Токовая защита от замыканий на корпус (кожух) транс­форматора

В сети с глухозаземленной нейтралью иногда применяется защита, показан­ная на рис. 16-41, реагирующая на любы е замыкания на корпус трансформатора.

Для выполнения защиты корпус трансформатора 1 связывается с землей (за­земляющим контуром подстанции) специальной шиной 2. Кроме этой связи, корпус (трансформатора не должен иметь других соединений с землей.

Трансформатор устанавливается, как обычно, на железобетонном фундаменте, который является достаточной изоляцией при условии, что металлическая арма­тура фундамента не имеет связи с землей. Специальных мер для изоляции кожуха трансформатора от фундамента не требуется, если сопротивление изоляции корпуса трансформатора от земли составляет 15-20 ом.

На заземляющей шине устанавливается трансформатор тока 3, к которому подключается токовое реле 4.

При замыкании на корпус наружных выводов или обмотки трансформатора (рис. 16-41, а) большая часть тока повреждения I_К(Т) проходит на землю через заземляющую шину. В реле 4 появляется большой ток I_р = 3I_{о к}, и оно срабаты­вает, действуя на отключение трансформатора.

При к. з. в сети (рис. 16-41, б) часть тока повреждения I`_к(т) также замыкается через шину, кожух и фундамент, на котором установлен трансформатор.

Для исключения неправильной работы защиты при внешних к. з. ток сраба­тывания реле 4 должен удовлетворять условию:

При повреждениях трансформатора, сопровождающихся замыканием на корпус, защита будет Действовать, если

Рассмотренная защита довольно широко применяется во Франции, США и некоторых других странах. Опыт эксплуатации такой защиты в СССР пока очень мал. Несмотря на простоту схемы защиты, она не получила распространения в Со­ветском Союзе из-за возможности ложной работы при нарушении изоляции ме­жду корпусом трансформатора и фундаментом.

Особенности защиты трансформаторов без выключате­лей на стороне высшего напряжения

Общие положения

Схемы питания и способы отключения трансформаторов без выключателей. В последнее время пол учили широкое распростра­нение однотрансформаторные и двухтрансформаторные подстанции, выполненные по упрощенной схеме – без выключателей со стороны высшего напряжения.

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 В_А и В_В 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. 16-43, б. Суть второго способа (с короткозамыкателем к.з.) сводится к следующему. При повреждении в трансформаторе его защита РЗ_т срабатывает и по­дает ток в катушку включения КВ короткозамыкателя к.з. Нож последнего замыкается и устраивает искусственное к.з. На это к. з. реагируют защиты линии РЗ_А и РЗ_В, отключающие линию и вместе с ней трансформатор.

Недостатком такого способа 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 без участия коротко­замыкателя. Замедляющее действие короткозамыкателя сказыва­ется при повреждениях в трансформаторе, на которые не реагирует быстродействующая защита линии.

Н есмотр я на указанный недостаток, схемы с короткозамыкателем получили широкое распространение.

Схема с передачей отключающих импульсов работает практи­чески так же быстро, как и обычные схемы, непосредственно дей­ствующие на отключение выключателя трансформатора.

Однако из-за дорогостоящего и недостаточно надежного канала связи этот способ отключения пока применяется реже.

Селективное отключение поврежденного трансформатора. В блочной схеме отключение линии при повреждении трансформатора не нарушает принципа селективности и не наносит ущерба электро­снабжению, так как трансформатор и линия представляют единое целое.

В схеме же на рис. 16-42, а, где трансформатор подсоединен к ответвлению, отключение линии при повреждении в трансформаторе является неселективным, поскольку при этом не только отключается поврежденный трансформатор, но и нарушается связь между под­станциями А и В. Этот недостаток устраняется с помощью АПВ на линии и установки отделителя ОД на трансформаторе (рис. 16-43, б). Отделитель представляет собой разъединитель с дис­танционным приводом, который допускает автоматическое отклю­чение поврежденного трансформатора только после снятия с него напряжения.

П ри этом отключение поврежде нного трансформатора происхо­дит следующим образом. На возникшее повреждение реагирует защита трансформатора. Она включает короткозамыкатель к.з. (рис. 16-43, б), который устраивает однофазное или двухфазное к. з. на линии. Защиты линии РЗ_А и РЗ_В приходят в действие, отклю­чают выключатели В_А и В_В и пускают АПВ.

В бестоковую паузу (когда на линии нет напряжения и тока) отделитель ОД отключает трансформатор. После этого АПВ вклю­чает линию и связь между подстанциями А и В восстанавливается.

Таким образом, несмотря на отсутствие выключателя на трансформаторе, повреждение в нем отключается селективно.

Трансформаторы тока. На подстанциях, подключенных по упрощенным схемам, для выполнения защиты трансформатора должны обязательно использоваться встроенные или «накладные» трансфор­маторы тока Т.

Встроенные трансформаторы тока устанавливаются внутри кожуха на высоковольтных вводах трансформатора 110 кв и выше.

Накладн ые трансформаторы разработаны в Челябэнерго и выпускаются промышленностью для трансформаторов 35-330 кв. Их сердечник надевается на выводы силового трансфор­матора снаружи. При наличии встроенных или накладных трансфор­маторов тока со стороны высшего напряжения силового трансфор­матора на них включается дифференциальная или максимальная защита, которая охватывает весь трансформатор и ошиновку низ­шего напряжения. При отсутствии трансформаторов тока со сто­роны высшего напряжения на силовом трансформаторе может быть выполнена только максимальная защита со стороны низшего напря­жения. При этом вводы низшего напряжения силового трансфор­матора и ошиновка до трансформаторов тока остаются без защиты. Поэтому применение встроенных или накладных трансформаторов тока со стороны высшего напряжения является обязательным.

Оперативный ток. Подстанции, выполняемые по упрощенной схеме, не имеют «тяжелых» выключателей, требующих приводов с большим потреблением мощности. В связи с этим на таких под­станциях удобно применять переменный оперативный ток.

Выполнение защиты

Релейная защита трансформаторов на подстанциях с упрощен­ной схемой имеет несколько вариантов исполнения в зависимости от схемы включения трансформаторов, их мощности и чувствитель­ности линейной защиты.

Защита трансформаторов, включенных по блочной схеме (рис. 16-42, б). Для защиты маломощных трансфор­маторов целесообразно использовать линейную защиту, установлен­ную с питающего конца линии на подстанции А. Эта защита, как правило, выполняется из двух комплектов: максимальной защиты с выдержкой времени по условиям селективности и мгновенной токо­вой отсечкой, отстроенной от к. з. за трансформатором. Отсечка охватывает часть обмотки, трансформатора, вторая часть – входит в зону максимальной защиты, которая действует также и на участке от выводов до выключателя на стороне низшего напряжения транс­форматора и резервирует к. з. на шинах низшего напряжения.

На трансформаторе устанавливается максимальная защита со стороны низшего напряжения, действующая на отключение выклю­чателя В_С. Газовая защита трансформаторов (если она имеется) действует на сигнал. Для защиты от перегрузки устанавливается сигнальное токовое реле в одной фазе.

На мощных трансформаторах, для которых требуется быстродействующая защита, полностью охватывающая обмотки и выводы трансформатора, а также защита от витковых по­вреж дений, применяются дифференциальная и газовая защиты.

Обе защиты действуют на включение короткозамыкателя. За­щита линии выполняется как и в предыдущем случае.

Защита трансформаторов, подключаемых к ответвлению от линий (рис. 16-42, а). На трансформаторе устанавливается короткозамыкатель и отделитель.

Для обеспечения селективного отключения повреждений в трансформаторе на нем должна быть предусмотрена полноценная защита от повреждений, действующая на короткозамыкатель и отделитель, а на линии – АПВ (рис. 16-43, б).

В качестве защиты от повреждений в трансформаторе устанав­ливается газовая и дифференциальная защиты. На трансформаторах средней и малой мощности вместо дифференциальной защиты при­меняется токовая отсечка в сочетании с максимальной защитой или защита от замыканий на корпус. Со стороны высшего напряжения защиты включаются на встроенные или накладные трансформаторы тока. При этом наружная часть выводов силового трансформатора попадает в зону трансформаторной защиты только при применении защиты от замыканий на корпус (§ 16-11).

Для защиты трансформатора от внешних к. з. устанавливается максимальная защита. Она подключается к трансформаторам тока на стороне низшего напряжения и действует на отключение выключа­теля трансформатора В_т.

Функции резервной защиты трансформатора (на случай отказа короткозамыкателя, выключателя В_т или защиты трансформатора) возлагаются на линейну ю защиту.

На рис. 16-43, а приведена защита трансформатора с передачей отключающих импульсов на противоположные концы линии. При повреждении в трансформаторе его защита передает по каналу связи импульс на отключение выключателей В_А и В_В линии.

В обеих схемах после отключения выключателей линии спе­циальным устройством проверяется отсутствие напряжения на по­врежденном трансформаторе и автоматически отключается отдели­тель ОД. По истечении времени, необходимого для этой операции, действует АПВ, включая в работу линию Л1.

Двухтрансформаторные подстанции. Трансформаторы на этих подстанциях работают раздельно (рис. 16-42, в). Для обеспечения надежности приемные шины выполняются в виде двух секций; связы­вающий их секционный выключатель нормально отключен и имеет АВР. При этих условиях защита трансформаторов и питающих их линий выполняется аналогично рассмотренной по рис. 16-43, б.

Схема действия защиты на короткозамыкатель и отделитель. Эта схема является важной частью защиты трансформаторов без выключателей на стороне высшего напряжения.

Как уже отмечалось, действие защиты на короткозамыкатель и отделитель должно происходить в определенной последователь­ности, обеспечивающей работу отделителя в бестоковую паузу АПВ линии, т. е. в тот момент, когда по отделителю не проходит ток. Схема управления отделителем выполняется таким образом, чтобы импульс на его отключение подавался после срабатывания короткозамыкателя при условии, что питающая линия отключи­лась и ток к. з. прекратился. На рис. 16-44, а, б показаны схемы, удовлетворяющие поставленным условиям. В обеих схемах защита трансформатора при срабатывании подает импульс в катушку включения KB привода короткозамыкателя. В первом ва­рианте схемы, показанном на рис. 16-44, а, отключ ение от­делителя производится с помощью токового реле прямого действия БРО.

Это реле встроено в привод отделителя и питается током от трансформатора тока Т_к, установленного в цепи короткозамыкателя. В реле БРО имеется отключающая пружина, которая при включении отделителя заводится (сжимается) и удерживается в таком состоянии механической защелкой реле. При включении короткозамыкателя в цепи трансформатора тока Т_к и реле БРО появляется ток. Якорь БРО втягивается, сжимает вспомогательную пружину и остается в подтянутом положе­нии, пока протекает ток к. з. После отключения линии, питающей транс­форматор, ток в БРО исчезает, его сердечник отпадает и с силой, обусловленной вспомогательной пружиной и весом сердечника, уда­ряет по защелке, освобождая отключающую пружину БРО. Послед­няя воздействует на механизм привода отде­лителя, и он отклю­чается.

При наличии на линии быстродействующей защиты, реагирующей на к.з. в трансформаторе, линейное АПВ должно быть двукрат­ным. Это необходимо для обеспечения обратного включения линии после отключения отделителя. Действительно, вследствие медлен­ного действия короткозамыкателя линия может отключиться от своей быстродействующей защиты раньше, чем замкнется коротко­замыкатель, тогда реле БРО не сработает и отделитель в бестоко­вую паузу АПВ не отключится. За время бестоковой па узы ко­роткозамыкатель замкнется, поэтому АПВ включит линию на искусственное к. з. В короткозамыкателе появится ток I_к, под действием которого сработает реле БРО и после повторного отклю­чения линии отключит отделитель трансформатора. При нали­чии второго цикла у АПВ линия включится вновь и останется в работе.

Если линия не имеет быстродействующей защиты, работающей при к. з. в трансформаторе, то схема на рис. 16-44, а может приме­няться с однократным АПВ при условии, что t_{защ.линии} > (t_защ.т + t_{короткозамыкателя}).

Во втором варианте схемы, приведенной на рис. 16-44, б, импульс на отключение отделителя (в катушку КО) подается контактами реле времени РВ. Реле РВ пускается при за­мыкании блок-контактов БК короткозамыкателя и контактов токо­вого реле РТ. Первые (контакты БК) замыкаются при замыкании ножа короткозамыкателя, а вторые (контакты РТ) – при отсутствии тока в реле РТ.

Таким образом, отключение отделителя может произойти только при срабатывании короткозамыкателя и отключении линии.

Однако если блок-контакты БК замкнутся раньше, чем сработает нож короткозамыкателя, то, поскольку контакты РТ при этом будут еще замкнуты, возможна подача импульса на отключение отделителя до отключения линий. Для предотвращения такой опасности служит реле времени РВ. Оно должно работать с выдержкой времени по­рядка 0,2-0,3 сек, превосходящей возможную разновременность замыкания ножа и блок-контактов короткозамыкателя.

Чтобы обеспечить срабатывание короткозамыкателя и отдели­теля во время бестоковой паузы, когда питающая линия отключена и подстанция остается без напряжения, оперативная цепь коротко­замыкателя и отделителя должна питаться от независимого источ­ника. Таким источником может служить аккумуляторная батарея или предварительно заряженный конденсатор.

Рассмотренная схема (рис. 16-44, б) является универсальной и может применяться при наличии на линии как быстродействующей защиты, так и защиты с выдержкой времени. В обо их случаях на линии применяется однократное АПВ, при этом время АПВ должно быть больше времени включения короткозамыкателя и отключения отделителя, чтобы за время бестоковой паузы поврежденный транс­форматор успел отключиться. Схема по рис. 16-44, б надежнее схемы с БРО и рекомендуется к применению.

Полная схема защиты на переменном оперативном токе понизительного транс­форматора, подключенного к ответвлению от линий, приведена на рис. 16-45. На трансформаторе установлены дифференциальная, газовая, максимальная то­ковая защиты н защита от перегрузки, действующая на сигнал (рис. 16-45, а). Оперативные цепи дифференциальной и максимальной защит питаются от транс­форматоров тока, газовой защиты и защиты от перегрузки – от трансформаторов собственных нужд. Дифференциальная защита выполнена с помощью реле типа РНТ-565 (8РТН и 9РТН).

Для питания защиты со стороны высшего напряжения используются встроен­ные в силовой трансформатор трансформаторы тока 4ТТ. Вследствие относительно малой мощности встроенных трансформаторов тока их вторичные обмотки сое­диняются на каждой фазе последовательно. Дифференциальная защита действует на включение короткозамыкателя 2КЗ и отключение выключателя ЗВ.

При срабатывании дифференциальной защиты контакты 8РТН и 9РТН (рис. 16-45, б) замыкают цепь токовых промежуточных реле 17РП и 18РП типа РП-341 (см. § 4-8, г); последние приходят в действие и дешунтируют катушки включения короткозамыкателя 37КВ и 38КВ и отключения выключателя 39КО и 40КО. В результате этого включается коротко замыкатель 2К3 и отключается выключатель ЗВ. Максимальная защита (рис. 16-45, б) выполнена с помощью токовых реле 11РТ и 12РТ типа РТ-40, токового реле времени 15РВ типа РВМ (см. §4-8, г). Токовые реле максимальной защиты 11РТ и 12РТ включены на транс­форматоры тока 4ТТ со стороны высшего напряжения (в плечо дифференциальной защиты), что позволяет ввести в зону действия максимальной защиты силовой трансформатор. Поскольку трансформаторы 4ТТ соединены в треугольник, мак­симальная защита не реагирует на ток I₀ (см. § 3-6, г) и благодаря этому исклю­чается возможность ее неселективной работы при к. з. на землю в сети высшего напряжения в тех случаях, когда нейтраль защищаемого трансформатора зазем­лена.

Максимальная защита выполняется с двумя выдержками времени. С меньшей выдержкой она отключает к. з. на шинах низшего напряжения и резервирует отказы защит отходящих от них присоединений. С большей выдержкой она рабо­тает при к. з. в трансформаторе, резервируя его дифференциальную защиту. При срабатывании токового реле 11РТ или 12РТ замыкается цепь обмотки реле времени 15РВ. Последнее первым скользящим контактом 15PB₁ подает ток в об­мотку токового промежуточного реле 19РП. Это реле срабатывает и дешунтирует катушку отключения 41КО выключателя ЗВ, после чего он отключается. Второй контакт 15РВ₂ замыкается с большей выдержкой времени; он приводит в действие промежуточные реле 17РП и 18РП, которые включают короткозамыкатель 2КЗ. Газовая защита дополняет дифференциальную защиту и должна работать прежде всего при повреждениях, сопровождающихся малыми токами, при которых диф­ференциальная защита не может сработать из-за недостаточной чувствительности и малой величины оперативного тока, получаемого от трансформаторов тока. В этом случае напряжение остается близким к нормальному и поэтому оператив­ные цепи газовой защиты питаются от трансформатора собственных нужд Т_сн (рис. 16-45, в). Отключающий контакт газового реле 14РГ₁ действует на промежу­точное реле 16РП, которое с помощью контакта 16РП₁ удерживает себя в сработанном состоянии до отключения короткозамыкателя, после чего размыкается его блок-контакт 2КЗ. Второй и третий контакты реле 16РП замыкают цепь катушек 42КВ и 43КО с по мощью которых включается короткозамыкатель и отключается ЗВ. Второй контакт газовой защиты РГ₂ действует на сигнал.

Оперативная цепь отключения отделителя питается от предварительно заря­женных конденсаторов С₁, С₂, С₃ (рис. 16-45, в), чем обеспечивается отключение отделителя во время бестоковой паузы, когда на подстанции отсутствует напря­жение. Заряд конденсаторов С осуществляется от зарядного устройства УЗ-400 (см. § 4-8, е), которое питается от трансформатора собственных нужд Т_с.н. Схема отключения отделителя выполнена согласно рис. 16-44, б. При включении корот­козамыкателя 2КЗ и отсутствии в нем тока блок-контакт 2КЗ и контакт токового реле 13РТ замыкают цепь промежуточного реле замедленного действия 20РПВ, последнее с небольшой выдержкой времени 0,2 сек замыкает цепь катушки от­ключения отделителя 44КО.

Сигнал о перегрузке подается токовым реле 10РТ, оперативная цепь которого питается от трансформатора собственных нужд. Рассмотренная схема защиты пред­назначена для трансформаторов мощностью 7,5-20 Мва. На более мощных транс­форматорах защита выполняется также, но для большей надежности дифферен­циальная защита выполняется трехфазной.