Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях

а) Общие положения

Защита от внешних к. з. служит для отключения трансформатора при к. з. на сборных шинах или на отходящих от нее присоединениях (рис. 16-4), если защиты или выключатели этих элементов отказали в работе.

Одновременно защита от внешних к. з. используется и для защиты от повреждения в трансформаторе. Однако по условиям селективности защита от внешних к. з. должна иметь выдержку времени и, следовательно, не может быть быстродействующей. По этой причине в качестве основной защиты от повреждений в трансформаторах она используется лишь на маломощных транс­форматорах. На трансформаторах, имеющих специальную защиту от внутренних повреждений, защита от внешних к. з. служит резервом к этой защите на случай ее отказа или вывода из ра­боты.

Наиболее простой защитой от внешних к. з. является токовая максимальная защита. В тех случаях, когда ее чувствительность оказывается недостаточной, применяются более чувствительные токовые максимальные защиты с пуском (блокировкой) по напря­жению или же токовые защиты обратной и нулевой последователь­ностей.

Понизительные трансформаторы, к которым отно­сятся трансформаторы, питающие потребителей, в большинстве случаев защищаются с помощью максимальной защиты. При внешних к. з. по этим трансформаторам проходит ток к. з. от всех генераторов системы (рис. 16-4, а). Поэтому кратность тока к. з. получается обычно значительной и достаточной для действия максимальной защиты. При недоста­точной чувствительности простой; максимальной защиты устанавли­ваются более чувствительные защи­ты: максимальная защита с пуском по напряжению и защита обратной последовательности. Возможно при­менение дистанционных защит, реа­гирующих на Z =f (φ_р).

Повышающие трансформа­торы, устанавливаемые на элек­тростанциях, находятся в худших условиях.

Применение на этих трансформа­торах максимальной токовой защиты в большинстве случаев оказывается невозможным из-за недостаточной чувствительности последней при к. з. на стороне высшего напряже­ния.

В этом случае величина тока к. з. I_k, проходящего через защиту (рис. 16-4, б), определяется мощностью генераторов электростан­ции, которая соизмерима с мощностью повысительного транс­форматора, и поэтому кратность тока к. з. получается неболь­шой, а чувствительность защиты — недостаточной.

В связи с этим для защиты повысительных трансформаторов от внешних к. з. применяются более чувствительные защиты: защита, реагирующая на ток обратной последовательности; токовая защита нулевой последовательности и максимальная защита с пуском по напряжению. В зарубежной практике приме­няются и дистанционные защиты.

б) Токовые максимальные защиты трансформаторов

Защита двухобмоточных понизительных трансформаторов. Схема подобной защиты трансформатора с односторон­ним питанием приведена на рис. 16-5. Защита устанав­ливается со стороны источника питания с тем, чтобы включить в ее зону действия сам трансформатор.

Для расширения зоны, действия максимальной токовой защиты трансформаторы тока располагаются у выключателя. На двухобмоточных трансформаторах с односторонним пита­нием (рис. 16-5) защита должна действовать на выключатель В1 со стороны, источника питания. Однако по соображениям надеж­ности целесообразно воздей­ствовать на оба выключате­ля: В1 и В2, с тем чтобы при внешних к. з. один вы­ключатель резервировался вторым.

Схема соединений транс­форматоров тока и реле мак­симальной токовой защиты должна обеспечивать работу защиты при всех возможных видах к; з. В сети с глухо-заземленной нейтралью за­щита выполняется по трех­фазной схеме, а в сети с изо­лированной нейтралью— по схеме неполной звезды. Схе­ма с одним реле, включенным на разность токов двух фазу на трансформаторах с соединением обмоток; звезда— треугольник не рекомендуется к применению, так как защита в этом случае не действует при некоторых видах двухфазных к. з. на стороне треугольника (см. § 3-6, ж, рис. 3-17).

Схема неполной звезды но сравнению с трехфазной имеет меньшую чувствительность при к. з. за трансформатором с сое­динением обмоток звезда—треугольник. Так, например если защита установлена на фазах А и С звезды (рис. 16-6), то при к.з. между фазами α и b на стороне треугольника (рис. 16-6) в реле защиты протекает лишь половина полного тока к. з. Для повышения чувствительности защиты можно устанавливать третье реле в общем проводе трансформаторов тока, в котором (см. рис. 16-6) в этом случае проходит сумма токов поврежденных фаз:

Выбор уставок. Ток с раба т ы в а н и я максимальной токовой защиты выбирается исходя из условия, что защита от к. з. не должна действовать при п е ре г р у з к а х, не требующих быстрого отключения трансформатора.

М а к с и м а л ь н ы й ток нагрузки, от которого необходимо отстроить защиту, обычно определяется из рассмотре­ния двух режимов: отключе­ние параллельно работающего трансформатора или автомати­ческое подключение нагрузки при действии АВР (рис, 16-7). Оставшийся в работе трансфор­матор перегружается в первом случае вдвое (I _{наг.макс} = 2 I _ном.т), а во втором (рис. 16-7) ток пе­регрузки - равен сумме тока I₁ трансформатора Т1 и тока под­ключившейся нагрузки I ₂, т. е. I _раб = I ₁ + I ₂ где I ₂ — уста­новившийся ток подключившей­ся нагрузки. В первый момент после переключения нагрузки ее ток превышает установив­шееся значение за счет само­запуска оставшихся в ра,боте двигателей. Оценивая это увеличение коэффициентом к₃, харак­теризующим кратность токов самозапуска к току /₂, получаем, что максимальный ток трансформатора при действии АВР равен: I _{наг.макс} = I ₁ + k₃ I ₂. Аналогичным образам определяется макси­мальный ток нагрузки и в других подобных случаях. В общем случае с учетом самозапуска двигателей при восстановлении на­пряжения после отключения к. з. в сети или после успешного действия АПВ максимальный расчетный ток нагрузки I _{наг.макс} = k ₃ I _{раб.макс}, где I _{раб.макс},—установившееся значение мак­симального тока нагрузки в условиях нормальной работы; к₃ —, коэффициент самозапуска, учитывающий увеличение I _{раб.макс} в результате самозапуска двигателей, оставшихся в работе при понижении или исчезновении напряжения во время к. з. или бестоковой паузы АПВ либо АВР.

Ток срабатывания находится из условия возврата реле при I _{наг.макс} как и для всех максимальных защит (см. § 4-5), по выражению

Коэффициент чувствительности при к. з. в конце второго участка находится по формуле к_ч = I _к.мин/ I _с.з. Величина к_ч не должна быть меньше 1,3.

Если чувствительность максимальной защиты оказывается неудовлетворительной, то применяются другие более чувствитель­ные защиты, рассмотренные ниже.

Выдержка времени выбирается из условий селектив­ности на ступень выше наибольшей выдержки времени t_л защит присоединений, питающихся от трансформатора, т. е.

Выдержка времени максимальной токовой защиты с ограни­ченно зависимой характеристикой выбирается, исходя из условия (16-5) в предположении, что ток в реле равен току к. з., проходя­щему через трансформатор в случае повреждения в начале линии, питаемой трансформатором., Защиту с ограниченно зависимой характеристикой следует применять в тех случаях, когда посред­ством ее удается ускорить отключение повреждения в транс­форматоре или на шинах.

Защита трехобмоточных понизительных трансформаторов. При внешних к. з. защита трехобмоточных трансформаторов (рис. 16-8) должна обеспечивать селективное отключение только той обмотки трансформатора, которая непосредственно питает место поврежде­ния. Так, например, при коротком замыкании на шинах III (рис. 16-8) должен отключиться выключатель В₈, а обмотки трансформатора I и II должны остаться в работе.

На трехобмоточных трансформаторах с односторонним питанием (например, от шин I) на обмотках II и III устанавливаются самостоятельные комплекты максимальной защиты, действующие на соответствующие выклю­чатели (рис. 16-8). На обмотке 7, питающей трансформатор, устанавливается третий комплект защиты, предназначенный для отключения трансформатора при к. з. в нем и резервирования защит и выключателей обмоток II и III. Выдержка времени t_I выбирается больше t₂ и t ₃.

На трехобмоточных трансформаторах, имеющих двустороннее и трехстороннее питание, максимальная токовая защита не может обеспечить селективности. Так, например, если со стороны обмоток 1 и 2 (рис. 16-9) подключены источники питания, то при к. з. на шинах II время действия t₂ должно быть меньше t_1, но тогда при к. з. на шинах / защита 2 окажется неселективной.

Для получения селективности защиту 2 необходимо выполнить направленной (рис. 16-9), так чтобы она действовала только при к. з., на шинах II с t₂ < t₁. При к. з. на шинах I или III защита 2 должна работать помимо реле направления мощности (как макси­мальная токовая защита) с выдержкой t ₂ > t ₁ и t₃ (рис. 16-9).

Таким образом, на трансформаторах с двух- и трехсторонним питанием для обеспечения селективности необходимо применять направленные защиты.

Следует, однако, иметь в виду, что при наличии защиты шин и устройств резервирования отказа выключателей на присоедине­ниях, питающихся от шин (см. гл. 20), вероятность работы макси­мальных защит трансформатора очень мала. Поэтому на практике в целях упрощения защиты допускается применение простых токовых защит, особенно если на защищаемом трансформаторе имеются АПВ или АВР. Направленная защита устанавливается только на особо ответственных трансформаторах.

С целью упрощения защиты по «Правилам электротехнических установок» допускается не устанавливать защиты на одной из сторон трехобмоточного трансформатора, при этом выполняют защиту со стороны основного питания с двумя выдержками вре­мени; с меньшей из них эта защита действует на отключение выключателя, не имеющего защиты от сверхтоков.

в) Токовая защита обратной последовательности

Защита реагирует на ток обратной последовательности, появляющийся при несимметричных к. з. внешних и в трансфор­маторе. Схема защиты показана на рис. 16-10. Защита состоит из токового реле Т₂, включенного через фильтр обратной последова­тельности Ф₂, и реле времени В, обеспечивающего необходимую выдержку времени.

Ток срабатывания защиты I _2с.з выбирается в общем случае, исходя из двух условий [Л. 5]:

1) отстройки защиты от тока небаланса фильтра Ф₂ при максимальной нагрузке трансформатора:

2) согласования по чувствительности

с защитами присоединений, отходящих от шин, на которые включен трансформатор:

где I _2расч — ток I ₂, проходящий по трансформатору в условиях несимметричного к. з., при котором защита рассматриваемого при­соединения находится на грани срабатывания.

Определение I _2расч дано в [Л. 6]. Анализ показывает, что при I _с.з = (0,5 ÷ 0,7) I _ном трансформатора условия (16-6) и (16-7) обычно выполняются.

Отсюда следует, что чувствительность защиты обратной последовательности при несимметричных к. з. получается зна­чительно большей, чем у максимальной защиты, у которой I _с.з > I _ном.

На трехобмоточных повышающих транс­форматорах, имеющих питание с двух или трех сторон, для обеспечения селективности при несимметричных внешних к. з. необходимо применять направленную защиту с органом направления мощности, реагирующим на мощность обратной последовательности.

Защита обратной: последовательности реагирует только на двухфазные и однофазные к. з., поэтому она обычно дополняется приставкой от трехфазных к. з. Последняя выполняется, как и на генераторах (§ 15-5), в виде однофазной максимальной защиты с блокировкой по напряжению (реле Т и Н на рис. 16-10).

Защита I ₂ может применяться и на понизительных трансфор­маторах.

г) Токовая защита нулевой последовательности

Защита реагирует на ток I ₀, появляющийся в трансформаторе при внешних к. з. (однофазных и двухфазных на землю) и к. з. в трансформаторе. Она применяется на повышающих трансформаторах и устанавливается со стороны обмотки высшего и среднего напряжения, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухозаземленной нулевой точкой. Защита имеет два варианта исполнения, показанные на рис. 16-11, а и б. В обоих случаях защита состоит из токового реле Т₀, включенного на ток нулевой последовательности I ₀.

В схеме на рис. 16-11, а ток 3 I ₀ получается от трехтрансформаторного фильтра нулевой последовательности, а в схеме рис. 16-11, б — от трансформатора тока, включенного в провод, связывающий нейтраль трансформатора с землей. Вторая схема проще и охватывает своей зоной действия обмотки звезды силового трансформатора. Благодаря указанным преиму­ществам она рекомендуется к применению.

Для обеспечения селективности защита выполняется с реле времени В.

Уставки защиты. Ток срабатывания защиты, включенной на ток в заземляющем проводе трансформатора (рис. 16-11, б), выбирают, исходя из двух условий:

1) Для соблюдения селективности защита трансформатора должна быть согласована по чувствительности с защитами нулевой последовательности линий, отходящих от шин электростанции А (рис. 16-11, в).

2) Защита должна надежно действовать при однофазных и двух­фазных к. з. в конце наиболее длинной линии, отходящей от шин А.

По первому условию

где I _0расч — ток нулевой последовательности в трансфор­маторе при однофазном и двухфазных к. з. на землю в усло­виях, когда защита, с которой производится согласование по чувствительности, находится на грани срабатывания, т. е. когда ток 3 I ₀ в этой защите (например, в З_ло линии Л1) равен ее току срабатывания: 3 I _0Л = I _с.зло. Как видно из рис. 16-11, в, на котором приведена в качестве примера схема сети, ток 3 I _0т в нейтрали трансформатора составляет часть тока 3 I _0Л, проходящего в линии. Это отношение характеризуется коэффициентом распределения k _т= З I _0т/3 I _0л. Отсюда 3 I _0т = к _т ·31_0Л. Допустив, что 3 I _0л = I _с.зло, найдем соответствующий ток в нейтрали трансформатора

На трехобмоточных трансформаторах (рис. 16-12), имеющих две обмотки (// и ///) с заземленными нейтралями, защиты нулевой последовательности выполняют­ся направленными, что необходимо для обеспечения селектив­ности.

Защита на автотрансформаторах. На выполнение этой защиты влияют особенности автотрансформаторов, и она поэтому имеет некоторые отличия от трансформаторной защиты:

1. У автотрансформаторов заземляются концы обмоток среднего напряжения, являющиеся общей частью обмотки авто­трансформатора. Как указывалось, по общей части обмотки

протекают встречно направленные токи высшего и среднего напря­жения (рис. 16-2, б).

При к. з. на землю (рис. 16-13) в сети одного напряжения (например, в точке К) в заземляющем проводе течет ток 3 I ₀ = 3 I _0С — 3 I _0в. Этот ток получается меньше своих составляющих и может оказаться недостаточным для надежной работы защиты. Поэтому защита нулевой последовательности в заземляющем проводе автотрансформатора не устанавливается, ее включают на трехтрансформаторный фильтр I _0, устанавливаемый со сто­роны выводов высшего и среднего напряжения. При таком испол­нении она реагирует на полные токи 3 I ₀ высшего и сред­него напряжения, т. е. на 3 I _0В и 3 I _0С соответственно.

2. Вследствие наличия электрической связи между обмотками высшего и среднего напряжения автотрансформатора к. з. на землю на стороне одного напряжения вызывает токи I ₀ на стороне другого.

В связи с этим возникает необходимость в согласовании выдер­жек времени защит нулевой последовательности на выводах высшего и среднего напряжения автотрансформатора. Для обес­печения селективности эти защиты выполняются направленными (рис. 16-14), так чтобы каждая из них действовала только при к. з. в сети своего напряжения.

3. Поскольку наличие автотрансформаторной связи между сетями высшего и среднего напряжения приводит к необходи­мости согласования выдер­жек времени защит, реаги­рующих на ток I ₀, в сетях одного напряжения с защи­тами сетей другого напряже­ния, это увеличивает число ступеней и вызывает повыше­ние выдержек времени на за­щитах. Для их умень­шения защиты нулевой последовательности на авто­трансформаторах рекомен­дуется выполнять двух-ступе н чат ыми и на­правленными (рис. 16-14). Первая ступень осуществ­ляется в виде отсечки с t = 0,5 с. Она отстраивается от быстродействующих защит присоединений, отходящих от шин. Вторая ступень выпол­няется как чувствительная защита, полностью резерви­рующая защиту следующего участка сети.

Ток срабатыва­ния защиты должен отстраиваться от тока неба­ланса, возникающего в трех- трансформаторном фильтре I ₀ при междуфазных к. з., и согласовываться по чувствительности с защитами отходящих линий согласно (16-86).

Ток небаланса определяется так же, как и в аналогич­ной защите линий (см. гл. 8).

д) Защита от внешних к. з. на землю повышающих трансфор­маторов, работающих с разземленной нейтралью

Для ограничения токов к. з. часть повышающих трансфор­маторов работает с разземленной нейтралью. Для таких транс­форматоров возникает опасность при выделении их па изолированную работу на сеть, имеющую замыкание на землю одной из фаз.

Подобные условия могут возникнуть, если, например, при однофазном к. з. на одной из линий (рис. 16-15, а) ее защита или выключатель откажут в действии. Тогда все присоединения, пи­тающие место к. з. током I ₀, отключаются резервными защитами (точки отключения отмечены на чертеже крестиком), а трансфор­матор Т₂ с незаземленной нейтралью останется работать на выделившийся участок сети с повреждением в точке К. Как известно, в такой сети при замыкании на землю возникают опасные перенапряжения, которые могут повредить изоляцию трансформатора.

Для предупреждения этого трансформаторы, работающие с изолированной нейтралью, должны иметь резервную защиту, отключающую их при замыканиях на землю раньше, чем могут отключиться трансформаторы с заземленными нейтралями.

В качестве указанной защиты может применяться:

1) токовая защита нулевой последовательности, установленная на параллельно работающих трансформаторах с заземленной нейтралью.

Для этого на защите нулевой последовательности трансформа­тора Т₁ с заземленной нейтралью предусматриваются две вы­держки времени (рис. 16-15, б). С меньшей выдержкой защита отключает трансформатор Т₂ с разземленной нейтралью, а с боль­шей — трансформатор Т₁ с заземленной нейтралью;

2) защита, реагирующая на появление напряжения U ₀ (рис. 16-15, в). Эта защита выполняется с помощью чувствительного реле повышения напряжения Н₀, которое включается на разомкнутый треугольник шинного трансформатора напряжения.

При к. з. на землю в сети защита Н_о приходит в действие и отключает трансформатор с разземленной нейтралью с выдержкой времени меньшей, чем на защитах I ₀ трансформаторов с заземлен­ной нейтралью.

Напряжение срабатывания реле Н_о отстраивается от U _нб и согласуется по чувствительности с защитами отходящих линий;

3) Защита обратной последовательности, реагирующая на ток I ₂, появляющийся при к. з. на землю.

Полные схемы и другие варианты указанных выше защит, приведены в [Л. 5].

Дата добавления: 2014-12-23