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.

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.

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<IС.З. На этом принципе работают дифференциальные отсечки;

- использование реле с торможением.

Схемы дифференциальных защит

Дифференциальная токовая отсечка

Схемы токовых цепей дифференциальной токовой отсечки (ДТО) могут выполняться в 2-х вариантах: по полной 3-х фазной схеме с тремя реле, и упрощенной схеме в 2-х фазном исполнении на стороне треугольника силового трансформатора с двумя реле (рис. 9.2.9.).

На трансформаторах большой и средней мощности следует применять 3-х фазную схему, как более совершенную.

Основным условием правильной работы ДТО является отстройка тока срабатывания от намагничивающего тока, возникающего при включении силового трансформатора. Для облегчения отстройки устанавливаются промежуточные реле с временем действия 0,04-0,06 с.

Из-за большой величины тока срабатывания, защита недостаточна чувствительна к витковым замыканиям.

Достоинства ДТО:

- простота принципа действия;

- быстрота действия.

Недостатки ДТО:

- ограниченная чувствительность.

ДТО применяется на силовых трансформаторах малой мощности.

Рисунок 1. Выполнение дифференциальной токовой отсечки

Лекция 3. Разновидности исполнения защит от многофазных КЗ

Схема дифференциальной защиты с реле тока РНТ-565

Выполнение дифференциальной защиты с реле тока РНТ-565 показана на рис. 1.

Рисунок 1. Схема дифференциальной защиты с реле тока РНТ-565

Применение БНТ позволяет выполнить простую и быстродействующую защиту, надежно отстроенную от токов небаланса и бросков намагничивания.

БНТ плохо трансформирует апериодические токи. В реле защиты попадает лишь переменная составляющая тока небаланса и броска намагничивающего тока силового трансформатора. За счет насыщения сердечника БНТ, обусловленного подмагничивающим действием апериодического тока, трансформация переменной составляющей также ухудшается, что ещё больше уменьшает ток в реле.

После затухания апериодической составляющей нормальные условия для трансформации периодического тока восстанавливаются.

Подмагничивающие действие апериодического тока, приводит к замедлению защиты при повреждении в её зоне. Трансформация уменьшается настолько, что ток в обмотке реле меньше тока срабатывания. Время замедления – 0,03 –0,01 секунды. Это является недостатком схемы дифференциальной защиты с БНТ.

Ток срабатывания защиты должен отстраиваться от переменной составляющей переходных токов намагничивания и небаланса:

Реле РНТ-565 совмещает в себе устройство выравнивания вторичных токов защиты и БНТ. На рис. 2:

- wy1, wy2 – уравнительные обмотки, позволяют выровнять магнитный поток при неравенстве токов I1 и I2 при сквозных КЗ;

- w¶ - рабочая (дифференциальная) обмотка. В РНТ-565 используется токовое реле типа РТ-40.

Число витков уравнивающих обмоток регулируется отпайками и подбирается так, чтобы при внешних КЗ ток в обмотке реле КА был равен нулю.

Ток срабатывания защиты регулируется изменением числа витков обмотки w¶.

На магнитопроводе реле РНТ имеется короткозамкнутая обмотка wк. Она повышает степень отстройки реле от токов небаланса и бросков намагничивающих токов силового трансформатора особенно, когда эти токи имеют незначительную апериодическую составляющую, что понижает эффективность действия БНТ. Короткозамкнутая обмотка ограничивает периодический ток, возникающий во вторичной обмотке РНТ. Конструктивно размещение обмоток реле РНТ-565 показано на рис. 2.

Работа БНТ:

Ток I¶, поступающий в обмотку w¶ создает магнитодвижущую силу F¶ = I¶ w¶, которая образует в среднем стержне магнитный поток Ф¶, замыкающийся по крайним стержням магнитопровода.

В общем случае ток I¶ состоит из переменной I¶.п. и апериодической I¶.а. составляющих. Соответственно этому образуются два магнитных потока Ф¶.п. и Ф¶.а..

Переменный поток Ф¶.п., замыкаясь по стержню 2, наводит в обмотке w2, ЭДС Е2. Апериодический поток Ф¶.а.., медленно изменяющийся во времени, не создает ЭДС в w2 и полностью затрачивается на намагничивание магнитопровода.

Переменная составляющая потока Ф¶.п., наводит в витках короткозамкнутой обмотки wк ЭДС Ек и ток Iк. Короткозамкнутая обмотка создает потоки Фк и Ф’¶ направленные встречно потоку Ф¶.п. и заметно компенсируют его. В результате по магнитопроводу протекает остаточный поток Фп< Ф¶.п. (где Ф¶.п. – магнитный поток при отсутствии короткозамкнутой обмотки).

Таким образом короткозамкнутая обмотка уменьшает переменный магнитный поток, создаваемый периодическим током I¶.п., питающим обмотку w¶.

Рисунок 2. Варианты схем включения обмоток реле РНТ

Дифференциальная защита с реле, имеющим торможение

Чувствительность дифференциальной защиты силовых трансформаторов может быть повышена применением дифференциального реле с торможением. (Принципиальная схема токовых цепей дифференциальной защиты с реле ДЗТ-11 для двухобмоточного трансформатора представлена на рис. 3)

Рис. 3. Схема дифференциальной защиты на реле ДЗТ-11

Ток срабатывания защиты под влиянием тока, протекающего в тормозной обмотке реле, возрастает, что повышает надежность отстройки защиты от появляющихся токов небаланса.

Характеристика реле с торможением

При КЗ в зоне (рис. 4) ток повреждения IK, протекающий по тормозной обмотке, загрубляет реле, но несмотря на это чувствительность тормозного реле выше, чем у реле с БНТ без торможения.

Для обеспечения достаточной надежности действия защиты при повреждениях в зоне и селективности при внешних КЗ коэффициент торможения (наклон характеристики реле) принимается равным 30-60%, а начальный ток IC.P.0 при IT=0 – 1,5-2 А (30-40% от IномТА).

Рисунок 4. Характеристики дифференциальных защит трансформаторов

Оценка дифференциальных защит трансформаторов

Достоинства: быстрое и селективное отключение повреждений как самого трансформатора, так и его выводов и ТВЧ.

Согласно ПУЭ, дифференциальные защиты устанавливаются: одиночно работающих трансформаторах мощностью 6300 кВА и выше; на параллельно работающих трансформаторах мощностью 4000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности при КЗ на выводах низкого напряжения (kЧ<2), а МТЗ имеет выдержку времени >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

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

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

Рисунок 2. Схема для расчета тока срабатывания токовой отсечки

I_С.З. = k_Н I_{КЗ.макс}

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.

Дата добавления: 2014-11-08