1. Спец. 1-43 01 03

3. Тема 10. Защита трансформаторов и автотрансформаторов

Лекция 17.

Содержание лекции

1. Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов.

2. Присоединение трансформаторов к питающей сети

3. Общие требования к выполнению защит трансформаторов

4. Защита трансформаторов плавкими предохранителями

5. Дифференциальная защита. Область применения и принцип действия

6. Особенности, влияющие на выполнение ДЗТ.

7. Выбор уставок дифференциальной защиты трансформатора

8. Дифференциальная отсечка трансформатора

9. Дифференциальная защита трансформатора с быстронасыщающимися трансформаторами

10. Дифференциальная защита трансформатора с торможением.

11. Дифференциальное реле с торможением типа ДЗТ-11.

12. Дифференциальные защиты на цифровых реле

13. Газовая защита трансформатора

14. Газовая защита переключателя РПН

17.1. Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов.

В процессе эксплуатации в трансформаторах могут возникать следующие повреждения:

• междуфaзные КЗ внутри бака и на вводах,

• замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания),

• замыкания обмоток на землю,

• замыкания между обмотками разных напряжений,

• перекрытие изоляции вводов,

• утечка масла из бака.

Аварийная статистика показывает, что наиболее часто на трансформаторах и автотрансформаторах происходят витковые замыкания и междуфaзные КЗ на вводах, в ошиновке и в кабелях.

В эксплуатации происходят нарушения нормальных режимов работы трансформаторов, к которым относятся:

• прохождение через трансформатор сверхтоков при внешних КЗ и при качаниях в энергосистеме,

• перегрузки, вызванные самозапуском двигателей, подключением дополнительной нагрузки при работе устройств АВР,

• выделение из масла горючих газов,

• понижение уровня масла,

• повышение напряжения на выводах. Оно вызывает возрастание намагничивающего и вихревых токов трансформатора. Следствием такого режима может быть повышение температуры активных частей, повреждение изоляции и пожар в стали.

При ненормальных режимах возможен интенсивный нагрев изоляции обмоток и ее старение. В аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка трансформаторов сверх номинального тока при всех системах охлаждения независимо от длительности и значения предшествующей нагрузки и температуры охлаждающей среды в следующих пределах:

Масляные трансформаторы
Перегрузка по току, %	30	45	60	75	100
Длительность перегрузки, мин	120	80	45	20	10
Сухие трансформаторы
Перегрузка по току, %	20	30	40	50	60
Длительность перегрузки, мин	60	45	32	18	5

В зависимости от опасности повреждения при нарушении нормального режима трансформатора, защита, фиксирующая нарушение, действует на сигнал, разгрузку или отключение трансформатора. Защита трансформатора от перегрузки должна выполняться с действием на сигнал при наличии оперативного персонала, либо – на разгрузку без оперативного персонала на подстанции.

17.2.Присоединение трансформаторов к питающей сети

Трансформаторы присоединяются к сети с помощью выключателей, плавких предохранителей или открытых плавких вставок, автоматических отделителей или выключателей нагрузки, предназначенных для отключения трансформатора в бестоковую паузу.

Рис.17.1. Схемы присоединения понижающего трансформатора к питающей сети: с помощью выключателя (а) и отделителя с короткозамыкателем (б - при напряжении ВН 6-35 кВ и в – при напряжении 110-220 кВ)

При высшем напряжении 35 кВ и более для трансформаторов мощностью более 1,0 MB∙А, распространенным способом подключения трансформатора отпаечной и тупиковой подстанции к линии является подключение через автоматический отделитель (ОД) с установкой короткозамыкателя (КЗ) (рис. 17.1 б, в). Короткозамыкатель устанавливается в двух фазах при напряжении 35 кВ и в одной фазе при напряжении 110 кВ. В этом случае при повреждении в трансформаторе его релейная защита дает команду на включение короткозамыкателя, создается искусственное двухфазное или однофазное КЗ, после чего срабатывает релейная защита питающей линии на ГПП и отключается выключатель (В) этой линии. Наступает бестоковая пауза, во время которой автоматика выдает команду на отключение ОД, а линия включается снова от устройства АПВ.

Наиболее предпочтительным является присоединение трансформатора через выключатель (рис.17.1,а). На рисунке 17.1,а показан выключатель со встроенными в него трансформаторами тока. При наличии у защищаемого трансформатора встроенных трансформаторов тока предпочтительно установить более дешевый выключатель без встроенных ТТ. Большинство строящихся или реконструируемых в настоящее время подстанций комплектуются выключателями на стороне ВН. При подключении трансформатора по схеме рис.17.1,а можно полностью реализовать требования к защитам трансформатора.

2. 17.3. Общие требования к выполнению защит трансформаторов

Согласно ПУЭ для трансформаторов требуются следующие защиты.

1. 1. Защита от внутренних повреждений для трансформаторов мощностью менее 4 МВА - МТЗ и токовая отсечка, для трансформаторов большей мощности - дифференциальная защита;

2. 2. Защита от повреждения внутри бака трансформатора или РПН – газовая защита трансформатора и устройства РПН с действием на сигнал или отключение;

3. 3. Защита от внешних КЗ - МТЗ с блокировкой по напряжению или без нее. Она же используется как резервная защита трансформаторов от внутренних повреждений;

4. 4. Защита от однофазных КЗ на всех сторонах трансформатора, работающего с глухозаземленной нейтралью;

5. 5. Защита от перегрузки с действием на сигнал. В ряде случаев на подстанциях без обслуживающего персонала защита от перегрузки выполняется с действием на разгрузку или на отключение трансформатора.

Кроме непосредственно релейных защит, требуются дополнительные токовые органы, например для автоматики охлаждения и блокировки РПН.

17.4. Защита трансформаторов плавкими предохранителями

Присоединение трансформаторов к сети через плавкие предохранители используется в схемах упрощенных подстанций напряжением ВН 6…35 кВ. Для защиты трансформаторов применяют предохранители типов ПК-10, ПКТ-10, ПКИ-10, ПСН-10, ПСН-35. Ток плавкой вставки зависит от мощности трансформатора и выбирается в пределах 1,5…2 номинального тока трансформатора (табл.17.1).

Таблица 17.1

Рекомендуемые значения номинальных токов плавких вставок I_ном.вс предохранителей типа ПКТ для защиты трехфазных силовых трансформаторов 6/0,4 и 10/0,4 кВ

Мощность трансформатора, кВ∙А	Номинальный ток, А
	трансформатора на стороне			плавкой вставки на стороне и тип предохранителя
	0,4 кВ	6 кВ	10 кВ	0,4 кВ	6 кВ	10 кВ
25	36	2,40	1,44	40	8	5	ПКТ-101-10-5-31,5 УЗ
40	58	3,83	2,30	60	10	8	ПКТ-101-10-8-31,5 УЗ
63	171	6,05	3,64	100	17	10	ПКТ-101-10-10-31,5 УЗ
100	175	17,60	5,80	150	20	17		ПКТ-101-10-17-31,5 УЗ
170	231	15,40	17,25	250	32	20	ПКТ-101-10-20-31,5 УЗ
250	360	24,00	17,40	400	50	40	ПКТ-102-10-31.5УЗ
400	580	38,30	23,10	600	80	50
630	1710	60,50	36,40	1000	170	80

Плавкие предохранители рассчитаны на отключение тока КЗ в трансформаторе, поэтому они проверяются по максимальному отключаемому току КЗ. Номинальный ток отключения для предохранителей 6-10 кВ может быть в пределах 2,5...40 кА. Кроме того, требуется выбрать номинальное напряжение предохранителя. Одинаково недопустимо устанавливать предохранитель напряжением 6 кВ на трансформатор 10 кВ, и предохранитель 10 кВ на трансформатор напряжением 6 кВ. В первом случае может произойти перекрытие предохранителя по поверхности, а во втором - не погаснуть дуга внутри предохранителя.

2. 17.5. Дифференциальная защита. Область применения и принцип действия. Дифференциальная защита трансформатора (ДЗТ) относится к основным защитам трансформатора. ДЗТ выполняется на принципе сравнения токов на стороне ВН и сторонах СН и НН трансформатора и применяется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Защита обладает абсолютной селективностью, реагирует на повреждения в обмотках, на выводах и в соединениях с выключателями и действует на отключение трансформатора со всех сторон без выдержки времени. Зона действия ДЗТ ограничивается местом установки трансформаторов тока и включает в себя ошиновку СН, НН.

Ввиду ее сравнительной сложности, ДЗТ устанавливается в следующих случаях:

1. − на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВ∙А и выше;

2. − на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4000 кВ∙А и выше;

3. − на трансформаторах мощностью 1000 кВ∙А и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности при КЗ на выводах высшего напряжения (Кч< 2), а МТЗ имеет выдержку времени более 0,5 с.

При прохождении через трансформатор сквозного тока нагрузки или внешнего КЗ ток в реле равен: I_р = I₁ – I₂ (рис. 17.2, а).

Рис. 17.2. Принцип действия дифференциальной защиты трансформатора: а –распределение токов при сквозном КЗ; б – то же при КЗ в трансформаторе (в зоне действия дифференциальной защиты).

Пренебрегая током намагничивания трансформатора, который в нормальном режиме имеет малое значение, можно считать, что первичные токи равны (I_I = I_II) и, следовательно, вторичные токи одинаковы, т.е. I₁ = I₂. С учетом этого I_р = I₁ – I₂ = 0.

Таким образом, если ТТ имеют точно совпадающие характеристики, то при прохождении через ТТ тока нагрузки или толка внешнегo КЗ ток в реле отсутствует и ДЗТ на такие режимы не реагирует.

Практически вследствие несовпадения характеристик ТТ вторичные токи не равны I₁ ≠ I₂ и поэтому в реле проходит ток небаланса, т. е.

Для того чтобы дифференциальная защита не подействовала от тока небаланса, ее ток срабатывания должен быть больше этого тока на коэффициент надежности К_н, т. е.:

(17.1)

При КЗ в трансформаторе, или любом другом месте между ТТ, направление токов I₁ и I₂ изменится на противоположное, как показано на рис.17.2, б.

Таким образом, при КЗ в зоне действия ДЗТ в реле проходит полный вторичный ток КЗ. Под влиянием этого тока защита срабатывает и производит отключение поврежденного трансформатора с обеих сторон.