Защита трансформаторов распределительных сетей - Максимальная токовая защита

Максимальная токовая защита срабатывает при увеличении тока защищаемого элемента сверх установленного тока срабатывания (уставки).

Рис. 8-1. Функциональная схема максимальной токовой защиты В—орган выдержки времени Очевидно, что причиной увеличения тока в защищаемом элементе может быть не только к. з. на этом элементе, но и к. з. на каком-то отходящем элементе (внешнее к.з.). Увеличение тока может произойти и в результате внезапного подключения к защищаемому элементу дополнительной нагрузки, например в результате действия АВР или отключения параллельно работающего элемента. По принципу действия максимальная токовая защита реагирует на увеличение тока сверх ее уставки по току вне зависимости от причины, вызвавшей увеличение тока. Поэтому для предотвращения излишних (неселективных) срабатываний при внешних к. з. логическая часть защиты должна обязательно иметь орган выдержки времени, замедляющий ее действие на время, необходимое для срабатывания защиты поврежденного элемента. А для предотвращения излишних срабатываний при перегрузках измерительная часть защиты должна иметь ток срабатывания (уставку), больший, чем максимально возможный ток перегрузки (§ 8-4). Измерительная часть максимальной токовой защиты состоит из двух или трех максимальных реле тока (условное обозначение Т> или />), включенных на токи фаз защищаемого элемента (рис. 8-1). Выходное действие реле тока осуществляется по схеме ИЛИ, т. е. защита может сработать при срабатывании одного, двух или трех токовых реле. В логической части обязательно имеется орган выдержки времени В. В защите есть сигнальный орган СО, а также может быть предусмотрен исполнительный орган ИО, распространяющий действие защиты на несколько коммутационных аппаратов (см, также рис, 4-3). Достоинствами максимальной токовой защиты являются простота выполнения и обслуживания и, следовательно, малая стоимость. К недостаткам относятся: трудность отстройки от токов перегрузки; относительно медленное отключение к. з. (несколько секунд); невозможность селективной настройки в сетях с двусторонним питанием, а также на параллельно работающих трансформаторах и линиях [2 и 3]. Эти недостатки ограничивают применение максимальных токовых защит на линиях электропередачи 35 кВ и выше, но на понижающих трансформаторах практически любой мощности максимальная токовая защита по- прежнему устанавливается в обязательном порядке либо в качестве основной, либо вспомогательной (резервной) защиты [1]. На трансформаторах мощностью менее 1 MB-А максимальная токовая защита является основной защитой от токов, обусловленных к.з. в трансформаторе, поскольку на этих трансформаторах обычно не устанавливаются дифференциальная и газовая защиты, а токовая отсечка (если она устанавливается) защищает только часть трансформатора. Максимальная токовая защита, кроме того, является основной защитой шин низшего напряжения, а также резервной защитой для элементов сети низшего напряжения. На трансформаторах мощностью 1 MB-А и более максимальная токовая защита предназначается для действия в качестве основной защиты при к. з. на шинах низшего и среднего напряжений и в качестве резервной — при к. з. на отходящих элементах сетей низшего и среднего напряжений. При этом предполагается, что на трансформаторе имеются дифференциальная и газовая защиты или одна из них. Надо напомнить, что максимальная токовая защита — значительно более грубая и медленнодействующая защита, чем дифференциальная и газовая, и поэтому не может быть для них полноценной заменой [1]. Максимальная токовая защита — единственная из всех типовых защит трансформаторов малой и средней мощности, которая осуществляет дальнее резервирование, т. е. защиту элементов сети низшего (среднего) напряжения в случае к. з. на каком-либо из элементов и отказе его собственной защиты или выключателя. Поэтому при выборе схемы и параметров срабатывания (уставок) максимальной токовой защиты трансформаторов необходимо учитывать требования дальнего резервирования. На понижающих трансформаторах максимальная токовая защита всегда устанавливается со стороны основного питания* а на многообмоточных трансформаторах, кроме того, на сторонах низшего и среднего напряжений. На двухобмоточных трансформаторах упрощенных подстанций (рис. 8-2) также могут предусматриваться два комплекта максимальных токовых защит, из которых комплект 1 действует с меньшей выдержкой времени на отключение выключателя В, а комплект 2 — на включение короткозамыкателя КЗ с большей выдержкой времени (рис. 8-2, а). Это необходимо для того, чтобы при к.з. на шинах низшего напряжения (10 или 6 кВ) не включался короткозамыкатель и не отключалась питающая линия 35—110 кВ, от которой могут питаться еще несколько подстанций. При этом защита 1 может выполняться весьма просто: с помощью реле прямого действия типа РТВ, встроенных в привод выключателя В. В некоторых энергосистемах комплект 1 выполняют на реле косвенного действия и используют его не только для отключения выключателя В при к. з. на шинах ЯЯ,

Рис. 8-2. Выполнение максимальной токовой защиты на двухобмоточном трансформаторе: двумя комплектами (а) и одним комплектом с двумя выдержками времени В\ и В2 но и для ускорения действия комплекта 2. Если к. з. происходит в трансформаторе, то комплект 1 не запускается, а комплект 2 действует без замедления. Если к. з. происходит на шинах или в сети ЯЯ, то запускаются оба комплекта, при этом комплект 1 автоматически разрывает цепь ускоренного действия комплекта 2, сохраняя в работе цепь с выдержкой времени. При выполнении максимальной токовой защиты одним комплектом также обеспечивается двухступенчатое действие защиты: с меньшей выдержкой времени на отключение выключателя на стороне ЯЯ, а с большей — на включение короткозамыкателя на стороне ВН (рис. 8-2,6). При этом обе выдержки времени могут быть выполнены одним реле времени с импульсным В\ и замыкающим В2 контактами. На рис. 8-2 условно показано включение максимальных токовых защит на трансформаторы тока ТТ одной фазы, на самом деле, как уже указывалось, токовые реле этих защит включаются на токи двух или трех фаз. Схемы включения токовых реле приведены в § 8-2. На трехобмоточных трансформаторах комплекты максимальных токовых защит устанавливаются либо со всех сторон трансформатора (рис. 8-3, а), либо только с двух сторон (рис. 8-3,6), но при этом защита со стороны основного питания ВН выполняется с двумя выдержками времени. Меньшая выдержка времени В\ предназначена для отключения выключателя В среднего напряжения СН, а большая Вг — для включения короткозамыкателя КЗ на стороне ВН (или для отключения выключателя ВН, если он предусмотрен). При этом самостоятельная защита 1 должна действовать с выдержкой времени, меньшей, чем В\ защиты 2.

Рис. 8-3. Выполнение максимальной токовой защиты на трехобмоточном трансформаторе тремя (а) и двумя (б) комплектами На трансформаторах с расщепленной обмоткой ЯЯ (НН1 и ЯЯ2) комплекты максимальных токовых защит устанавливаются на стороне ВН и на сторонах НН\ и ЯЯ2, питающих разные секции. 8-2. Типы максимальных реле тока и схемы их включения Для выполнения максимальной токовой защиты могут использоваться максимальные реле тока разных конструкций. До последнего времени отечественная промышленность выпускала в основном электромеханические реле тока, т. е. реле с подвижными элементами и контактным выходом, выполненные на электромагнитном и индукционном принципах. Сейчас на Чебоксарском заводе начинается выпуск статических, т. е. бесконтактных максимальных реле тока, а точнее — комплектных многофункциональных защит на микросхемах, выполняющих в числе других функций также функции максимальной токовой защиты. На Рижском заводе Энергоавтоматика уже выпускаются статические максимальные токовые защиты типа ЛТЗ (для сельских линий 10 кВ) и типа МТЗ-М (в основном для трансформаторов), выполненные на полупроводниковых элементах. Описание МТЗ-М дано в § 8-6. Максимальные токовые защиты применяются либо с обратно зависимой от тока выдержкой времени (сокращенно с зависимой характеристикой), либо с независимой от тока выдержкой времени (с независимой характеристикой)* Максимальная токовая защита с зависимой характеристикой применяется только на трансформаторах небольшой мощности с высшим напряжением 6 или 10 кВ и иногда 35 кВ. Реле тока с зависимой характеристикой (рис. 8-4) автоматически уменьшает время срабатывания при увеличении тока через реле. Но начиная с какой-то определенной кратности тока по отношению к току срабатывания реле (1к/1 с. р), реле действует с одной и той же установленной выдержкой времени. Такая характеристика называется ограниченно зависимой. Максимальная токовая защита с ограниченно зависимой характеристикой в настоящее время осуществляется с помощью одного из двух типов электромеханических реле: электромагнитного реле прямого действия типа РТВ или индукционного реле косвенного действия типа РТ-80.

Рис. 8-4. Ограниченно зависимые характеристики разных типов максимальных реле тока /- реле РТ-90; 2-реле РТВ I- РТВ III; 3—реле PTBIV-PTBVI; 4—реле РТ-80 Реле прямого действия РТВ выполняет одновременно функции токового измерительного органа (реле тока) и органа выдержки времени (реле времени). Замедление действия реле РТВ достигается с помощью часового механизма [15 и 25]. Реле РТВ встраивается в пружинный привод выключателя 6 или 10 кВ и, реже, 35 кВ. Реле РТВ имеют 6 исполнений — от I до VI, отличающихся друг от друга значениями токов срабатывания (уставок). Реле PTBI — РТВИ1 умеют характеристику (кривая 2 на рис. 8-4), у которой независимая (установившаяся) часть наступает при токе, равном примерно 1,6 /с. р. Реле РТВ IV — РТВ VI имеют более пологую характеристику (кривая 3 на рис. 8-4), у которой независимая часть наступает при токе, равном примерно 3/с- р. Индукционное реле РТ-80 (прежнее наименование ИТ-80) применяется в релейной защите уже более 50 лет, причем конструкция его практически не менялась [2, 3 и 19]. Столь длительное и широкое применение этого типа реле объясняется целым рядом достоинств: реле имеет удачную характеристику (кривая 4 на рис. 8-4), хорошо согласующуюся с время-токовыми характеристиками плавких предохранителей, установленных на отходящих элементах [5 и 11], причем эта характеристика создается без часового механизма или отдельного реле времени, как это осуществляется в других реле и защитах; реле имеет мощные контакты, способные действовать непосредственно на электромагнит отключения выключателя в схемах на оперативном постоянном токе и дешунтировать электромагнит отключения в схемах на переменном оперативном токе, в последнем случае применяются реле РТ-85 или РТ-95 (§ 4-5); в дополнение к индукционному элементу в реле РТ-80 имеется электромагнитный элемент — отсечка, с помощью которой можно обеспечить мгновенное действие реле при вторичном токе к.з., в 2—8 раз превышающем ток срабатывания индукционного элемента /с. Р (на рис. 8-4 характеристика отсечки показана штриховой линией, начиная с тока 4 /с. р); реле имеет встроенный сигнальный элемент. Таким образом в одном реле РТ-80 объединены измерительный орган двухступенчатой максимальной токовой защиты, логическая часть, сигнальный и исполнительный органы, что делает защиту с реле РТ-80 простой и дешевой. Однако по сравнению с современными статическими реле у РТ-80 имеются существенные недостатки: наличие подвижных частей (в том числе практически непрерывно вращающегося диска), низкий коэффициент возврата, большие габариты и масса, возможность ложного срабатывания при воздействии ударных нагрузок (например, при включении выключателя, установленного в той же ячейке КРУ, где размещаются реле РТ-80, или в соседней ячейке). На трансформаторах с высшим напряжением 35, 110, 220 кВ максимальная токовая защита выполняется с независимой характеристикой. Измерительный орган такой защиты состоит из максимальных реле тока мгновенного действия, как правило, типа РТ-40. Электромагнитное реле косвенного действия РТ-40 выпускается в течение примерно 20 лет. Его предшественником является электромагнитное реле ЭТ-520, до сих пор находящееся в эксплуатации. В 1969 г. реле РТ-40 было модернизировано путем уменьшения сечения магнитопровода и увеличения совместного хода контактов для снижения вибрации и повышения надежности замыкания контактов при больших кратностях тока к. з. по отношению

Рис. 8-5. Типовые схемы включения токовых реле максимальных токовых защит понижающих трансформаторов: а — полная звезда; б — неполная звезда с тремя реле; в — треугольник с тремя реле; г — треугольник с двумя реле к номинальному току трансформаторов тока. Описание реле РТ-40 и его технические характеристики приведены в работах [2, 3 и 19]. Для реле РТ-40 характерны все недостатки, присущие электромеханическим реле: сравнительно низкий коэффициент возврата (0,8, в то время как у статических реле «1), наличие подвижных частей и др. Особо следует отметить, что при несинусоидальной форме кривой вторичного тока, что имеет место при насыщении трансформаторов тока, подвижная система реле может вибрировать, из-за чего не обеспечивается надежное замыкание контактов и может произойти отказ действия защиты. Поэтому для защит с реле РТ-40 (а также с реле ЭТ-520 и РТ-80) должна производиться специальная расчетная проверка надежной работы этих реле при максимальных значениях тока к. з. через защиту [2 и 5]. Схемы включения токовых реле максимальной токовой защиты трансформаторов выбираются таким образом, чтобы обеспечить наибольшую чувствительность защиты при всех видах внешних к. з., т .е. при к. з. на сторонах НН и СН. Типовые схемы включения токовых реле приведены на рис. 8-5. Схема полной звезды (рис. 8-5, а) применяется редко, поскольку для нее требуются три трансформатора тока, а на элементах сетей 6—35 кВ, как правило, устанавливают трансформаторы тока только на двух фазах [2], На трансформаторах 110—220 кВ схема полной звезды принципиально могла бы применяться, но практически не применяется по следующим основным причинам. Токовые реле максимальной токовой защиты обычно включаются на те же трансформаторы тока 110—220 кВ, куда включены токовые реле дифференциальной защиты, а эти трансформаторы тока на стандартных силовых трансформаторах со схемами соединения обмоток У/A, У/У/А, У/А-А собираются в схему треугольника (рис. 8-5, в и г) по причине, указанной в § 6-4. В случае глухого заземления нейтрали 110—220 кВ на защищаемом понижающем трансформаторе его максимальную токовую защиту трудно отстроить (обеспечить несрабатывание) при однофазном к. з. на землю в питающей сети 110—220 кВ. Это объясняется тем, что при таком к.з. во всех трех фазах трансформатора на стороне ВН проходят токи к. з., равные 1/3 тока 1^\ проходящего через его заземленную нейтраль (рис. 1-2). Расчеты показывают, что значение этих токов, как правило, намного превосходит номинальный ток даже у маломощных трансформаторов. Схема неполной звезды (рис. 8-5, б) является типовой для понижающих трансформаторов 6 или 10 кВ со схемами соединения обмоток У/У или А/У, а также для трансформаторов 35 кВ, не оборудованных дифференциальной защитой. Схема неполной звезды выполняется с тремя реле на трансформаторах с соединением обмоток У/А и А/У и с двумя реле — на трансформаторах У/У, но при условии, что имеется специальная токовая защита нулевой последовательности от к.з. на землю на стороне НН (гл. 9). Как видно из схемы неполной звезды (рис. 8-5,6), два реле включены на токи фаз, обычно А и С, а третье — в обратный провод, в котором при симметричном трехфазном режиме проходит ток, равный по значению токам фаз А и С. Схема неполной звезды с тремя реле имеет в два раза большую чувствительность, чем та же схема с двумя реле, при двухфазных к. з. за трансформатором со схемой соединения обмоток У/А или А/У Это видно из рис. 1-4, где в одной из фаз на стороне ВН проходит ток, в два раза больший, чем в двух других фазах. При установке только двух реле может оказаться, что через них пройдут меньшие токи (0.5 а при установке трех реле — при всех сочетаниях двухфазного к. з. за трансформатором (А и В, В и С, С и А) через одно из реле всегда пройдет больший ток, равный по значению току трехфазного к. з. Поэтому схема неполной звезды применяется с тремя реле, причем не только для повышения чувствительности к к.з. на шинах НН (СН)> но и для повышения эффективности дальнего резервирования. Схема соединения трансформаторов тока в треугольник, а реле в звезду (рис. 8-5,в и г), сокращенно называемая схемой треугольника, является типовой для трансформаторов с соединением обмоток У/А, У/У/А, У/А/У, У/А-А и т. п. Как указывалось в § 6-4, эта схема применяется для устранения углового сдвига в 30° между векторами вторичных токов в плечах дифференциальной защиты. Схема треугольника с тремя реле (рис. 8-5, в) применяется на трехобмоточных трансформаторах со схемами соединения обмоток У/У/А и У/А/У, а с двумя реле (рис. 8-5, г)—на двухобмоточных трансформаторах со схемой соединения обмоток У/А и на трансформаторах с расщепленной обмоткой НН У/А-А. Допустимость применения двух реле вместо трех без снижения чувствительности максимальной (а также и дифференциальной) защиты трансформаторов У/А и У/А-А объясняется векторной диаграммой токов, проходящих на стороне ВН при двухфазном к. з. за трансформатором с таким соединением обмоток (рис. 1-4). Имея в виду, что в каждом из трех реле схемы треугольника (рис. 8-5, в) проходит ток, равный геометрической разности токов двух соседних фаз, по векторной диаграмме токов (рис. 1-4) определяем, что в двух реле проходят токи, значение которых равно в одном реле ток равен нулю. Такое соотношение токов имеет место при всех сочетаниях двухфазного к. з. за трансформатором ^/Д или ^/Д-Д. Поэтому без ущерба для чувствительности токовую защиту на питающей стороне ВН можно выполнить двумя реле (рис. 8-5, г). Иной вид имеет векторная диаграмма токов в месте двухфазного к з. (рис. 1-1,6). В таком же виде она представляется и на стороне ВН трансформатора VVY/Д или У/Д/Y при к.з. на стороне СН или НН, где обмотка трансформатора соединена в звезду. В этом случае только в одном из трех реле разность токов двух фаз равна удвоенному значению фазного тока: 2/