Н.В. Чернобровов Релейная защита

напряжения Н0, которое включается на разомкнутый треугольник шинного трансформатора напряжения.

При к. з. на землю в сети защита Но приходит в действие и отключает трансформатор с разземленной нейтралью с выдержкой времени меньшей, чем на защитах I0 трансформаторов с заземленной нейтралью.

Напряжение срабатывания реле Но отстраивается от Uнб и согласуется по чувствительности с защитами отходящих линий;

3) Защита обратной последовательности, реагирующая на ток I2, появляющийся при к. з. на землю.

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

е) Токовая защита с пуском по напряжению

Принцип действия и схема защиты аналогичны подобной же защите генераторов. Так же как и на генераторах (см. § 15-5, б), эта защита может выполняться с пуском от трех реле минимального напряжения или с комбинированным пуском от реле Н2 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 защи-

ты, чувствительность.

Для улучшения чувствительности пуска по напряжению цепи напряжения 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). Пуск по напряжению повышает чувствительность защит от междуфазных к. з., применяется как на повышающих, так и на понижающих трансформаторах.

16-3. ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

а) Защита от перегрузки трансформаторов

поскольку перегрузка трансформатора возникает одновременно во всех трех фазах. Чтобы избежать излишних сигналов при коротких замыканиях и кратковременных перегрузках, предусматривается реле времени, обмотки которого должны быть рассчитаны на длительное прохождение тока (на схеме на рис. 16-5 не показано).

Т о к с р а б а т ы в а н и я выбирается из условия возврата токового реле при номинальном токе трансформатора:

где kн = 1,05

В р е м я д е й с т в и я перегрузочной защиты выбирается на ступень больше времени максимальной защиты трансформатора:

411

На п о д с т а н ц и я х б е з д е ж у р н о г о п е р с о н а л а защита от перегрузок выполняется трехступенчатой. Первая ступень работает при малых перегрузках и действует на сигнал, передаваемый с помощью телемеханики на дежурный пункт. Выдержка времени t1 = tмакс.защ. + ∆t. Вторая ступень действует при больших перегрузках, когда требуется быстрая разгрузка. Эта ступень действует на отключение части потребителей, разгружая трансформатор до допустимого значения. Выдержка времени второй ступени t2 ≤ tдоп, где tдоп

— допустимое время перегрузки, определяемое перегрузочной характеристикой трансформатора. Вторую ступень желательно выполнять с зависимой от тока характеристикой, соответствующей перегрузочной характеристике трансформатора.

Третья ступень — страховочная, она действует на отключение трансформатора, если по каким-либо причинам вторая ступень не осуществит разгрузки. Выдержка времени t3 = (t2 +

∆t) < tдоп,

На т р е х о б м о т о ч н ы х трансформаторах перегрузочная защита должна устанавливаться таким образом, чтобы она, во-первых, реагировала на перегрузку любой из трех обмоток и, во-вторых, обеспечивала защиту при работе трансформатора в режиме, когда одна из обмоток отключена.

Руководствуясь этими соображениями, на трехобмоточных трансформаторах с одинаковой мощностью обмоток и односторонним питанием перегрузочную защиту устанавливают только на питающей обмотке. При неравной мощности обмоток или двусторонним и трехсторонним питанием трансформаторов защиту следует ставить на всех обмотках.

б) Защита от перегрузки автотрансформаторов

Защита от перегрузки автотрансформаторов выполняется на основе требований к защите трехобмоточных трансформаторов с учетом особенностей токораспределения в обмотках автотрансформатора и различия номинальных мощностей обмоток. Защита от пере-

грузки должна реагировать на перегрузку последовательной (П), общей (О) и дополнительной

(Д) обмоток автотрансформатора (рис. 16-17, а).

Номинальный (допустимый) ток в последовательной обмотке (относящейся к высшему напряжению) определяется по проходной мощности Sпрох, а для общей части обмотки и обмотки низшего напряжения (соединенной в треугольник) — по расчетной (или типовой)

мощности Sрасч (см. рис. 16-2).

Д л я к о н т р о л я за п е р е г р у з к о й обмотки среднего напряжения (общей) перегрузочное реле должно устанавливаться в нулевых выводах автотрансформатора, по которым протекает ток I0бщ. Перегрузка последовательной обмотки (высшего напряжения) и обмотки низшего напряжения учитывается по току в выводах высшего и низшего напряжения соответственно. Места установки реле РП отмечены на рис. 16-17, а кружком.

Необходимость установки защиты от перегрузки той или иной обмотки автотрансформатора определяется на основе анализа токораспределения при различных режимах его работы. Так, например, при перегрузке обмотки низшего напряжения в режиме, когда сторо-

412

на среднего напряжения отключена, ток на стороне высшего напряжения может быть меньше номинального, так как мощность обмотки низшего напряжения равна Sрасч и меньше Sпрох, по которой определяется Iном на стороне высшего напряжения. Отсюда следует,

что на обмотке низшего напряжения всех автотрансформаторов необходимо устанавливать защиту от перегрузки.

Рассматривая токораспределение на понижающем автотрансформаторе, имеющем п и - т а н и е со с т о р о н ы в ы с ш е г о н а п р я ж е н и я (рис. 16-17, б), можно сделать вывод, что при перегрузке обмотки высшего напряжения токи в обмотках среднего и низшего напряжения могут быть ниже номинального. Следовательно, на автотрансформаторах, имеющих питание на стороне высшего напряжения, необходимо устанавливать защиту, реагиру-

ющую на перегрузку этой стороны. Указанная защита будет также защищать и общую обмотку автотрансформатора, так как перегрузка этой обмотки будет сопровождаться перегрузкой обмотки высшего напряжения.

При работе автотрансформаторов в режиме передачи энергии со с т о р о н ы в ы с ш е г о и с р е д н е г о н а п р я ж е н и я на сторону низшего напряжения в общей

обмотке проходит ток Iобщ = IВ + Iс (рис. 16-17, в).

В этих условиях общая обмотка может перегружаться при отсутствии перегрузки в двух других обмотках автотрансформатора.

На автотрансформаторах, работающих в указанном режиме, необходимо устанавливать защиту от перегрузки на нулевых выводах общей обмотки. Такая же защита должна предусматриваться на автотрансформаторах, в которых энергия передается со стороны среднего напряжения одновременно на высшее и низшее напряжение.

Более полный анализ перегрузки обмоток автотрансформатора приводится в [Л. 5, 6]. В соответствии с этим анализом на понижающих автотрансформаторах при питании со стороны высшего напряжения защита от перегрузки должна устанавливаться на сторонах высшего и низшего напряжения.

На тех же автотрансформаторах, имеющих питание и со стороны обмотки среднего напряжения, защита ставится и на нулевых выводах.

На повышающих автотрансформаторах защита устанавливается на всех трех обмотках.

16-4. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА

Токовая отсечка является самой простой быстродействующей защитой от повреждений в трансформаторе, действующей с t = 0. Однако она не является полноценной, так как реагирует только на большие токи повреждения и охватывает своей зоной действия лишь часть трансформатора.

Отсечка не действует при витковых замыканиях и замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с малым током замыкания на землю, и является по существу защитой от к. з. (междуфазных и однофазных).

Ток к. з. при повреждении на выводах трансформатора со стороны источника питания (в точке К1 на рис. 16-18, а) обычно значительно больше, чем при повреждении за трансформатором (в точке К2). Такое соотношение токов и дает возможность использовать для защиты трансформаторов токовую отсечку мгновенного действия (рис. 16-18, б).

Отсечка устанавливается с питающей стороны трансформатора и выполняется при помощи мгновенных токовых реле 1 или электромагнитного элемента реле РТ-90, если реле этого типа использованы для выполнения максимальной защиты.

На трансформаторах, питающихся от сети с глухозаземленной нейтралью, отсечка устанавливается на трех фазах, а при питании от сети с изолированной нейтралью — на двух фазах.

413

ми, на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение получила дифференциальная защита (рис. 16-19). Принцип действия дифференциальной защиты трансформаторов, так же как и дифференциальной защиты линий и генераторов, основан на сравнении величины и направления токов до и после защищаемого элемента (в данном случае

трансформатора). П р и в н е ш н е м к. з. и н а г р у з к е токи I1 и III с обоих концов трансформатора направлены в одну сторону, как показано на рис. 16-19, а, и находятся в

определенном соотношении, равном коэффициенту трансформации трансформатора

I II N . (16-10а)

I I

П р и к. з. в т р а н с ф о р м а т о р е токи I1 и III направлены встречно от шин к месту повреждения (рис. 16-19, а). В первом случае защита не должна действовать, во втором —

должна работать. С учетом этого и выполняется схема защиты. Трансформаторы тока ТI и ТII, питающие схему, устанавливаются с обоих сторон защищаемого трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются разноименными полярностями так, чтобы при внешнем к. з. и нагрузке вторичные токи I1В и IIIВ были направлены в контуре соединительных проводов последовательно (циркулировали по ним). Дифференциальное реле Р включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соедине нии в

с л у ч а е в н е ш н е г о к. з. и п р и т о к е наг р у з к и вторичные токи I1В и IIIВ замыкаются по обмотке реле Р и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен

разности вторичных токов:

Выражения (16-116) и (16-12) являются условием селективности при внешних к. з.

б) Особенности дифференциальной защиты трансформаторов и автотрансформаторов

Вдифференциальной защите линий и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, поэтому для выполнения условия селективности (16-116) достаточно иметь равенство коэффициентов трансформации трансфо р- маторов тока. Иное положение имеет место в дифференциальной защите трансфор-

маторов. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.

Врежиме нагрузки и внешнего к. з. ток трансформатора на стороне низшего напряжения III всегда больше тока на стороне высшего напряжения I1. Их соотноше-

415

ние определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора с о- гласно (16-10а).

Втрансформаторе с соединением обмоток звезда — треугольник и треугольник

—звезда токи I1 и III различаются не только по величине, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединения обмоток трансформатора. При наиболее распр о- страненной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треуголь н и к а о п е р е ж а - е т л и н ей н ый т ок с о с т о р о н ы з в ез д ы н а 3 0 ° (рис. 16-20, а). В трансформаторах с

соединением обмоток звезда — звезда токи I1 и III или совпадают по фазе (рис. 16-20, б) или сдвинуты на 180º.

Таким образом, для выполнения условия селективности (16-116) необходимы спе-

. .

Компенсация сдвига токов I IВ и I II В по фазе осуществляется соединением в

т р е у г о л ь н и к вторичных обмоток трансформаторов тока, установленных на стороне звезды силового трансформатора (рис. 16-21). Соединение в треугольник обмоток трансформаторов тока должно точно соответствовать соединению в треугольник обмоток силового трансформатора.

Трансформаторы тока, расположенные на стороне треуголь ника силового трансформатора, соединяются в звезду.

На рис. 16-21 изображены векторные диаграммы токов в схеме защиты при нагрузке и внешних трехфазных к. з. Векторы пер вичных и вторичных токов в трансформаторах тока и силовом трансформаторе показаны на диаграмме совпадающими

ответствующих фазныхтоков во вторичной и первичной обмотках трансформаторов тока на угол 30°. Токи в проводах второй группы трансформаторов тока Iab(2), Ibc(2), и Ica(2) совпадают по фазе со своими первичными токами и поэтому сдвинуты по отношению к первичному

току звезды силового трансформатора, так же как и токи IАВ(2), IВС(2), 1СА(2), на угол 30°. В результате этого токи, поступающие в реле, совпадают по фазе.

Соединение одной из групп трансформаторов тока в треугольник обеспечивает компенсацию сдвига фаз между вторичными и первичными токами силового трансформатора

416

не только при симметричной нагрузке и трехфазных к. з., но и при любом несимметричном повреждении или нагрузочном режиме.

Справедливость этого положения наиболее просто доказывается с помощью метода симметричных составляющих. Токи прямой и обратной последовательностей симметричны, и поэтому токораспределение их в схеме защит полностью соответствует токораспределению при трехфазном к. з. (рис. 16-21). Следовательно, соединение одной из групп трансформаторов тока в треугольник, а другой — в звезду обеспечивает компенсацию сдвига фаз первичных токов прямой и обратной последовательностей.

Токи нулевой последовательности появляются в случае к. з. на землю и могут замыкаться только через обмотку трансформатора, соединенную в звезду, при условии, что ее нулевая точка заземлена. Проходя по этой обмотке, токи нулевой последовательности трансформируются в фазы обмотки, соединенные треугольником (рис. 16-22).

В контуре треугольника токи I0 каждой фазы направлены последовательно и поэтому циркулируют в нем, не выходя за его пределы (рис. 16-22). Это означает, что в дифференциальной защите трансформаторов с соединением обмоток звезда — треугольник токи нулевой последовательности протекают только по трансформаторам тока, установленным со стороны звезды силового трансформатора.

Такое протекание первичных токов равноценно токораспределению при повреждении внутри трансформатора (при одностороннем питании) и может вызвать неправильную работу защиты. Эта опасность устраняется тем, что на стороне звезды силового трансформатора (где протекают

первичные токи I0) трансформаторы тока соединяются в треугольник, как показано на рис. 16-22. Тогда токи I0 трансформируясь на вторичную сторону трансформаторов тока, замыкаются в контуре этого треугольника, не попадая в реле. При соединении трансформаторов тока па стороне звезды силового трансформатора также в звезду токи нулевой последовательности получают возможность замыкаться через реле, что приведет к неправильной работе защиты при од-

417

нофазных и двухфазных к. з. на землю в сети.

Таким образом, для компенсации сдвига фаз токов силовых трансформаторов, соединенных по схеме λ/∆ или ∆/λ, необходимо трансформаторы тока на стороне звезды соединить в треугольник, а на стороне треугольника — в звезду.

Выравнивание величин вторичных токов в плечах дифференциальной защиты

достигается подбором коэффициентов трансформации пТ1, пТII трансформаторов тока дифференциальной защиты и параметров специально для этой цели установленных промежуточных автотрансформаторов (рис. 16-23, а) или трансформаторов (рис. 16-23, б).

П р и с о е д и н е н и и о б м о т о к с и л о в о г о т р а н с ф о р м а т о р а λ/λ условие (16-12) имеет вид: I1/nТI = III/nТII, отсюда находим, что для обеспечения равенства токов в плечах защиты коэффициенты трансформации трансформаторов тока защиты должны удовлетворять условию

Задаваясь одним из коэффициентов трансформации, например nТII, можно найти, пользуясь выражением (16-13) или (16-14), расчетное значение второго — nТI, обеспечивающее равенство вторичных токов в плечах защиты. Найденный, таким образом, nТI, как правило, получается нестандартным. Поэтому используются стандартные трансформаторы с ближайшим к расчетному значению коэффициентом трансформации,

418

а компенсация оставшегося неравенства осуществляется с помощью выравнивающих автотрансформаторов или трансформаторов. В первом случае (рис. 16-23, а) в одном из плеч защиты устанавливается автотрансформатор АТ. Для выравнивания токов в плечах защиты коэффициент трансформации na автотрансформатора подбирается так, чтобы его вторичный ток IIIа был равен току I1в в противоположном плече защиты:

Во втором случае (рис. 16-23, б) применяется промежуточный компенсирующий трансформатор ТК. Трансформатор ТК состоит из трех первичных обмоток. Обмотки wy1 и wy2 (уравнительные) включаются в плечи защиты, а обмотка wд (дифференциальная) — по дифференциальной схеме на разность токов I1В — IIIВ. Вторичная обмотка w2 питает дифференциальное реле РД. Число витков уравнительных обмоток подбирается так, чтобы геометрическая сумма намагничивающих сил всех трех обмоток в условиях сквозного тока была равна нулю:

При выполнении этого условия результирующая н. с. и магнитный поток Фрез в магнитопроводе ТК отсутствуют, поэтому ток в дифференциальном реле Iр = 0.

В рассмотренной схеме неравенство токов плеч (I1р ≠ IIIв) компенсируется магнитным способом. Этот способ компенсации удобно сочетается с дифференциальным реле, включаемым через БНТ, и получил поэтому широкое распространение в Советском Союзе.

16-6. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ

а) Составляющие тока небаланса

При внешних к. з. и нагрузке обеспечить полный баланс вторичных токов, поступающих в реле, не удается. Вследствие неравенства вторичных токов в реле в указанных режи-

мах появляется ток небаланса, который может вызвать неправильную работу защиты.

Неравенство вторичных токов обусловливается: погрешностью трансформаторов тока; изменением коэффициента трансформации силового трансформатора при регулировании напряжения; неполной компенсацией неравенства вторичных токов в плечах защиты; наличием намагничивающих токов силового трансформатора, вносящих искажение в его коэффициент трансформации.

Каждая из этих причин порождает свою составляющую Iнб. Рассмотрим эти составляющие и способы оценки их величины.

1) С о с т а в л я ю щ а я Iнб.т.т вызывается наличием погрешностей (токов намагничивания) трансформаторов тока, питающих защиту (рис. 16-19). С учетом токов намагничивания разность вторичных токов, проходящих в реле при внешнем к. з.,

Считая, что неравенство первичных токов по величине и фазе полностью скомпен-

419

сировано, получим, что I1/nI = III/nII. С учетом этого из (16-17а) следует, что в реле появляется ток:

Выражение (16-176) показывает, что, как и в дифференциальных защитах линий и генераторов, ток небаланса, обусловленный погрешностью трансформаторов тока, равен геометрической разности намагничивающих токов трансформаторов тока защиты. Эта составляющая тока небаланса имеет наибольшую величину и является основной.

2) С о с т а в л я ю щ а я Iнб.рег появляется при изменении (регулировании) коэффициента трансформации N силового транс

форматора или автотрансформатора.

Компенсация неравенства первичных токов, осуществляемая с помощью компенсирующего трансформатора или вспомогательного автотрансформатора, обеспечивается при о п р е д е л е н н ы х соотношениях токов обмоток силовых трансформаторов, определяемых их коэффициентом трансформации N. При изменении N компенсация токов нарушается и в дифференциальном реле появляется ток небаланса Iнб.рег. Обычно параметры компенсирующих устройств (wy или па) подбираются для среднего значения N. При отклонении от него на ± ∆N% появляется ток небаланса

где Iскв — сквозной ток к. з., протекающий через трансформатор. Обычно на силовых трансформаторах и автотрансформаторах предусматриваются ответвления, позволяющие изменять N в пределах ±5% номинального (среднего) значения. У трансформаторов с регулировкой N под нагрузкой ∆ N = ±10 ÷ 15%.

лового трансформатора. Ток намагничивания нарушает расчетное соотношение между первичным и вторичным токами силового трансформатора, что вытекает из схемы на рис. 1623, и вызывает ток Iнб.нам = Iнам трансформатора.

Внормальном режиме Iнам силового трансформатора не превышает 1—5% номинального тока; при к. з. ток намагничивания уменьшается; при неустановившемся режиме, связанном с внезапным увеличением напряжения на трансформаторе, ток намагничивания си-

лового трансформатора резко возрастает. В режиме нагрузки и к. з. Iнб.нам обычно не учитывается из-за малой величины его.

5) Компенсирующие трансформаторы и автотрансформаторы вносят погрешность при трансформации токов плеч, что вызывает появление небаланса. Однако этот небаланс очень мал и поэтому не учитывается.

Из сказанного вытекает, что полный ток небаланса в дифференциальной защите трансформаторов при внешних к. з. определяется в основном Iнб.т.т и Iнб.рег.

Внекоторых случаях к ним добавляется ток Iнб.комп, вызванный неточностью компенсации неравенства топов в плечах защиты. Таким образом, в общем случае полный ток небаланса

б) Причины повышенного Iнб в дифференциальной защите трансформаторов и автотрансформаторов

420