Релейная защита и автоматика энергосистем. Лекция 10

1.

Релейная защита и автоматика энергосистем – Лекция 10
Защита трансформаторов

2.

Повреждения и ненормальные режимы работы
трансформаторов
В процессе эксплуатации трансформатора могут возникать повреждения и
ненормальные режимы работы. К ненормальным режимам работы трансформатора относятся:
― перегрузка ― возникает при превышении трансформируемой мощности
номинальной (длительная перегрузка приводит к нагреву, тепловому пробою
изоляции и к витковому или междуфазному КЗ);
― снижение уровня масла в результате вытекания масла при возникновении
трещины или отверстия в баке (при длительной работе без масла изоляция
обмоток впитывает влагу, что приводит к ее пробою);
― повышение напряжения (в результате атмосферных или коммутационных
перенапряжений возможен пробой изоляции).

3.

Повреждения и ненормальные режимы работы
трансформаторов
К повреждениям трансформатора относятся:
― «пожар» стали – при исчезновении изоляции между пластинами
магнитопровода появляется зона, в которой вихревые токи (токи Фуко)
увеличиваются и нагревают ее, а дальнейшее воздействие температуры
приводит к сплавлению пластин и расширению этой зоны (длительная работа с
таким повреждением приводит к нагреву магнитопровода, к повышенным
потерям холостого хода, к тепловому пробою изоляции и к междуфазнаым КЗ);
― однофазные замыкания (для сети с изолированной нейтралью) – вне бака на
землю или внутри бака на корпус;

4.

Повреждения и ненормальные режимы работы
трансформаторов
К повреждениям трансформатора относятся:
― двойные однофазные замыкания (для сети с изолированной нейтралью) –
при возникновении однофазного замыкания к фазной изоляции прикладывается
линейное напряжение, что может привести к ее повреждению;
― витковое замыкание одной фазы возникает при нарушении изоляции проводника (приводит к нагреванию короткозамкнутого витка и горению дуги в
месте замыкания);
― однофазные КЗ (для сети с заземленной нейтралью) при повреждении
фазной изоляции (сверхток при таком повреждении воздействует на
проводники электродинамическим и термическим факторами);
― междуфазные КЗ (сверхток как при однофазном КЗ).

5.

Защиты трансформаторов
Во избежание длительных воздействий при вышеупомянутых поврежденях и
ненормальных режимов работы применяются токовые защиты – отсечка или
про-дольная дифференциальная отсечка, максимальная токовая защита и
защита от перегрузки используются на всех трансформаторах и
автотрансформаторах. На всех маслонаполненных трансформаторах наружной
установки мощностью более 6,3 МВА применяется газовая защита.

6.

Токовая отсечка
Токовая отсечка применяется на трансформаторах
мощностью до 4 МВА. По аналогии с первой ступенью
токовой защиты ЛЭП отстраивается от максимального тока
КЗ (рис. 1) в конце защищаемого участка ― за
трансформатором в точке К3.
Рисунок 1 - Схема защищаемого трансформатора

7.

Токовая отсечка
Ток срабатывания защиты определяется по выражению
IС.З kОТС I К 3.MAX
где kОТС – коэффициент отстройки, kОТС = 1,2…1,3; IК3,МАХ – максимальный ток
КЗ в точке К3.
Время срабатывания защиты принимается равным нулю
tС.З 0
Коэффициент чувствительности токовой отсечки рассчитывается по выражению
I К 1.MIN
kЧ
2
I C .З
где IК1,МIN – минимальный ток КЗ в точке К1.

8.

Продольная дифференциальная защита
Защита применяется на трансформаторах с мощностью более 6,3 МВА.
Принцип действия основан на вычислении разности токов I1,TA1 и I1,TA2,
протекаемых через трансформаторы тока TA1 и TA2 (рис. 2) соответственно.
Рисунок 2 - Работа дифференциальной защиты трансформатора при внешнем КЗ в
точке К1

9.

Продольная дифференциальная защита
При внешнем КЗ в точке К1 токи протекают к месту повреждения, а вторичные
токи трансформаторов тока в реле вычитаются, и результирующий ток равен:
IKA1 I2.TA1 I 2.TA2 IНБ IC.P
Реле в этом случае не срабатывает.
Рисунок 3 - Работа дифференциальной защиты трансформатора при КЗ в зоне
действия защиты в точке К2

10.

Продольная дифференциальная защита
При КЗ в зоне действия защиты, в точке К2 (рис. 3), возможны два варианта: 1) когда
со стороны НН имеется источник питания или КЗ подпитывается электродвигателями,
соизмеримой мощностью;
2) когда со стороны НН отсутствует какой-либо источник питания, который может
подпитывать КЗ.
В первом случае через реле протекает суммарный ток КЗ двух трансформаторов тока:
I K2
I K2
I KA1 I 2.TA1 I 2.TA2
IC.P
k TA1 k TA2
Во втором случае через реле протекает ток КЗ одного трансформатора тока и равен:
IK2
I KA1 I 2.TA1
IC.P
k TA1
В обоих случаях ток, протекаемый в реле, больше тока его срабатывания.

11.

Продольная дифференциальная защита
Ток срабатывания защиты. Защита отстраивается от тока IНБ, небаланса, который возникает
при максимальном внешнем IК1,МАХ токе КЗ в точке К1 (рис. 2) (1):
IС.З kОТС I НБ .
где IНБ, ― суммарный ток небаланса. I НБ . I НБ1 I НБ 2 I НБ 3
Каждая из составляющих тока небаланса находится по следующим формулам
I НБ1 k A kОДН I К 1.MAX
I НБ 2 U РЕГ I К1.MAX
I НБ 2 f I К1.MAX
где kA ― коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей тока КЗ на
быстодействующие защиты (без выдержки времени), для защит с быстронасыщающимися
трансформаторами kA=1; kОДН ― коэффициент, учитывающий однотипность трансформаторов
тока, для разных ТТ kОДН=1; ― погрешность ТТ, удовлетворяющая = 0,1; UРЕГ ―
половина регулировочного диапазона РПН трансформатора (каталожные данные); f ―
относительная погрешность защиты, вызванная разницей между расчетным (обычно нецелым)
числом витков реле и установленным (целым) числом витков.

12.

Продольная дифференциальная защита
Вторым условием является отстройка от броска тока намагничивания (2):
IС.З kОТС I Н .ТР
где IН,ТР ― номинальный ток трансформатора.
Из расчетных двух условий выбирается наибольший ток сраба-тывания продольной
дифференциальной защиты.
Время срабатывания защиты принимается равным нулю
tС.З 0
Коэффициент чувствительности дифференциальной
сравнивается с величиной, требуемой по правилам:
I К 2.MIN
kЧ
2
I C .З
где IК2,МIN ― минимальный ток КЗ в точке К2 (рис. 3).
защиты
определяется
и

13.

Особенности работы продольной дифференциальной
защиты трансформатора
Иногда возникающий бросок тока намагничивания силового
защищаемого трансформатора составляет (5…8)IН,ТР, а величина
тока КЗ (за трансформатором) ― (7…18)IН,ТР. Как видно, эти
диапазоны перекрываются. Однако при броске тока
намагничивания защита должна блокироваться, а при КЗ должна
отключать трансформатор. Чтобы отличить бросок тока
намагничивания от КЗ, рассмотрим его характер и причину
возникновения. При включении трансформатора на холостой ход
или при восстановлении питания после отключения КЗ на
смежном присоединении величина остаточной намагниченности
может быть в противофазе поданному напряжению. В
наихудшем случае (в действительности он невозможен)
магнитная индукция в трансформаторе может достигнуть 2ВНОМ.

14.

Особенности работы продольной дифференциальной
защиты трансформатора
Естественно, что при такой индукции трансформатор войдет в глубокое насыщение и
будет размагничиваться от нескольких периодов до нескольких десятков периодов
промышленной частоты. При этом в трансформаторе будет протекать ток с большой
апериодической составляющей с явно выраженными характерными «острыми»
максимумами (рис. 4).
Рисунок 4. Форма броска тока намагничивания

15.

Особенности работы продольной дифференциальной
защиты трансформатора
Бросок тока намагничивания характеризуется следующими основными
признаками:
― одна полуволна за период (при КЗ – две);
― большая доля (до 60%) второй гармоники – 100 Гц;
― наличие апериодической составляющей тока (до 55%);
― наличие бестоковой паузы большей ½Т , около 0,01 с.
При
возникновении
дифференциальная
и
определении
защита
должна
действовать на отключение выключателя.
этих
четырех
блокироваться,
признаков
не
должна

16.

Максимальная токовая защита
Эта защита аналогична третьей ступени токовой защиты. Ток
срабатывания защиты рассчитывается по известному раннее
kОТС kCЗП
выражению:
I С .З
I Н .ТР
kВ
Время срабатывания подобно всем максимальным токовым
защитам отстраивается от предыдущей МТЗ, в данном
случае ― МТЗ низкой стороны трансформатора:
tС.З.ВН tС.З.НН t
Коэффициент чувствительности находится и сравнивается с
требуемым по правилам I К 3.MIN
kЧ
I С .З
2

17.

Защита от перегрузки
Аналогии такой защиты в защитах ЛЭП не имеется, но так как она
имеет наименьший ток срабатывания, можно сказать, что это
четвертая ступень токовой защиты. Защита срабатывает на разгрузку,
а затем через выдержку времени, если ток не станет меньше уставки
защиты от перегрузки ― на отключение.
Ток срабатывания защиты рассчитывается по формуле
kОТС
I С .З
I Н .ТР
kВ
где kОТС ― коэффициент отстройки, kОТС = 1,05.
Время срабатывания защиты выбирается больше времени
максимальной токовой защиты. Коэффициент чувствительности
защиты не рассчитывается.

18.

Газовая защита
Рисунок 5 - Схема установки
газовой защиты трансформатора
Применяется
на
всех
масляных
трансформаторах мощностью 6,3 МВА
и более. Газовое реле 1 (рис. 5)
устанавливается
между
основным
баком
трансформатора
2
и
расширительным
3.
Чтобы
у
трансформатора был небольшой уклон
― около 2%, под катки устанавливают
подкладку 4.

19.

Газовая защита
Рисунок 6 - Устройство газового реле
трансформатора: 1 ― корпус
защиты; 2 ― большой поплавок, 3 ―
малый поплавок; 4 ― магниты; 5 ―
герконы
Газовое реле имеет два измерительных органа
(рис. 6) в виде двух поплавков (возможны
исполнения газового реле с двумя чашечками
или лопатками). Поплавки изображены для
случая, когда имеется масло, и они находятся
во всплывшем состоянии. Большой поплавок 2
(чувствительный), срабатывает при небольших
скоростях газово-масляного потока и действует
на сигнал. Малый (грубый) поплавок 3,
срабатывает при больших скоростях газовомасляного потока и действует на отключение.
Газовая защита срабатывает также при
понижении
уровня
масла
в
баке
трансформатора.

20.

Газовая защита
Принцип действия газовой защиты основан на том, что при повреждениях
внутри корпуса трансформатора («пожар» стали, витковые замыкания,
междуфазные КЗ и замыкания обмотки на корпус), сопровождаемых дугой,
трансформаторное масло, при отсутствии воздуха, разлагается на углерод и
водород. Углерод в виде частиц остается в масле, загрязняя его, а водород в
виде газово-масляных пузырей через газовое реле перетекает в
расширительный бак. Скорость протекания газово-масляного потока зависит
от величины тока повреждения. Чем больше ток, тем больше выделяется
энергии, тем больше выделяется объем газово-масляных пузырей, тем
быстрее этот поток. В газовом реле создается турбулентный поток. Поплавки,
находящиеся в нормальном состоянии в верхнем положении, начинают
производить колебательные движения, при этом магниты 4 совмещаются с
герконами 5, и последние кратковременно замыкают свои контакты. Этого
достаточно, чтобы подать команду с «самоподхватом» на сигнал или на
отключение

21.

Газовая защита
Время действия защиты составляет 0,1…0,3 с, поэтому она не
может быть основной, к тому же она использует неэлектрический
принцип.
Особенность работы газовой защиты. Защиту необходимо
переводить из отключения на сигнал в следующих случаях: а)
при замене или доливке масла; б) при производстве взрывных
работ; в) при повторяющихся землетрясениях.

22.

Специальная токовая защита нулевой
последовательности с заземляющим проводом
Рисунок 7. Токовая защита
нулевой последовательности с
заземляющим проводом
Защита используется на трансформаторах,
работающих в сети с глухозаземленной
нейтралью, и высшим напряжением
110-220 кВ. Схема подключения ТТ и
защиты
изображена
на
рис.
7.
Трансформатор
установлен
на
железобетонном фундаменте. Действие
защиты основывается на различии
значений
токов,
проходящих
по
заземляющему проводу, при внешних КЗ и
перекрытиях на корпус бака, наружных
перекрытий втулок.

23.

Специальная токовая защита нулевой
последовательности с заземляющим проводом
Ток срабатывания защиты выбирается из условия
отстройки от тока небаланса в нулевом проводе,
протекающего через трансформатор ТА1:
IС.З kОТС kТ .P1 kТ .P 2 3I 0
где kОТС ― коэффициент отстройки, kОТС = 1,5 ― 2;
kТ,Р2 ― коэффициент токораспределения для 3I0 в
месте КЗ, kТ,Р1 ― коэффициент токораспределения,
учитывающий часть тока kТ,Р2 3I0, ответвляющегося
на фундамент.
Рисунок 7 - Токовая защита
нулевой последовательности с
заземляющим проводом

24.

Специальная токовая защита нулевой
последовательности с заземляющим проводом
Коэффициент
чувствительности
рассчитывается по формуле
защиты
3I 0.MIN
kЧ
1,5
I С .З
где I0,MIN ― полный ток в месте повреждения.
Рисунок 7 - Токовая защита
нулевой последовательности с
заземляющим проводом
Время действия защиты равно tС,З = 0,3…0,5 с. В
нашей стране такая защита используется в основном
для выявления поврежденной фазы трехбаковых
автотрансформаторов для совместного действия
основных защит на устройство пожаротушения
одной фазы.

25.

Специальная токовая защита нулевой
последовательности
В некоторых сетях низкого напряжения 0,4 кВ, трудно
обеспечить согласование защит, выполненных на
автоматических выключателях или добиться требуемой
чувствительности.
В этих случаях применяется специальная резервная
токовая защита нулевой последовательности от КЗ на
землю
Рисунок 8 - Место включения ТТ
специальной токовой защиты
нулевой последовательности
на
стороне
низшего
напряжения
(НН).
Трансформатор тока защиты (рис. 8) включается в
заземляющий провод нейтрали обмоток НН.

26.

Специальная токовая защита нулевой
последовательности
Ток срабатывания защиты выбирается из условия
отстройки от тока небаланса в нулевом проводе,
протекающего через трансформатор ТА1:
IС.З kОТС I НБ
Рисунок 8 - Место включения ТТ
специальной токовой защиты
нулевой последовательности
где kОТС ― коэффициент отстройки, kОТС = 1,5…2; IНБ
― максимально допустимое значение тока небаланса, в
соответствии с ГОСТ 11677-85 IНБ = 0,25 IН,ТР для
трансформаторов со схемой соединения Y/Y0 и
IНБ = 0,75 IН,ТР
для трансформаторов со схемой
соединения /Y0.

27.

Специальная токовая защита нулевой
последовательности
Время действия защиты минимально и равно нулю:
tС.З 0
Рисунок 8 - Место включения ТТ
специальной токовой защиты
нулевой последовательности
если в сети нет других токовых защит нулевой
последовательности. Если на элементах сети 0,4 кВ
имеется
дополнительная
защита
нулевой
последовательности,
то
для
защиты
нулевой
последовательности на выводах время срабатывания tС,З
= 0,3…0,4 с, а в нейтрали tС,З = 0,6…0,8 с.
При расчете коэффициента чувствительности защиты
используется минимальное значение тока однофазного
КЗ на стороне НН трансформатора:
I К(1).MIN
kЧ
1,5
I C .З

28.

Схема защиты трансформатора
Рисунок 9 - Первичные и вторичные цепи защиты трансформатора

29.

Схема защиты трансформатора
Рисунок 10 - Цепи постоянного оперативного тока защиты трансформатора