Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях

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.

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

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

В этом случае величина тока к.з. I_к проходящего через защиту (рисунок 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.

Токовые максимальные защиты трансформаторов

Защита двухобмоточных понижающих трансформаторов. Схема подобной защиты трансформатора с односторонним пи­танием приведена на рисунок 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 (рисунок 16-5) защита должна действовать на выключатель В-1 со сто­роны источника питания. Однако по соображениям надежности целесообразно воздействовать на оба выключателя: В-1 и В-2, с тем чтобы при внешних к.з. один выключатель ре зервировался вторым.

Схема соединений трансформаторов тока и реле максимальной токовой защиты должна обеспечивать работу защиты при всех воз­можных видах к.з. В сети с глухозаземленной 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 фаз, 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, рисунок 3-17).

С хема неполной звезды по 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 (рисунок 16-6), то при к.з. между фазами а и b на стороне треугольника (рисунок 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 в этом случае проходит сумма токов поврежденных фаз:

Ток срабатывания максимальной токовой защиты вы­бирается исходя из условия, что защита от к. з. не должна дей­ствовать при перегрузках, не требующих быстрого отключения трансформатора.

Максимальный ток нагрузки, от которого необходимо отстроить защиту, обычно определяется из рассмотрения д вух режимов: от­ключение параллельно работающего трансформатора или автома­тическое подключение нагрузки при действии АВР (рисунок 16-7). Оставшийся в работе трансформатор перегружается в первом случае вдвое (I_{наг. макс} = 2I_{ном. т}), во втором (рис. 16-7) ток перегрузки равен сумме тока I₁, трансформатора Т1 и тока подключившейся нагрузки I₂, т.е.

г де I₂ – установившийся ток подключившейся нагрузки. В первый момент после переключения нагрузки ее ток превышает установившееся значение за счет самозапуска оставшихся в работе двигателей. Оценивая это увеличение коэффициентом k₃, характеризующим кратность токов самозапуска к току I₂, получаем, что максимальный ток трансформатора при действии АВР равен:

Аналогичным образом 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} = k₃ I_{раб.макс,}

где I_{раб.макс} – установившееся значение максималь­ного тока нагрузки в условиях нор­мальной работы; k₃ – коэффициент, 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, как и для всех максимальных защит, по выражению:

Коэффициент чувствительности при к.з вконце второго участка находится по формуле k_ч = I_к.мин / I_с.з. Величина k_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 понижающих 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 В₃, 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 I, 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 t₁ выбирается больше t₂ и t₃.

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_l но тогда при к. з. на шинах I 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 c 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 > t₁ 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 до пускается 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.

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:

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

2) согласования по чувствительности с защитами присоединений, отходящих от шин, на которые включен трансформатор:

где I_2расч – ток I₂, 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_{но м}.

На трехобмоточных повысительных 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, в виде однофазной максимальной за­щиты с блокировкой по напряжению (реле Т и Н на рис. 16-10).

Защита I₂ может применяться и на понизительных трансформа­торах.

Токовая защита нулевой последовательности

Защита на трансформаторах реагирует на ток I₀, появляющийся при внешних к.з. (однофазных и двухфазных на землю) и в транс­форматоре. Она устанавливается на повысительных трансформато­рах 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 I₀. В схеме на рис. 16-11, а ток 3I₀ получается от трехтрансформаторного фильтра нулев ой 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.

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 3I₀ в этой защите (например, в 3_л0 линии Л1) равен ее току срабаты­вания: 3I_0л = I_с.з.л0. Как видно из рис. 16-11, в, на котором при­ведена в качестве примера схема сети, ток 3I_0т в нейтрали трансфор­матора составляет часть тока 3I_0л, проходящего в линии. Это отношение характеризуется коэффициентом распределения k_T = 3I_0Т / 3I_0л.

Отсюда 3I_0Т = k_Т 3I_0л.

Д опустив, что 3I_0л = I_с.з.л0, найдем соответ­ствующий этому ток в нейтрали трансформатора

Сделав подстановку (16-8а) в (16-8), получим:

По второму условию I_с.з.т должен быть меньше минимального значения тока 3I_от.мин, проходящего по нейтрали трансформатора при к.з. на землю в конце линии (в точке К на рис. 16-11, в). Согласно ПУЭ при к.з. в конце отходящих ли­ний коэффициент чувствитель­ности

Выдержка времен и (на реле В) выбирается из условия селективности с за­щитами присоединений, отхо­дящих от шин станции, со сто­роны которых установлена рассматриваемая защита.

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

Защита от внешних к.з. на землю повысительных трансформаторов, работающих с разземленной нейтралью

Для ограничения токов к.з. часть повысительных трансформато­ров работает с разземленной нейтралью. Для таких трансформато­ров возникает опасность при выделении их на изолированную работу на сеть, имеющую замыкание на зе млю 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 I₀, 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 – тра нс­форматор Т₁ с заземленной нейтралью;

2) Защита, реагирующая на появление напряжения U₀ (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 Н₀ приходит в действие и отклю­чает трансформатор с разземленной нейтралью с выдержкой времени меньшей, чем на защитах I₀ трансформаторов с заземленной ней­тралью. Напряжение срабатывания реле Н₀ отстраивается от U_нб и согла­суется по чувствительности с защитами отходящих линий;

3) фильтровая защита, реагирующая на ток I₂, появляющийся при к.з. на землю.

Токовая защита с пуском по напряжению

Принцип действия и схема защиты аналогичны подобной же за­щите генераторов. Так же как и на генераторах, эта защита может выполняться с пуском от трех реле минимального на­пряжения или с комбиниро­ванным пуском от реле H₂ и реле, реагирующего на пони­жение напряжения сети Н. Последняя схема как более чувствительная рекомендует­ся к применению и показана на рис. 16-16. Защита с пус­ком по напряжению не дей­ствует при перегрузках, в свя­зи с этим отпадает необходи­мость в отстройке токовых реле защиты Т от аварийных нагрузок, что и позволяет по­лучить большую, чем у про­стой максимальной защиты, чувствительность.

Д ля улучшения чувстви­тельности пуска по напря­жению цепи напр яжения защиты обычно питаются от трансфор­матора напряжения, установленного с той стороны трансфор­матора, где должна действовать рассматриваемая защита. Уставки защиты выбираются согласно формулам (15-21) – (15-22).