Н.В. Чернобровов Релейная защита

для двух- и трехобмоточного трансформаторов показана на рис. 16-33. Рабочая обмотка реле включается дифференциально, т. е. на разность токов трансформаторов тока, а тормозные — в плечи дифференциальной защиты с таким расчетом, чтобы в любом случае внешнего к. з. хотя бы одна тормозная обмотка реле обтекалась током сквозного к. з.

При этих условиях ток срабатывания защиты (т. е. ток в рабочей обмотке, необходимый для действия защиты) под влиянием тока, протекающего в тормозной обмотке реле, возрастает, что повышает надежность отстройки защиты от появляющихся в этом случае токов небаланса (рис. 16-34).

П р и к. з. в з о н е ток повреждения Iк, протекающий по тормозным обмоткам, з а - г р у б л я е т реле (увеличивает его Iс.р) так же, как и в условиях внешнего к. з., но несмотря на это чувствительность тормозного реле оказывается выше, чем у реле с БНТ без торможения, что видно из диаграммы, приведенной на рис. 16-34 (точки а и б). Чувствительность тормозного реле при к. з. в зоне можно повысить, если тормозные обмотки включать не во все плечи защиты (как показано на рис. 16-33), а только там, где это необходимо для торможения при внешних к. з. Например, если у защиты двухобмоточного трансформатора (рис. 16-33, а) включить только одну тормозную обмотку Т2 (в плечо, по которому при повреждении в зоне ток Iт = 0), то при внешнем к. з. торможение будет, а при к. з. в зоне оно отсутствует и реле будет срабатывать при токе Iр == I0, т. е. при меньшем токе, чем при наличии тормозной обмотки Т1. Чувствительность тормозного реле можно повысить и на трехобмоточном трансформаторе, если не включать тормозной обмотки Т1.

Для обеспечения достаточной надежности действия защиты при повреждениях в зоне и селективности при внешних к. з. коэффициент торможения, характеризующий наклон характеристики реле (рис. 16-34), принимается равным 30—60%, а начальный ток Iс.р0 при Iт = 0 выбирается равным 1,5—2 А, т.

е. 30— 40 % Iном.т.т.

Однако наличие торможения не устраняет возможности срабатывания реле от бросков намагничивающего тока, так как в этом случае ток в рабочей обмотке равен току в тормозной обмотке, что соответствует условиям к. з. в зоне защиты.

Наряду с этим торможение при внешних к. з. оказывается часто недостаточным для предотвращения ложного действия защиты под влиянием сильно возрастающих переходных токов

небаланса. Для устранения этих недостатков тормозных реле в СССР разработана конструкция дифференциальных реле, сочетающих в себе принципы торможения с принципом отстройки от апериодических токов при помощи БНТ. Успешное решение этой задачи привело к разработке в Новочеркасском политехническом институте имени Орджоникидзе

432

оригинальной конструкции реле с магнитным торможением, показанной на рис. 16-35

[Л. 66, 72].

Реле с магнитным торможением. Реле (рис. 16-35) состоит из трехстержневого насыщающегося трансформатора 1, питающего обмотку электромагнитного реле 2. Насыщающийся трансформатор имеет, как и обычный БНТ, первичную рабочую обмотку wр и вторичную обмотку w2, в цепь которой включено дифференциальное реле. Для осуществления торможения на магнитопровод насыщающегося трансформатора насажена третья — тормозная обмотка wт. Рабочая обмотка включается дифференциально, а тормозная — в рассечку плеча токовой цепи защиты, т. е. так же, как соответствующие обмотки обычного тормозного реле.

Тормозная и вторичная обмотки реле состоят из двух секций: А и В, расположенных на крайних стержнях магнитопровода. Рабочая обмотка помещена на среднем стержне.

Секции wтA и wтВ тормозной обмотки соединены так, что создаваемый ими магнитный поток Фт замыкается по крайним стержням. Поток Фт наводит в секциях w2 А и w2 В вторичной обмотки э. д. с. ЕтА и ЕтВ, которые, однако, взаимно уничтожаются, так как они равны по величине и взавзаимно противоположны по направлению. В результате этого ток тормозной обмотки не создает тока в реле и служит только для подмагничивания крайних стержней магнитопровода, насыщая их и ухудшая трансформацию тока из рабочей обмотки во вторичную.

Поток Фр, создаваемый рабочей обмоткой, замыкается по крайним стержням и наводит в секциях вторичной обмотки согласно направленные э. д. с, обусловливающие ток в реле.

Поток Фр I p wp

Rм

Отсюда следует, что ток Iр, необходимый для создания потока Фр, достаточного для действия реле 2, зависит от магнитного сопротивления Rм, которое увеличивается с насыщением крайних стержней магнитопровода, вследствие подмагничивания их током Iт тормозной обмотки. Чем больше ток Iт, тем больший ток Iр требуется для действия реле. Эта связь выражается уравнением Iр = kтIт и изображается графически кривой 1 на рис. 16-36.

Параметры трансформатора подбираются с таким расчетом, чтобы коэффициент торможения kт= 30 ÷ 60%; его величина остается постоянной в пределах от 10 до 50 А, увеличиваясь при больших значениях тормозного тока. При отсутствии тока в тормозной обмотке рассматриваемое реле работает как обычное реле с БИТ.

При внешнем к. з. ток, проходящий по тормозной обмотке, насыщает крайние стержни магнитопровода, в результате чего ток срабатывания реле возрастает, одновременно с этим ухудшается трансформация тока небаланса, появляющегося в рабочей обмотке трансформатора.

При повреждении в зоне защиты ток в рабочей обмотке равен или больше тока Iт; в этих условиях, несмотря на подмагничивание магнитопровода, в реле появляется ток, достаточный для его действия, что вытекает из характеристик, показанных на рис. 16-36.

Магнитная индукция при токе срабатывания реле достигает значения, при котором начинается насыщение магнитопровода (1,1—1,2 Т), благодаря чему апериодический ток почти не трансформируется во вторичную обмотку, как и в обычном БНТ. Поэтому рас-

433

смотренное реле не реагирует на апериодическую составляющую, содержащуюся в намагничивающем токе силового трансформатора и токе небаланса при неустановившихся режимах.

Важнейшими преимуществами реле являются: простота конструкции, хорошая тормозная характеристика, относительно небольшая зависимость Iс.р от фазы тормозных токов, надежная отстройка от апериодической составляющей токов намагничивания и возможность выполнения реле с тремя и более тормозными обмотками. Последнее решает задачу защиты многообмоточных трансформаторов.

Вследствие загрубления реле и уменьшения тока небаланса, поступающего в обмотку реле, повышается отстройка защиты от токов небаланса.

Отечественная промышленность выпускает реле типа ДЗТ, основанные на рассмотренном принципе. Эти реле содержат в себе трансформатор для выравнивания токов в плечах защиты. Имеются реле с одной тормозной обмоткой ДЗТ-11, предназначенные для двухобмоточных трансформаторов, с тремя (ДЗТ-13) и четырьмя (ДЗТ-14) тормозными обмотками, применяемые на многообмоточных трансформаторах.

16-9. КРАТКАЯ ОЦЕНКА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Основное преимущество дифференциальных защит трансформаторов состоит в том, что они обеспечивают быстрое и селективное отключение повреждений как в самом трансформаторе, так и на его выводах и в токоведущих частях к его выключателям.

Основным видом защиты следует считать защиту с простым реле, включаемым через

БНТ.

На маломощных трансформаторах можно для упрощения применять дифференциальные отсечки (без БНТ).

На трансформаторах с регулировкой под нагрузкой и трехобмоточных трансформаторах с двух- и трехсторонним питанием защиты простые реле с БНТ должны загрубляться до (2 ÷ 3) Iном.

При необходимости повысить чувствительность защиты надлежит применять тормозные реле с БНТ (типа ДЗТ).

16-10. ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

а) Принцип действия и устройство газового реле

Газовая защита получила широкое распространение в качестве весьма чувствительной защиты от внутренних повреждений трансформаторов. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой или нагревом деталей, что приводит к разложению масла и изоляционных материалов и образованию летучих газов. Будучи легче масла, газы поднимаются в расширитель 2, который является самой высокой частью трансформатора (рис. 16-37) и имеет сообщение с атмосферой.

При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных повреждениях, бурно расширяющиеся газы создают сильное давление, под влиянием которого масло в кожухе трансформатора приходит в движение, перемещаясь в сторону расширителя.

Таким образом, образование газов в кожухе трансформатора и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри транс-

форматора. Эти признаки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и движение масла. Газовое реле 1 устанавливается в трубе, соединяющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы через него

434

проходили газ и поток масла, устремляющиеся в расширитель при повреждениях в трансформаторе.

К о н с т р у к ц и и г а з о в ы х р е л е имеют три разновидности, различающиеся принципом исполнения реагирующих элементов. Первоначально применялись реле с реагирующим элементом в виде поплавка, затем появились реле, у которых реагирующим элементом служит лопасть, в последнее время применяются реле с реагирующим элементом, имеющим вид чашки.

Устройство поплавкового газового реле показано на рис. 16-38. Реле состоит из чугунного кожуха 1, имеющего вид тройного патрубка с фланцами для соединения с трубой к. расширителю. Внутри кожуха реле расположены два подвижных поплавка 2а и 26, выполненные в виде тонкостенных полых цилиндров, герметически запаянных и плавающих в масле. Каждый поплавок свободно вращается на оси, закрепленной на стойке. На торце поплавков располагаются ртутные контакты 3, представляющие собой стеклянные колбочки с впаянными в нее контактами и ртутью внутри.

При определенном положении поплавков ртуть замыкает контакты. Выводы от контактов на наружную сторону кожуха выполнены с помощью гибких и изолированных проводников, которые не должны ограничивать свободного вращения поплавков. Контакты верхнего поплавка действуют на сигнал, а нижнего — на отключение трансформатора. Верхний

поплавок находится в верхней части кожуха реле, нижний располагается на уровне соединительной трубы к расширителю так, чтобы поток масла мог воздействовать на него.

Принцип действия реле. Кожух реле находится ниже уровня масла в расширителе, поэтому он всегда заполнен маслом. Поплавки, стремясь всплыть, занимают самое верхнее положение, возможное по условиям их крепления на оси. При этом положении поплавков контакты реле разомкнуты.

П р и н е б о л ь ш и х п о в р е ж д е н и я х образование газа происходит медленно, и он небольшими пузырьками поднимается к расширителю трансформатора. Проходя через реле, пузырьки газа заполняют верхнюю часть его кожуха, вытесняя оттуда масло. По мере понижения уровня масла верхний контакт опускается и через некоторое время, зависящее от интенсивности газообразования, поплавок достигает такого положения, при котором его контакт замыкается.

Е с л и п о в р е ж д е н и е т р а н с ф о р м а т о р а з н а - ч и т е л ь н о е , то под влиянием давления, создаваемого бурно образующимися газами, масло приходит в движение, сообщая толчок

нижнему поплавку. Под его воздействием поплавок мгновенно замыкает свои контакты, посылая импульс на отключение. Движение масла может носить толчкообразный характер, поэтому контакты нижнего поплавка замыкаются кратковременно. Чтобы обеспечить продол-

жительность импульса, достаточную для отключения выключателя, применяется особая схема, обеспечивающая самоудержание выходного промежуточного реле П1 на время, достаточ-

ное для отключения выключателей. Подобная схема приведена на рис. 16-39. Газовое реле подает кратковременный ток в шунтовую обмотку 1 промежуточного реле П1, последнее срабатывает и удерживается последовательно включен-

ными катушками 2 и 3 до отключения выключателей.

Из рассмотренного принципа действия газового реле следует, что оно способно различать степень повреждения в трансформаторе. При малых повреждениях оно дает с и г н а л , при больших — про-

изводит отключение. Сигнализация о небольших повреждениях вместо отключения позволяет дежурному персоналу перевести нагрузку на другой источник питания и отключить после этого трансформатор без ущерба для потребителей.

435

Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторе. В

этом случае первым сработает сигнальный контакт, а затем при продолжающемся снижении уровня масла срабатывает отключающий контакт, выключая трансформатор. Действие последнего полезно в случае быстрой утечки масла, угрожающей понижением уровня масла ниже обмотки трансформатора до того, как дежурный успеет принять меры к разгрузке и отключению трансформатора, а также на автоматизированных подстанциях, не имеющих дежурных .

Отечественная промышленность ранее выпускала реле ПГ-22, РГЗ-22 и ПГЗ-61, выполненные на описанном выше принципе с реагирующим органом в виде цилиндрических поплавков. Реле ПГЗ-61 отличается конструкцией ртутных контактов, в меньшей степени реагирующей на вибрацию трансформатора и толчки масла при внешних к. з.

Лопастные реле (рис. 16-40, а). Сигнальный элемент этого реле выполнен в виде поплавка, как и у реле на рис. 16-38. Нижний отключающий элемент выполняется в виде поворотной лопасти (пластины) 1 или состоит из поплавка и лопасти. При движении масла или потока газов лопасть поворачивается на некоторый угол под воздействием силы, создаваемой движущимся потоком; при этом связанные с лопастью ртутные контакты 9 замыкаются, подавая импульс на отключение. Изменяя начальный угол наклона лопасти 1, регулируют чувствительность реле, т. е. изменяют скорость движения масла, при которой срабатывает лопасть реле. В реле, у которых нижний элемент состоит из лопасти и поплавка, последний предназначен для работы при снижении уровня масла. В конструкции на

рис. 16-40, а нижнего поплавка нет. В этом реле на понижение уровня масла реагирует только сигнальный элемент. При таком исполнении исключается ложное действие отключающего элемента реле из-за нарушения герметичности поплавка и попадания в него масла, но при этом ухудшаются защитные свойства реле. Лопастные реле распространены за границей. Реле, показанное на рис. 16-40, а, разработано в Горэнерго.

замыкание контактов противодействуют пружины 8 и 9, тянущие чашки вверх. Для ограничения движения чашек под действием пружины предусмотрены упоры 10 и 11. На нижней

436

чашке 2 имеется лопасть 12, вращающаяся на оси. Если в кожухе реле и в чашках нет масла, то момент пружины Мп преодолевает рабочий момент Мраб, создаваемый весом корпуса чашки. В этом случае МП > Мраб и контакты обоих элементов разомкнуты. Если кожух реле, а следовательно, и чашки заполнены маслом, то за счет потери веса тела, погруженного в жидкость, Мраб уменьшается и момент пружин Мп еще более превосходит Мраб. При понижении уровня масла момент Мра б увеличивается за счет веса находящегося в чашке масла, суммарная сила веса чашки и масла Fч + Fм преодолевает противодействие пружины (Мраб > Мп), чашка опускается и замыкает свои кон такты. При бурном газообразовании под действием силы, созданной потоком масла или газов, лопасть 12 поворачивается и замыкает контакты 4—7.

Чашечные реле не имеют недостатка, присущего поплавковой конструкции, действующей ложно при нарушении герметичности поплавков. Реле работает при понижении уровня масла, имеет удобную регулировку чувствительности и в меньшей степени, чем реле со ртутными контактами, реагирует на вибрацию корпуса трансформатора. Завод ЗТЗ выпускает реле с чашечковыми элементами типа РГЧЗ-66. Чувствительность нижнего элемента (лопасти) регулируется в пределах от 0,6 до 1,2 м/с. Время действия реле при работе лопасти колеблется от 0,5 до 0,05 с в зависимости от скорости движения масла.

б) Особенности газовой защиты

По своему принципу действия газовая защита может работать не только при повреждениях и опасных ненормальных режимах, но и при появлении в кожухе трансформатора

трансформатора. Воздух попадает в кожух трансформатора при доливке масла, ремонте трансформатора с перезаливкой масла и т. п. В дальнейшем при включении трансформатора под нагрузку температура масла начинает повышаться, находящийся в масле воздух прогревается и поднимается к расширителю. Попадая в реле, воздух может вызвать срабатывание верхнего (сигнального) контакта, а при быстром движении — нижнего, который неправильно отключит трансформатор.

Для предупреждения неправильного отключения трансформатора отключающая цепь защиты после доливки масла или включения нового трансформатора п е р е в о д и т с я на с и г н а л (на 2—3 суток) до тех пор, пока не прекратится выделение воздуха, отмечаемое по работе защиты на сигнал.

Т о л ч к и м а с л а , не связанные с повреждением трансформатора, могут возникать при внешних коротких замыканиях, например, от смещения обмоток вследствие динамических усилий; при пуске и остановке насосов, обеспечивающих циркуляцию масла (у трансформаторов с искусственным охлаждением масла), и по ряду других причин.

Неправильная работа нижнего поплавка реле от толчков масла, но связанных с повреждением трансформатора, может быть устранена его загрублением.

Опыт эксплуатации защиты и ее исследования, проведенные ОРГРЭС и рядом энергосистем, показывают, что неправильная работа защиты от толчков масла наблюдалась на реле, реагирующих на движение масла со скоростью 20—15 см/с. Более грубые реле, реагирующие на скорость 50 см/с и выше, как правило, ложно не работают.

Внастоящее время принято регулировать чувствительность нижнего поплавка на скорость 50—160 см/с.

На трансформаторах и автотрансформаторах большой мощности (240—400 МВ·А) наблюдается повышенная вибрация корпуса. Реле ПГ-22 и РГЗ-22 недостаточно виброустойчивы и, как показал опыт эксплуатации, работают ненадежно на трансформаторах с повышенной вибрацией.

Впроцессе эксплуатации необходимо следить за герметичностью баллончиков у реле поплавкового типа. При ее нарушении масло попадает внутрь поплавка, он теряет плавучесть и опускается, замыкая контакты. Такие дефекты наблюдались в эксплуатации; в связи

437

с этим у вновь включаемых реле и периодически у реле, находящихся в эксплуатации, герметичность баллончиков проверяется помещением их в нагретое масло при избыточном давлении (0,5—1 кгс/см2).

в) Требования к монтажу защиты

На трансформаторах, снабженных газовым реле, бак (кожух) трансформатора должен устанавливаться наклонно, так чтобы край трансформатора, связанный с расширителем, и сама труба к расширителю имели подъем на 1,5—2% (рис. 16-36). Этим обеспечивается беспрепятственный проход газов в расширитель при повреждениях и предотвращается возможность скопления пузырьков воздуха под крышкой кожуха трансформатора, которое может повлечь за собой ложное действие защиты.

Особое внимание должно обращаться на разделку кабеля, отходящего от выводов реле. Опыт показывает, что в разделку кабеля газовой защиты может попадать масло из трансформатора. Оно разъедает резиновую изоляцию жил кабеля, что приводит к замыканию между ними и неправильному отключению трансформатора. Поэтому вывод из газового реле можно выполнять только кабелем с бумажной изоляцией (КСБ или КСГ).

На открытых подстанциях следует обеспечить надежную защиту выводов на крышке газовых реле от попадания на них влаги.

г) Оценка газовой защиты

Основными достоинствами газовой защиты являются: простота ее устройства, высокая чувствительность, малое время действия при значительных повреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимости от размеров повреждения.

Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждений его обмоток и особенно при витковых замыканиях, на которые дифференциальная защита реагирует только при замыкании большого числа витков, а максимальная защита и отсечка не реагируют совсем. В настоящее время все трансформаторы мощностью 1000 кВ·А и выше поставляются вместе с газовой защитой.

Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора и должна выводиться из действия, когда имеется опасность выделения воздуха в кожухе трансформатора (т. е. после доливки масла, ремонта трансформатора и включения его вновь). По этим причинам газовая защита должна дополняться второй защитой от внутренних повреждений. Для маломощных трансформаторов такой защитой служат максимальная защита и токовая отсечка. Для мощных трансформаторов применяется более совершенная дифференциальная защита.

Газовая защита не только применяется для защиты трансформаторов и автотрансформаторов, но также считается обязательной на маслонаполненных реакторах и дугогасящих катушках.

16-11. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА КОРПУС (КОЖУХ) ТРАНСФОРМАТОРА

В сети с глухозаземленной нейтралью иногда применяется защита, показанная на рис. 16-41, реагирующая на любые замыкания на корпус трансформатора [Л. 73].

438

форматорные подстанции, выполненные по упрощенной схеме — без выключателей со стороны высшего напряжения [Л. 62, 63].

Такие подстанции подключаются к сети с помощью ответвлений от линий или по блочной схеме линия — трансформатор (рис. 16-42, а, б).

В обоих случаях автоматическое отключение трансформаторов при его повреждении должно производиться выключателями ВА и Вв на питающих концах линии Л1 (рис. 16-42, а и б). Эту операцию возможно осуществить с помощью устройства, передающего отключающую команду от защиты трансформатора на выключатель линии по специальным каналам связи (рис. 16-43, а), или посредством короткозамыкателя, как показано на рис. 1643, б. Суть второго способа (с короткозамыкателем КЗ) сводится к следующему. При повреждении в трансформаторе его защита РЗТ срабатывает и подает ток в катушку включения КВ короткозамыкателя КЗ. Нож последнего замыкается и устраивает искусственное к. з. На это к.з. реагируют защиты линии РЗА и РЗВ, отключающие линию и вместе с ней трансформатор.

Н е д о с т а т к о м т а к о г о с п о с о б а ликвидации повреждения является замедление отключения поврежденного трансформатора, обусловленное временем действия короткозамыкателя и защиты линии.

Следует отметить, что к. з. на выводах и в начальной части обмотки трансформатора обычно попадают в зону быстродействующей защиты линии и отключаются поэтому быстро

440