25. Защита отдельных элементов. Схемы электроснабжения.

Защита силовых трансформаторов. Трансформаторы являются надежным оборудованием электроустановок. Но в процессе эксплуатации возможны их повреждения или возникновение ненормальных режимов, которые обуславливают необходимость установки защит. Основными видами повреждений являются многофазные и однофазные КЗ в обмотках и на выводах трансформаторов, а также "пожар стали" магнитопровода.

Защиты трансформаторов действуют на их отключение от всех источников питания примногофазных КЗ, витковых замыканиях, замыканиях одной фазы на землю при заземленной нейтрали и значительном выделении газов из масла. Они должны также отключать трансформатор при КЗ на линиях, питающихся от него, если по каким-то причинам не отключаются выключатели линий. Защиты должны действовать на сигнал при перегрузках, слабом газообразовании, повышении температуры и понижении уровня масла. Защита должна действовать на сигнал при слабом газообразовании и понижении уровня масла и на отключение при интенсивном газообразовании и дальнейшем понижении уровня масла. Продольная дифференциальная защита без выдержки времени предусматривается на трансформаторах мощностью 6300 кВА и более, а также на параллельно работающих трансформаторах мощностью 4000 кВ А. Дифференциальная защита может быть предусмотрена на трансформаторах меньшей мощности, но не менее 1000 кВ А, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 с. Токовая отсечка нашла широкое применение для защиты трансформаторов вследствие своей простоты и быстродействия и является вместе с газовой защитой основной при внутренних повреждениях трансформаторов мощностью менее 6300 кВ А, если удовлетворяет требованию чувствительности. ТО не ставится на трансформаторы, имеющие дифференциальную защиту. Максимальная токовая защита используется в качестве основной защиты маломощных трансформаторов, так как она небыстродействующая и имеет ограниченную чувствительность.

Защита воздушные и кабельные линии. Воздушные и кабельные линии электропередачи, имея большую протяженность, подвержены повреждениям в большей степени, чем другое электрическое оборудование. Особенно это относится к воздушным линиям, которые подвержены повреждениям от грозовых ударов, гололеда, сильного ветра, загрязнения изоляторов и т. п. Кабельные линии, проложенные в земле, могут повреждаться из-за ухудшенных условий охлаждения, коррозии оболочек кабеля, осадки почвы, а также при земляных работах.

Указанные выше, а также другие причины повреждений могут вызывать короткие замыкания фаз между собой и на землю. Поэтому для быстрого отключения поврежденных линий они должны быть оборудованы релейной защитой, действующей на отключение.

При этом в электрических сетях, работающих с заземленными нулевыми точками трансформаторов, должна действовать на отключение как защита от междуфазных, так и от однофазных к. з., а в сети, работающей с изолированными нулевыми точками трансформаторов, только защита от междуфазных к. з.

Замыкание на землю одной фазы в сети, работающей с изолированными нулевыми точками трансформаторов, не вызывает нарушения работы потребителей электрической энергии (см. гл. 1 и § 8-11). Поэтому защита от замыканий па землю с действием на отключение в этих сетях, как правило, не применяется, но для ускорения отыскания места повреждения устанавливается защита с действием на сигнал.

Защиты линий отличаются многообразием и определяются главным образом схемой работы линии, напряжением сети и ответственностью питаемых потребителей.

Для защиты линий с односторонним питанием применяются: максимальная токовая защита, токовая отсечка, токовая поперечная дифференциальная защита параллельных линий, направленная токовая поперечная дифференциальная защита параллельных линий.

Для защиты линий с двусторонним питанием, кроме указанных выше защит, применяются: максимальная направленная защита, направленная отсечка, продольная дифференциальная защита, дистанционная защита, высокочастотная защита.

Токовой отсечкой называется максимальная токовая защита с ограниченной зоной действия, имеющая в большинстве случаев мгновенное действие. Одним из наиболее характерных и четких признаков возникновения коротких замыканий, а также большинства других нарушений нормального режима работы является резкое увеличение тока, который в этих аварийных условиях становится значительно больше тока нагрузки .В аварийных условиях, в отличие от тока нормального режима принято называть сверхтоком. Таким образом, появление сверхтока является признаком возникновения аварии. На использовании этого признака основан принцип действия максимальной токовой защиты. В отличие от максимальной токовой защиты селективность действия токовой отсечки достигается не выдержкой времени, а ограничением зоны ее действия. Для этого ток срабатывания отсечки отстраивается не от тока нагрузки, а от тока к. з. при к. з. в конце защищаемой линии или в другой определенной точке, где отсечка не должна действовать.

Принцип действия отсечки основан на том, что величина тока к. з. убывает при удалении места к.з. от источника питания. При к. з. в начале линии у места установки защиты величина тока к.з. имеет наибольшее значение и по мере удаления места к. з. от источника питания постепенно уменьшается, поскольку увеличивается сопротивление до места к. з.

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.

Защита генератора: Повреждения обмотки статора

Многофазные короткие замыкания относятся к наиболее тяжелым повреждениям генератора. Они сопровождаются большими токами, в несколько раз превышающими номинальный ток генератора. Для защиты от многофазных коротких замыканий, вызывающих значительные разрушения в статоре, на всех генераторах мощностью выше 1 000 кВт при наличии выводов отдельных фаз со стороны нейтрали устанавливается продольная дифференциальная защита, действующая на отключение генератора.

На генераторах малой мощности для защиты от многофазных коротких замыкании допускается применение более простых устройств: максимальной токовой защиты или отсечки, установленной со стороны выводов генератора, а также автоматов или плавких предохранителей.

В статоре генератора могут также возникать замыкания между витками одной фазы. Токи, проходящие при этом в месте повреждения, соизмеримы с токами коротких замыканий между фазами. На генераторах, имеющих выведенные параллельные ветви, для защиты от витковых замыканий устанавливается поперечная дифференциальная защита, действующая на отключение генератора. На генераторах, не имеющих выведенных параллельных ветвей, защита от витковых замыканий не устанавливается, так как выполнение ее в этом случае сравнительно сложно, а также потому, что витковые замыкания в статоре генератора, не сопровождающиеся однофазным замыканием на землю или многофазным коротким замыканием, весьма редки.

Защита генератора: Повреждения обмотки ротора.

Замыкание на землю в одной точке цепи возбуждения не оказывает влияния на нормальную работу генератора, ток в месте повреждения не проходит, и симметрия магнитного потока не нарушается. Однако наличие одного замыкания на землю уже представляет некоторую опасность для генератора, так как в случае замыкания на землю во второй точке цепи возбуждения часть обмотки окажется замкнутой накоротко.

Замыкание на землю в двух точках цепи возбуждения сопровождается сильной вибрацией из-за несимметрии магнитного потока. Дуга в месте замыкания может привести к значительному повреждению обмотки и стали ротора. Из-за сильной вибрации замыкание на землю в двух точках цепи возбуждения особенно опасно для синхронных машин с выступающими полюсами, какими являются гидрогенераторы и синхронные компенсаторы. Вследствие этого, как правило, не следует допускать работы гидрогенераторов и синхронных компенсаторов с замыканием на землю в одной точке цепи возбуждения. Необходимо немедленно отключать их и принимать меры к устранению повреждения. Поэтому на машинах с выступающими полюсами предусматривается защита от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения, действующая на сигнал, а защита от двойных замыканий на землю не устанавливается.

Защита электродвигателя: Защита от многофазных коротких замыканий

Для защиты от многофазных коротких замыканий электродвигателей мощностью до 5 000 кВт обычно используется максимальная токовая отсечка. Ток срабатывания отсечки выбирается по следующему выражению:

где   — коэффициент схемы, равный 1 для схемы на рис. 11-4 и   для схемы на рис. 11-3; I_пуск — пусковой ток электродвигателя.