минут. Мощные трансформаторы имеют меньшее допустимое время перегрузки. Кратковременные перегрузки возникают при самозапуске двигателей напряжением 6-10 кВ, подключении мощной нагрузки и др., отключения трансформатора при этом не требуется. Более длительная перегрузка при подключении нагрузки от АВР, отключения параллельно работающего трансформатора, могут быть в течение десятков минут устранены персоналом или автоматикой.

7.3 Повышение напряжения

В сетях 500-750 кВ при одностороннем отключении длинных линий с большой емкостной проводимостью вероятно опасное для трансформаторов повышение напряжения. При повышении напряжения увеличивается магнитная индукция в магнитопроводе трансформатора. Возрастает ток намагничивания и вихревые токи, что может вызвать пожар железа сердечника.

7.4 Дифференциальная защита

(ДЗ) предназначена для защиты от КЗ между фазами, на землю и от витковых замыканий. Принцип действия ДЗ такой же как у продольной дифференциальной защиты линий – основан на сравнении величин и направлении токов до и после защищаемого элемента.

Задачей при проектировании защиты является уравновешивание вторичных токов в плечах защиты так, чтобы ток в реле отсутствовал и ДЗ не работала при нагрузке и внешних КЗ (рис. 7.1а). При КЗ в трансформаторе (рис. 7.1б), если I P > I C.P. – реле сработает и отключит трансформатор.

Рисунок 7.1 – Дифференциальная защита трансформатора

Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей по сравнению с продольной дифференциальной защитой линий.

1. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.

2. В режиме нагрузки и внешнего КЗ: I II > I I , отношение токов

I II = N – равно коэффициенту трансформации силового

3. В трансформаторе с соединением обмоток Y/ ∆ – токи I I и I II различаются и по величине и по фазе: угол сдвига зависит от группы соединения обмоток трансформатора.

Наиболее распространённое соединение обмоток Y/ ∆ .

В связи с вышеизложенным необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов по величине:

Источник

ТЕМА 1. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Рекомендуемая литература для самостоятельного изучения

1. Афонина С.Н. Рынок ценных бумаг. — М.: Аудитор, 1997. Рекомендованная литература

2. Астахов В.П. Ценные бумаги. — М.: Аксамит, 1995.

3. Миркин Я.М. Ценные бумаги и фондовый рынок. — М.: Перспектива, 1995.

4. Павлова Л.Н. Корпоративные ценные бумаги. Эмиссия и операции предприятий и банков. — М.: Бухгалтерский бюллетень, 1998. -528 с.

5. Рынок ценных бумаг /Под ред. В.А. Галанова и А.И. Басова. -М.: Финансы и статистика, 1996.

6. Фельдман А.А. Государственные ценные бумаги. — М.: Инф-ра-М,1995.

7. Ценные бумаги: Учебник /Под ред. В.И. Колесникова, В.С.Торкановского. — М.: Финансы и статистика, 1998. — 416 с.

8. Бердникова Т.Б. Рынок ценных бумаг и биржевое дело: Учебное пособие. — М.: ИНФРА-М, 2000. — 270 с.

9. Бердникова Т.Б. Рынок ценных бумаг. -М.: ИНФРА-М, 2002. — 278 с

10. Бычков АЛ. Мировой рынок ценных бумаг: институты, инструменты, инфраструктура. — М.: Диалог-МГУ, 1998. — 164 с.

11. Буренин А. М. Рынок производных финансовых инструментов: Учебное пособие. — М.: Инфра-М, 1996.

12. Дегтярева О.Н., Кандинская О.А. Биржевое дело. -М.: ЮНИ-ТИ, 1997, -503 с.

13. Каменева Н.Г. Организация биржевой торговли: Учебник для вузов. — М.: Банки и биржи. ЮНИТИ, 1998.- 303 с.

14. Мещерова Н.В. Организованные рынки ценных бумаг.- М.: Логос, 2000.-200 с.

15. Рубцов Б.В. Зарубежные фондовые рынки: инструменты, структура, механизм функционирования. — М.: ИНФРА-М, 1996. -304 с.

16. Саркисян AM Производные финансовые инструменты: фьючерсы, опционы, свопы. — М.: Прогресс, 1998. — 196 с.

17. Букато В.И., Львов Ю.И. Банки и банковские операции в России. /Под ред. М. Х. Лапидуса. — М.: Финансы и статистика, 1996.

18. Игнатьева Д.А. Доверительное управление на рынке ценных бумаг. — Старый Оскол: Тонкие Наукоёмкие Технологии, 2003. -304 с.

19. Молчанов А.В. Коммерческий банк в современной России: теория и практика. — М.: Финансы и статистика, 1996.

Лекция 1. Основные виды повреждений и ненормальных режимов трансформаторов, основные виды защит (2 часа).

Основные виды повреждений.

Основными видами повреждений в трансформаторах и автотрансформаторах являются:

— замыкания между фазами внутри кожуха трансформатора и на наружных выводах обмоток;

— замыкания в обмотках между витками одной фазы (так называемые витковые замыкания);

— замыкания на землю обмоток или их наружных выводов.

Опыт показывает, что КЗ на выводах и витковые замыкания в обмотках трансформаторов происходят наиболее часто.

Междуфазные повреждения внутри трансформаторов возникают значительно реже. При витковых замыканиях токи, как правило, небольшие, поэтому защиты трансформаторов, предназначенные для действия при витковых замыканиях, а также при замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с изолированной нейтралью, должны обладать высокой чувствительностью.

Замыкание одной фазы на землю опасно для обмоток, присое- диненных к сетям с глухозаземленными нейтралями. В этом случае защита должна отключать трансформатор и при однофазных коротких замыканиях в его обмотках на землю.

В сетях с нейтралями, изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы, защита от однофазных замыканий на землю с действием на отключение устанавливается на трансформаторе в том случае, если такая защита имеется в сети.

Опасным внутренним повреждением является также пожар стали магнитопровода, который возникает при нарушении изоляции между листами магнитопровода, что ведет к увеличению потерь ва перемагничивание и вихревые токи.

Защиты, основанные на использовании электрических величин, на тот вид повреждения тоже не реагируют, поэтому возникает необходимость в применении специальной защиты от витковых замыканий и от пожара стали для маслонаполненных трансформаторов такой защитой является газовая, основанная на использовании явлений газообразования.

Основные виды защит трансформаторов от повреждений:

1. Дифференциальная – мгновенная защита обмоток, вводов и ошиновок трансформатора.

2. Токовая отсечка – защита ошиновки, вводов и части обмотки со стороны высокого напряжения.

3. Газовая – защита от повреждений внутри бака, сопровождающихся выделением газа, а также при понижении уровня масла.

4. Защита от замыканий на корпус.

Ненормальные режимы работы.

Они обусловлены внешними короткими замыканиями и перегрузками. В этих случаях в обмотках трансформатора появляются большие токи (сверхтоки). Особенно опасны токи, проходящие при внешних коротких замыканиях; эти токи могут значительно превышать номинальный ток трансформатора. Поэтому на трансформаторе должна предусматриваться защита, отключающая его при появлении сверхтоков, условленных не отключившимся внешним коротким замыканием.

Для защиты трансформатора от токов внешних КЗ используются максимальные токовые защиты (обычная, или с блокировкой минимального напряжения), направленная защита, токовая защита нулевой последовательности.

Защита трансформатора от перегрузки при наличии дежурного персонала должна выполняться с действием на сигнал. На подстанциях без дежурного персонала защита от перегрузки должна действовать на разгрузку или отключение.

К ненормальным режимам работы трансформаторов относится также недопустимое понижение уровня масла, которое может произойти, например, вследствие повреждения бака.

Защиты от многофазных КЗ.

Дифференциальная защита трансформаторов

Дифференциальная защита (ДЗ) предназначена для защиты от КЗ между фазами, на землю и от витковых замыканий. Принцип действия ДЗ основан на сравнении величин и направлении токов до и после защищаемого элемента. Распределение токов при КЗ в трансформаторе и вне его продемонстрировано на рис. 1.

Задачей при проектировании защиты является уравновешивание вторичных токов в плечах защиты так, чтобы ток в реле отсутствовал и ДЗ не работала при нагрузке и внешних КЗ (рис. 1. а)). При КЗ в трансформаторе (рис. 1. б)), если I_P>I_CP – реле сработает и отключит трансформатор.

Рисунок 1. Выполнение дифференциальной защиты

Особенности дифференциальной защиты трансформаторов

Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей. 1. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.

2. В трансформаторе с соединением обмоток Y/D — токи II и III различаются и по величине и по фазе: угол сдвига зависит от группы соединения обмоток трансформатора. Наиболее распространённое соединение обмоток Y/D–11 гр.

В связи с вышеизложенным необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов по величине, а при разных схемах соединения обмоток и по фазе, с тем, чтобы поступающие в реле токи в нормальном режиме и при внешнем КЗ были равны.

Компенсация сдвига токов I1 и I2 по фазе. Выравнивание вторичных токов в плечах защиты по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмоток трансформаторов тока, установленных на стороне звезды силового трансформатора.

Такой способ обеспечивает компенсацию сдвига фаз не только при симметричной нагрузке и трехфазных КЗ, но и при любом несимметричном повреждении.

Выравнивание величин токов I1 и I2

Выравнивание величин вторичных токов в плечах дифференциальной защиты осуществляется подбором коэффициентов трансформации nT1 и nT2 трансформаторов тока и параметрами, специально для этой цели установленных, промежуточных автотрансформаторов или трансформаторов (см. рис. 3). Коэффициенты трансформации nT1 и nT2 выбираются таким образом, чтобы вторичные токи в плечах защиты, по возможности, совпадали I1=I2 (рис. 3 а)).

Рисунок 3. Выравнивание вторичных токов

Использование трансформатора (рис.4.):

Рисунок 4. Использование трансформатора для выравнивания токов

В данном случае используется промежуточный компенсирующий трансформатор с тремя первичными обмотками: wy1 и wy2 — уравнительные, включаются в плечи защиты; w∂ — дифференциальная, включаемая на разность токов I1–I2. Вторичная обмотка w2 питает дифференциальное реле КА.

Число витков обмоток подбирается из условия:

Лекция 2. Защиты от многофазных КЗ (2 часа)

Токи небаланса в дифференциальной защите

При внешних КЗ и нагрузке обеспечить полный баланс вторичных токов, поступающих в реле не удается:

Iнб = I1 – I2 . В общем случае ток небаланса можно разложить на ряд составляющих:

Iнб = Iнб.ТА + Iнб.рег+ Iнб.ком+ Iнб.нам

где: Iнб.ТА – ток небаланса из-за погрешностей трансформаторов тока;

Iнб.рег – погрешность при изменении коэффициента трансформации N силового трансформатора;

Iнб.ком – ток небаланса из-за неточности компенсации токов в плечах защиты;

Iнб.нам – составляющая, вызванная наличием тока намагничивания Iнам у силового трансформатора.

Причины повышенного тока небаланса в дифференциальной защите трансформаторов и автотрансформаторов

Величина тока небаланса достигает значительной величины у трансформаторов с РПН, из-за составляющей — Iнб.рег. Из-за конструктивных ограничений часто бывает значительна составляющая Iнб.ком.

Особенна велика составляющая Iнб.ТА – причины этого:

Конструктивная разнотипность трансформаторов тока, применяемых на стороне высшего и низшего напряжения силовых трансформаторов. Особенно резко отличаются характеристики трансформаторов тока, встраиваемых в вводы масляных выключателей (U_НОМ = 35 кВ и выше), от характеристик выносных трансформаторов тока, применяемых на напряжении 10 и 6 кВ.

Большое сопротивление нагрузки, присоединенной ко вторичным обмоткам трансформаторов тока и значительным различием сопротивлений плеч.

У трех обмоточных трансформаторов, кратность токов при внешних КЗ для различных групп трансформаторов тока получаются неодинаковыми. Через одну группу протекает суммарный ток КЗ, через две другие лишь часть этого тока. В результате группа ТА3 (см. рис. 9.2.6.) будет намагничиваться сильнее, токи намагничивания этих трансформаторов увеличатся.

Расчет тока небаланса

Ток небаланса оценивается по приближенной формуле, исходя из предположения, что при максимальном токе короткого замыкания, погрешность трансформаторов тока не превышает 10%:

Iнб.ТА = kодн 0,1 Iк.макс где: kодн — коэффициент однотипности, учитывающий различие в погрешности трансформаторов тока, образующих дифференциальную схему; kодн = 0,5–1. При существенном различии условий работы и конструкций трансформаторов тока — kодн = 1.

Значение полного тока небаланса:

Меры для предупреждения действия защиты от токов небаланса

Простейшее решение: I_C.P. > Iнб – значительно ограничивает чувствительность защиты. Ток небаланса стараются уменьшить. Так как основной составляющей является Iнб.ТА, главный путь уменьшения тока небаланса – правильный подбор трансформаторов тока и их вторичной нагрузки. Трансформаторы тока не должны насыщаться при максимальном значении тока сквозного КЗ.

Однако, даже после принятых мер, ток небаланса все равно остается достаточно большим. Для исключения ложного действия защиты от токов небаланса применяют: дифференциальные реле, включенные через быстро насыщающиеся вспомогательные трансформаторы (БНТ); дифференциальные реле с торможением.

Токи намагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов при включении их под напряжение

При включении силовых трансформаторов возникает резкий бросок тока намагничивания, имеющий затухающий характер.

Изменение тока Iнам во времени характеризуется следующими особенностями:

— кривая тока носит асимметричный характер, пока ток Iнам не достигнет установившегося значения;

— кривая может быть разложена на апериодическую составляющую и синусоидальные токи различных гармоник. Апериодическая составляющая имеет весьма большое удельное значение в токе Iнам;

Время затухания токов определяется постоянными времени трансформатора и сети, и может достигать 2-3 секунд. Чем мощнее трансформатор, тем дольше продолжается затухание. Первоначальный бросок тока может достигать 5-10 кратного значения номинального тока трансформатора. У мощных трансформаторов кратность меньше, чем у маломощных. Ток Iнам, появляется только в одной обмотке силового трансформатора той, на которую подается напряжение при его включении. Для предотвращения ложных действий дифференциальной защиты, под влиянием Iнам принимают специальные меры:

— замедление защиты примерно на 1 секунду (широко применялся ранее). При этом теряется наиболее ценное свойство защиты – её быстродействие;

— блокировка при понижении напряжения;

— торможение от токов высших гармоник; (используется ы цифровых защитах.

В настоящее время применяются следующие два способа:

— использование БНТ (быстро насыщающегося трансформатора), через который включаются дифференциальные реле. БНТ не пропускает апериодический ток, который составляет значительную часть тока намагничивания;

— отстройка от тока намагничивания по величине Iнам 1.

На маломощных трансформаторах используются дифференциальные отсечки. Если на трансформаторах с РПН и трех обмоточных трансформаторах реле с БНТ не удовлетворяет требованию чувствительности, то применяют тормозное реле типа ДЗТ.

Лекция 4. Токовая отсечка и газовая защита трансформаторов (2 часа)

Токовая отсечка самая простая быстродействующая защита от повреждений в силовых трансформаторах. 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 обеспечивает хорошую защиту для трансформаторов малой мощности. Таким образом, трансформатор напряжением 35 кВ и мощностью до 4 мВт вполне можно защитить одним устройством УЗА-АТ,

УЗА-10 установив его на стороне ВН трансформатора и включив на трансформаторы тока, соединенные в треугольник. Данная защита реагирует только на большие по величине токи и охватывает своей зоной действия лишь часть трансформатора.

На трансформаторах, питающихся от сети с глухозаземленной нейтралью, отсечка устанавливается на трех фазах. Принципиальная схема токовой отсечки показана на рис. 1.

Рис. 1. Выполнение токовой отсечки трансформатора

Ток срабатывания токовой отсечки отстраивается от максимального тока КЗ при повреждении за трансформатором (рис2):

Рисунок 2. Схема для расчета тока срабатывания токовой отсечки

где: k_Н — коэффициент надежности, 1,25-1,5 – в зависимости от точности токовых реле.

1,25-1,3 – для реле РТ-40;

1,4-1,5 – для реле РТ-80,90.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Защита от межвитковых замыканий трансформатора