Силовой трансформатор переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества. Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока. В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки. 18 февраля 1977 года, дата подачи заявки на изобретение (патент 955429) Мотовиловым Дмитрием Николаевичем, может считаться датой рождения первого трансформатора постоянного тока. Это был трансформатор, в котором обе силовые обмотки работают в режиме постоянного нагрузочного тока, а переменный ток намагничивания протекает в отдельной обмотке намагничивания. В отличие от трансформатора переменного тока Яблочкова, он дополнительно содержит также управляемые ключи и диоды, обеспечивающие режим постоянного тока в силовых обмотках. В 1996 году трансформатор Мотовилова и теория его работы были отмечены серебряной медалью Женевского салона новаций.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов. Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току.

Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводами (трехфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Тесла, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трехфазной обмоткой на роторе (трехфазный асинхронный двигатель изобретен Николой Тесла, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. 1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии -- Московский электрозавод).

В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния. Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Силовой трансформатор переменного тока -- трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

Силовой трансформатор постоянного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях постоянного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных устройств класса «Трансформатор постоянного тока».

Для их защиты от перенапряжений, коротких замыканий и других негативных факторов, влияющих на работу силовых трансформаторов было создано несколько видов защиты, а именно:

Дифференциальная защита

Газовая защита

Максимальная защита

Дифференциальная токовая защита

Принцип действия и область применения.

Дифференциальная токовая защита относительно редко устанавливается на трансформаторах 10 кВ, однако «Правила» допускают установку этой защиты в тех случаях, когда, например, токовая отсечка трансформаторов от 1 до 2,5 MB-А не удовлетворяет требованиям чувствительности).

Принципиальная схема продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами показана на рис. 1 для одной фазы какого-либо элемента, имеющего в начале и в конце одинаковые по значению первичные токи (I1-1=I2-2). Между трансформаторами тока 1ТТи 2ТТ находится зона действия дифференциальной защиты. Вторичные обмотки этих ТТ соединяются последовательно (конец 1ТТ с началом 27Т), а токовое реле дифференциальной защиты ТД подключается к ним параллельно.

При КЗ в точке К за пределами зоны действия дифференциальной защиты (такое КЗ называется внешним или сквозным), а также в нормальном режиме нагрузки вторичные токи трансформаторов тока, соответственно I1-1 и I2-2, циркулируют по соединительным проводам (плечам) защиты (рис. 1, а). При одинаковых коэффициентах трансформации трансформаторов тока 1ТТ и 2ТТ и их работе без погрешностей значения вторичных токов

 I2-1 и I2-2 равны между собой, а направления их в реле ТД -- противоположны. Следовательно, в рассматриваемом идеальном случае ток в реле ТД равен нулю.

Таким образом, по принципу действия дифференциальная защита не реагирует на повреждения вне ее зоны действия, т. е. на соседних элементах (линиях, двигателях и т. п.), и поэтому может быть выполнена без выдержки времени. Эта защита относится к группе защит с абсолютной селективностью.

Рис. 1. Принципиальная схема продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами: а -- токораспределение при КЗ вне зоны действия (внешнем КЗ); б -- то же при КЗ в зоне действия защиты

Практически в режиме нагрузки, и особенно при внешнем КЗ, ток в реле ТД не может быть равен нулю, поскольку трансформаторы тока 1ТТ и 2ТТ имеют разные значения полных погрешностей и даже при равных первичных токах вторичные токи I2-1 и I2-2 не равны между собой. Ток в реле ТД в режимах нагрузки и внешнего КЗ называется током небаланса.

Особенности выполнения дифференциальной защиты трансформаторов. При выполнении продольных дифференциальных защит трансформаторов (в отличие от аналогичных защит генераторов, линий) приходится считаться с возможностью возникновения больших токов небаланса из-за следующих причин:

1) имеется ток намагничивания, проходящий только по обмотке трансформатора со стороны питания и появляющийся, поэтому в реле как ток небаланса; при включении трансформатора под напряжение бросок тока намагничивания (БТН) может в 5--8 раз превысить номинальный ток трансформатора;

2) первичные поминальные токи сторон ВН и НН трансформатора не равны между собой (исключение представляет трансформатор 10/10 кВ); как правило, неравенство характерно и для вторичных токов (I2-1 и I2-2 на рис. 1);

3) трансформаторы тока 1ТТ и 2ТТ (рис.1), как правило, разнотипные, имеют разные вольт-амперные характеристики, разные сопротивления нагрузки и, как следствие, при внешних КЗ они работают с разными значениями полной погрешности, что увеличивает неравенство значений вторичных токов I2-1 и I2-2.

4) при схеме и группе соединения обмоток, отличной от пулевой, имеется фазовый сдвиг между первичными токами в выводах трансформатора, например: при стандартной схеме и группе соединения обмоток Y/?-11 (см. рис. 2) фазовый сдвиг составляет 30°; если не принять специальных мер, этот же фазовый сдвиг будет и между вторичными токами и вызовет недопустимо большой ток небаланса в реле дифференциальной защиты.

Сейчас подавляющее большинство дифференциальных защит в нашей стране выполнено на отечественных реле серий РНТ-560 и ДЗТ-10, в которых для отстройки от БТН используется первая из перечисленных особенностей. В этих реле исполнительный орган (реле типа РТ-40) включен в дифференциальную цепь защиты через промежуточный трансформатор тока, работающий с повышенной индукцией в магнитопроводе.

Устранение фазового сдвига между вторичными токами дифференциальной защиты. В трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/A-11 имеется фазовый сдвиг, равный 30°, между первичными токами соответствующих фаз на сторонах ВН и НН (рис. 2). Для устранения подобного сдвига между

Рис. 2. Схема включения ТТ и реле дифференциальной токовой защиты двухобмоточного трансформатора со схемой соединения обмоток Y/?-11, векторные диаграммы первичных токов фаз А, В и С на сторонах ВН и НН трансформатора, например, 10/6 кВ (б) и вторичных токов в плечах ВН и НН дифференциальной защиты (в) вторичными токами, который является причиной очень большого тока небаланса, принято вторичные обмотки трансформаторов тока 1ТТ, установленных на стороне ВН (рис. 2, а), соединять в такой же треугольник, как и обмотка НН, а вторичные обмотки 2ТТ -- в такую же звезду, как и обмотка ВН защищаемого трансформатора. При правильной сборке схемы трансформаторов тока 1ТТ создается фазовый сдвиг вторичных токов в плече ВН (/2вн на рис. 2, в) на такой же угол 30°, как и первичных токов в фазах стороны НН (Inn на рис. 2,6) и, следовательно, вторичных токов в плече НН. Этим обеспечивается совпадение по фазе вторичных токов, подводимых к дифференциальным реле (рис. 2, в).

Правильность сборки схемы дифференциальной зашиты трансформатора обязательно проверяется перед включением трансформатора и затем после его включения под нагрузку.

Газовая токовая защита

Принцип действия и область применения.

Газовая защита в соответствии с ГОСТ 10472--71 предназначена для защиты силовых трансформаторов с масляным заполнением, снабженных расширителями, от всех видов внутренних повреждений, сопровождающихся выделением газа, ускоренным перетеканием масла из бака в расширитель, а также от утечки масла из бака трансформатора. Измерительным органом газовой защиты является газовое реле. Газовое реле представляет собой металлический сосуд с двумя поплавками (элементами), который врезается в наклонный трубопровод, связывающий бак трансформатора с расширителем. При нормальной работе трансформатора газовое реле заполнено трансформаторным маслом, поплавки находятся в поднятом положении и связанные с ними электрические контакты-- разомкнуты. При незначительном повреждении в трансформаторе (например, витковое замыкание) под воздействием местного нагрева из масла выделяются газы, которые поднимаются вверх, к крышке бака, а затем скапливаются в верхней части газового реле, вытесняя из него масло. При этом верхний из двух поплавков (элементов) опускается вместе с уровнем масла, что вызывает замыкание его контакта, действующего на предупредительный сигнал. При серьезном повреждении внутри трансформатора происходит бурное газообразование и под воздействием выделившихся газов масло быстро вытесняется из бака в расширитель. Поток масла проходит через газовое реле и заставляет сработать нижний поплавок (элемент), который дает команду на отключение поврежденного трансформатора. Этот элемент срабатывает также и в том случае, если в баке трансформатора сильно понизился уровень масла (например, при повреждении бака и утечке масла). Газовая защита является очень чувствительной и весьма часто позволяет обнаружить повреждение в трансформаторе в самой начальной стадии. При серьезных повреждениях трансформатора газовая защита действует достаточно быстро: 0,1--0,2 с (при скорости потока масла не менее чем на 25% выше уставки). Благодаря этим достоинствам газовая защита обязательно устанавливается на всех трансформаторах мощностью 6,3 MB-А и более, а также на всех внутрицеховых понижающих трансформаторах, начиная с мощности 630 кВ-А. Допускается установка газовой защиты и на трансформаторах от 1 до 4 MB-А. На трансформаторах с РПН дополнительно предусматривается отдельная газовая защита устройства РПН.

Типы газового реле и схемы газовой защиты

Использование для всех защит трансформатора, и в том числе газовой, в качестве источника оперативного тока только предварительно заряженных конденсаторов допустимо лишь при условии обеспечения надежного их заряда не только от источника переменного напряжения 6 или 10 кВ, но и от тока к.з.

Рис. 4. Часть принципиальной схемы выходных оперативных цепей защиты трансформатора, в том числе газовой, с предварительно заряженными конденсаторами

На рис.4 приведена часть принципиальной схемы выходных цепей защиты трансформатора, в которой источником оперативного тока служат предварительно заряженные конденсаторы БК. Разряд конденсаторов на катушку выходного промежуточного реле РП происходит при срабатывании газовой защиты (замыкается контакт РГО), а также дифференциальной ДЗ или максимальной токовой защиты МТЗ. Одновременно с РП срабатывает соответствующее указательное реле РУ или /РУ, обеспечивая действие аварийной сигнализации. Промежуточное реле действует своими контактами на отключение выключателей всех сторон трансформатора, а также на включение короткозамыкателя или на запуск устройства передачи отключающего импульса. Источниками оперативного тока при выполнении каждой из этих операций служат отдельные блоки конденсаторов (на схеме не показаны). Кроме того, один из замкнувшихся контактов реле РП обеспечивает его самоудерживание. 

Это необходимо потому, что при бурном газообразовании и большой скорости потока масла контакт отключающего элемента РГО может замыкаться лишь кратковременно. С помощью отключающего устройства (накладки) ОУ можно перевести действие отключающего элемента РГО на сигнал (это положение 2 устройства ОУ). В цепи отключающего элемента РГО имеется размыкающий контакт реле РПКЗ. Он размыкается после включения короткозамыкателя трансформатора, поскольку на этом действие газовой защиты должно прекратиться, несмотря на то, что контакт РГО может остаться в замкнутом положении из-за конструктивных особенностей газового реле. На рис. 5 приведена принципиальная схема отключающих цепей газовой защиты на переменном оперативном токе. Источником оперативного тока служит трансформатор собственных нужд ТСН, включенный со стороны НН трансформатора 10 или 6 кВ. В этой схеме, как и в предыдущей, предусмотрена возможность перевода действия отключающего элемента РГО на сигнал с помощью перестановки отключающего устройства ОУ в положение 1. Имеется также цепь самоудерживания промежуточного реле РП через его замыкающий контакт РП\ и размыкающий контакт РПКЗ, который размыкается после включения короткозамыкателя, когда самоудерживания уже не требуется, но оно могло бы продолжаться, если питание цепей оперативного напряжения производится от ТСН соседнего, неповрежденного трансформатора. Контакты РП2 и РЯ3 действуют соответственно на электромагнит включения короткозамыкателя ЭВКЗ и на электромагнит отключения выключателя 10(6) кВ ЭОВу а на трехобмоточном трансформаторе -- и на электромагнит отключения выключателя 35 кВ (на схеме не показан). Все электромагниты предназначены для питания от источника переменного напряжения 220 В. У этих же коммутационных аппаратов имеются и другие ЭВ и ЭО, предназначенные для работы от трансформаторов тока или от предварительно заряженных конденсаторов при действии дифференциальной или максимальной токовой защит трансформатора.

Рис. 5 Принципиальная схема отключающих цепей газовой защиты на переменном оперативном токе

Обслуживание газовой защиты

Газовая защита существенно отличается от других (токовых) защит трансформатора, во-первых, своей высокой чувствительностью к внутренним повреждениям трансформатора и, во-вторых, тем, что после действия газовой защиты на сигнал или на отключение в газовом реле остается воздух или газ, вызвавшие это действие. По отличительным признакам отобранного из реле газа можно составить представление о характере повреждения в трансформаторе. Обслуживание газовой защиты также имеет ряд специфических особенностей и производится в соответствии с действующими инструкциями.

Выполнение операций с газовой защитой при первом включении нового (или вышедшего из капитального ремонта) трансформатора. Перед первым включением под напряжение нового трансформатора для трансформаторов 110--500 кВ необходимо контакт сигнального элемента газового реле включить параллельно контакту отключающего элемента этого же реле и направить действие обоих элементов на отключение. Такая временная схема должна сохраняться в течение первых 30 мин нахождения трансформатора под напряжением. Очевидно, что именно в эти первые минуты наиболее вероятно выявление возможных дефектов нового трансформатора и возникновение каких-либо повреждений, сопровождающихся выделением газа. В этих условиях сигнальный элемент произведет отключение трансформатора, прежде чем повреждение сможет развиться. После этого 30-минутного периода трансформатор отключается для осмотра и контакт сигнального элемента газового реле должен быть возвращен в свою нормальную цепь сигнализации. Отключающий элемент должен оставаться в положении на отключение. Таким образом, при включении трансформатора под нагрузку сигнальный элемент действует на сигнал, а отключающий на отключение. Надо помнить, что при этом возникает вполне реальная опасность неправильного (излишнего) действия газовой защиты на отключение из-за скопления в газовом реле воздуха. Дело в том, что в свежем трансформаторном масле, а также между обмотками и деталями внутри нового трансформатора имеется определенное количество воздуха, который по мере нагрева трансформатора током нагрузки поднимается к верхней крышке трансформатора и скапливается в верхней части газового реле. Во избежание излишнего срабатывания газовой защиты на некоторых предприятиях было принято переводить действие отключающего элемента на сигнал на весь период выделения воздуха. Поскольку этот период может продолжаться от 1 до 3 сут, а оставлять работающий трансформатор без газовой защиты чрезвычайно опасно. При этом необходимо обеспечить контроль за выделением воздуха и своевременный выпуск его из газового реле. Эти операции должны производиться оперативным персоналом подстанции или оперативно-выездной бригадой (ОВБ) в течение всего периода выделения воздуха. Наблюдение за выделением воздуха ведется через смотровое стекло газового реле. Воздух должен периодически выпускаться через кран на крышке газового реле. Обслуживание газовой защиты в нормальных условиях. Оперативный персонал подстанции или ОВБ должен периодически осматривать газовые реле и все элементы газовой защиты, обращая внимание на уровень масла в расширителях, на отсутствие течи масла из трансформатора, на отсутствие газа или воздуха в газовом реле. Необходимо следить за тем, чтобы отключающее устройство (накладка) находилось в положении, при котором отключающий элемент газовой защиты введен на отключение. Действие отключающего элемента газовой защиты должно переводиться на сигнал только в следующих случаях:

на время проверки газовой защиты; при неисправности газовой защиты; - при работах в масляной системе трансформатора, когда возможны толчки масла или попадание в масло воздуха, что может привести к срабатыванию газовой защиты (например, при заполнении элементов системы охлаждения маслом на работающем трансформаторе, при регенерации масла трансформатора под нагрузкой и др.); - при выводе в резерв трансформатора (имеющего газовую защиту со старыми газовыми реле типа ПГ-22 и ПГЗ-22), если на нем не введена автоматика включения резерва (АВР); - при доливке масла в трансформатор, если уровень масла оказывается ниже газового реле (после доливки масла отключающий элемент снова переводится на отключение).

После доливки масла в трансформатор и после включения трансформатора, который долго находился в отключенном состоянии, оперативный персонал должен вести наблюдение за выделением воздуха из трансформатора и периодически выпускать его через кран в крышке реле, не допуская срабатывания сигнального элемента газового реле.

Действия оперативного персонала при срабатывании газовой защиты.

В соответствии с Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) при срабатывании газовой защиты на сигнал должен быть проведен наружный осмотр трансформатора, отобран газ из реле для анализа и проверки на горючесть. В случае если газ горючий или в нем содержатся продукты разложения изоляции, трансформатор должен быть немедленно отключен. При автоматическом отключении трансформатора действием защит от внутренних повреждений (газовой и дифференциальной) трансформатор можно включать в работу только после осмотра, испытаний, анализа газа и устранения выявленных ненормальностей. При действии этих защит запрещается АПВ трансформатора. Отбор пробы газа из газового реле и проведение на месте экспресс-анализа газа производятся по местной инструкции. Описание этих работ приведено в работе. Там же даны рекомендации по выполнению и настройке отдельной газовой защиты устройства РПН трансформатора.

Максимальная токовая защита

Принцип действия и область применения.

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

Рис. 6. 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. 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. 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.

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. 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. 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 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.7, 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. 7. Выполнение максимальной токовой защиты на двухобмоточном трансформаторе:

двумя комплектами (а) и одним комплектом с двумя выдержками времени В\ и В2(б) 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. 7,6). При этом обе выдержки времени могут быть выполнены одним реле времени с импульсным В\ и замыкающим В2 контактами. На рис. 7 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. На трехобмоточных трансформаторах комплекты максимальных токовых защит устанавливаются либо со всех сторон трансформатора (рис. 8, 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. 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. 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. 9. Ограниченно зависимые характеристики разных типов максимальных реле тока 1- 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. 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. 9-4), у которой независимая (установившаяся) часть наступает при токе, равном примерно 1,6 Iс. р. Реле РТВ IV -- РТВ VI имеют более пологую характеристику (кривая 3 на рис. 9-4), 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.

Столь длительное и широкое применение этого типа реле объясняется целым рядом достоинств:

- реле имеет удачную характеристику (кривая 4 на рис. 9), хорошо согласующуюся с время-токовыми характеристиками плавких предохранителей, установленных на отходящих элементах, 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; - 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. 9 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. 10. 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. 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. 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. 10. Схема полной звезды (рис. 10, 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 . 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. 10, в и г).

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. Расчеты показывают, что значение этих токов, как правило, намного превосходит номинальный ток даже у маломощных трансформаторов. Схема неполной звезды (рис. 10, 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. Как видно из схемы неполной звезды (рис. 10,6), 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. 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. 10,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. Эта схема применяется для устранения углового сдвига в 30° между векторами вторичных токов в плечах дифференциальной защиты. Схема треугольника с тремя реле (рис. 10, в) применяется на трехобмоточных трансформаторах со схемами соединения обмоток У/У/А и У/А/У, а с двумя реле (рис. 10, 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 . Имея в виду, что в каждом из трех реле схемы треугольника (рис. 10, в) проходит ток, равный геометрической разности токов двух соседних фаз, по векторной диаграмме токов 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. 10, 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/{с2\ Очевидно, что нельзя без ущерба для чувствительности применить двухрелейную схему вместо трехрелейной, так как при одном из сочетаний двухфазного к.з. она будет иметь в два раза меньшую чувствительность. Трехрелейная схема треугольника (рис. 10, в) в некоторых довольно редких случаях может потребоваться и для трансформаторов Y/Д» когда невелики значения токов при двухфазном к. з. на стороне ВН и двухрелейная схема не обеспечивает необходимого коэффициента чувствительности защиты.

Выполнение выдержки времени

трансформатор силовой защита дифференциальный

Выдержка времени в современных максимальных токовых защитах осуществляется с помощью электромеханических или полупроводниковых реле времени. На постоянном оперативном токе используются электромагнитные реле времени с часовым механизмом серий ЭВ-100 и РВ-100. Схема включения катушки (электромагнита) этого реле показана на рис. 11, а. Реле времени начинает действовать при подаче на его катушку «+» оперативного тока после замыкания любого из контактов токовых реле РТ. На переменном оперативном токе используются два вида реле времени и соответственно две различные схемы логической части максимальной токовой защиты (рис. 11,6 и в). На рис. 11, б, показана схема с электромагнитным реле времени ЭВ-225 (со шкалой до 3,5 с) или ЭВ-235 (со шкалой до 9 с). Особенность этих реле в том, что они создают выдержку времени при возврате (отпадании) якоря реле. Возврат происходит после снятия напряжения с электромагнита РВ размыкающими контактами максимальных реле тока РТ. Последовательное включение размыкающих контактов РТ обеспечивает возврат реле времени при срабатывании хотя бы одного из токовых реле, т. е. по схеме ИЛИ. Замыкающийся с выдержкой времени контакт реле времени действует на электромагнит управления выключателя или короткозамыкателя, используя в качестве источника оперативного тока либо трансформаторы тока (схема с дешунтированием ЭО с реле РП-341), либо предварительно заряженные конденсаторы . Схема максимальной токовой защиты трансформаторов с реле ЭВ-225 (ЭВ-235) имеет существенный недостаток: возможность излишнего срабатывания защиты при потере оперативного напряжения. Из рис. 11, б видно, что катушка реле РВ теряет питание не только при размыкании одного из контактов реле РТ, но и при исчезновении напряжения на шинках управления ШУ. Напряжение иа ШУ может исчезнуть не только при отключении ТСН или ТН, от которых они питаются, но и при отключении питающей линии 35--220 кВ. При этом на подстанции полностью исчезает напряжение, реле времени в схеме максимальной защиты теряет питание и начинает отсчитывать время. Весьма вероятно, что к моменту включения питающей линии замыкающий контакт реле времени уже будет замкнут. В момент подачи напряжения на трансформатор от броска его намагничивающего тока токовые реле защиты могут сработать и кратковременно замкнуть свои замыкающие контакты. Поскольку контакт реле времени уже замкнут, защита мгновенно излишне срабатывает на включение короткозамыкателя 35-- 220 кВ, что приводит к отключению питающей линии. Такие случаи наиболее вероятны на однотрансформаторных упрощенных подстанциях, не имеющих резервного источника питания ШУ. Но и на двухтрансформаторных подстанциях такой случай возможен при неправильной работе АВР собственных нужд и ШУ . При неисправностях в системе собственных нужд и потере питания ШУ максимальная токовая защита с реле ЭВ-225 (ЭВ-235) превращается в неселективную токовую отсечку без выдержки времени и неселективно срабатывает при к.з. на любой из отходящих линий 10 (6) кВ, что приводит

Рис. 11. Схемы выполнения выдержки времени максимальной токовой защиты с помощью реле времени постоянного тока серии ЭВ-100 (а), реле времени переменного напряжения ЭВ-225 или ЭВ-235 (б), токового реле времени РВМ (б)

к погашению подстанции, а возможно, и к длительному отключению питающей линии 35--220 кВ. Последнее вызывается тем, что при неисправностях в цепях собственных нужд теряет питание и устройство для заряда конденсаторов, а это приводит к отказу отключения отделителя трансформатора в бестоковую паузу перед АПВ линии .В результате на питающей линии остается подключенным трансформатор с включившимся от защиты короткозамыкателем и не отключившимся автоматически отделителем, т. е. на линии остается устойчивое к. з., которое может быть устранено только после вмешательства оперативного персонала. Такие случаи действительно происходили. Для устранения излишних срабатываний защиты предлагалось использовать импульсный контакт реле ЭВ-225 (ЭВ-235), который при потере питания ШУ и возврате реле замыкается лишь кратковременно -- обычно находится в разомкнутом состоянии. Но такое решение приведет к отказу защиты при к. з. в зоне ее действия, а это не менее опасно, чем излишнее срабатывание. В связи с описанным недостатком схема с реле ЭВ-225 (ЭВ-235) не применяется для защиты трансформаторов с начала 1970-х годов. Вместо реле ЭВ-225 (ЭВ-235) применяют токовые реле времени типа РВМ-12 и РВМ-13. Реле времени РВМ выполнены с синхронным однофазным микродвигателем М (рис. 11, в), который включается через промежуточные насыщающиеся трансформаторы тока ПНТ на вторичные токи трансформаторов тока ТТ любых двух фаз защищаемого элемента. Как видно из рис. 11, в, первичные обмотки ПНТ1 включены последовательно с измерительными токовыми реле защиты РТа и РТс соответственно, а также с промежуточными реле РП и дешунтируемыми электромагнитами отключения или включения ЭО (ЭВ). При повреждении в трансформаторе или при внешнем к. з. срабатывают измерительные токовые реле РТ и замыкают свои контакты в цепи пуска микродвигателя М. Схема выполнена таким образом, что при любом виде к. з. микродвигатель подключается только к одной из вторичных обмоток ПНТ2 (для этого последовательно с замыкающим контактом РТС включен размыкающий контакт РГд). Поскольку в это время по первичной обмотке ПНТ1 идет ток к.з., он трансформируется во вторичную обмотку ПНТ2 и приводит во вращение микродвигатель М. С помощью редуктора частота вращения двигателя снижается до такого значения, чтобы выходной рычаг механизма с подвижными контактами двигался в течение 4 с -- для реле РВМ-12 и 10 с -- для РВМ-13. В пределах этих значений устанавливается выбранная выдержка времени для импульсного и замыкающего контактов реле. Таким образом, реле РВМ начинает отсчитывать время только после возникновения к. з. и срабатывания токовых реле защиты. Замыкание контакта РВМ вызывает срабатывание промежуточных реле типа РП-341, дешунтирующих ЭО (ЭВ), или РП-321, обеспечивающих подключение ЭО (ЭВ) к предварительно заряженным конденсаторам

4. Максимальная токовая защита с пуском по напряжению

Структурная схема максимальной токовой защиты с пусковым органом напряжения (Н <) показана на рис. 12, а. При к.з. на шинах НН напряжение на пусковом органе //< резко снижается, что приводит к его срабатыванию. В это же время через трансформатор проходит ток к. з., вызывающий срабатывание токового измерительного органа. Одновременное срабатывание органов включенных по логической схеме И, приводит к запуску органа выдержки времени В и к отключению трансформатора. В других случаях увеличения тока через трансформатор (самозапуск электродвигателей нагрузки или подключение дополнительной нагрузки) напряжение на шинах НН снижается не столь значительно, как при к.з., пусковой орган НС при правильной его настройке не срабатывает и защита не может действовать на отключение даже при условии срабатывания токового органа.

Рис. 12. Структурная схема максимальной токовой защиты с пуском по напряжению (а) и схема комбинированного пускового органа напряжения (б)

Для современных максимальных токовых защит с электромеханическими реле, имеющих пуск по напряжению, ток срабатывания может приниматься без специального расчета равным 1,5 /ном 7> Это примерно в 2--3 раза меньше, чем для максимальных защит без пуска по напряжению, установленных на трансформаторах, питающих двигательную нагрузку. Таким образом, пуск по напряжению делает максимальную токовую защиту значительно более чувствительной к к. з. на шинах НН (СН) и к к. з. в сети, т.- е. в основной зоне и в зоне резервирования. Поэтому пусковой орган напряжения устанавливается практически на всех понижающих трансформаторах 110--220 кВ, а также на трансформаторах 35 кВ, питающих двигательную нагрузку. В последние годы пуск по напряжению применяется и для защит трансформаторов 6 (10) кВ, питающих нагрузку, в основном состоящую из асинхронных электродвигателей, участвующих в самозапуске . Пуск по напряжению осуществляется, главным образом, с помощью комбинированного пускового органа (рис. 12,6), выполненного с одним минимальным реле напряжения / (типа РН-50), включенным на междуфазное напряжение, и одним фильтром-реле напряжения обратной последовательности 2 (типа РНФ-1М), разрывающим своим контактом цепь обмотки минимального реле 1 .Реле / может использоваться с размыкающим или замыкающим контактом в зависимости от построения схемы защиты. Комбинированный пусковой орган работает следующим образом. В нормальном режиме размыкающий контакт реле 2 замкнут и через него подано напряжение на обмотку реле 1. При несимметричном к. з. появляется напряжение обратной последовательности, срабатывает реле 2 и размыкает свой контакт в цепи реле /, в результате чего реле / теряет питание, возвращается и переключает свои контакты в положение «на складе». Этим осуществляется пуск максимальной токовой защиты. При симметричном (трехфазном) к. з. реле 2 не срабатывает, но напряжение снижается на всех фазах, в том числе и на тех, на которые включено реле /, поэтому оно возвратится, если напряжение снизится ниже его напряжения возврата (обычно 0,5--0,6 номинального). В ряде случаев вместо комбинированного пускового органа напряжения применяется пусковой орган, состоящий из трех минимальных реле напряжения, включенных на три междуфазные напряжения, размыкающие контакты которых включены параллельно,. Реле необходимы для того, чтобы пусковой орган надежно действовал при всех сочетаниях двухфазного к. з.: А--В, В--С, С--А, поскольку лишь напряжение между замкнувшимися фазами снижается до нуля.

Максимальная токовая защита с магнитными трансформаторами

С 1972 г. Рижским заводом Энергоавтоматика выпускается новая максимальная токовая защита МТЗ-М, токовые цепи которой подключаются не к обычным трансформаторам тока защищаемого трансформатора, а к магнитным датчикам, названным магнитными трансформаторами тока серии ТВМ . В отличие от обычного трансформатора тока (ТВТ, ТФН и др.) ТВМ не врезается в провод с контролируемым током, а располагается под ним, в магнитном поле, создаваемом этим током. ТВМ монтируются на конструкциях, имеющих потенциал земли, поэтому они не требуют высоковольтной изоляции и стоимость их значительно меньше, чем обычных трансформаторов тока. ТВМ можно расположить таким образом, чтобы в зону действия защиты вошли вводы высшего напряжения 35--220 кВ и ошиновка трансформатора. В этом определенное преимущество защиты с ТВМ по сравнению с защитой, включенной на встроенные во вводы ВН трансформаторы тока (типа ТВТ). Но главное назначение МТЗ-М с ТВМ -- защита таких трансформаторов, у которых заводом-изготовителем не установлены встроенные трансформаторы тока ТВТ, а установка выносных трансформаторов тока по каким-либо причинам невозможна. Это в основном относится к трансформаторам 35 кВ.

Выпускаемое устройство МТЗ-М выполнено по логической схеме, соответствующей трехфазной двухступенчатой максимальной токовой защите. Структурная схема МТЗ-М приведена на рис. 13. Магнитные трансформаторы тока типа ТВМ (Т]--Т3) располагаются на безопасном расстоянии под проводами А, В, С защищаемого трансформатора. В схеме имеются элементы регулировки уставок У1--У6, три логических элемента ИЛИ, релейные элементы P1 и Р2, элементы памяти П1 и Я2, орган выдержки времени J3, усилитель У, органы сигнализации C1--С3 и выходной исполнительный орган ИО. Питание схемы защиты производится либо от независимого источника постоянного тока (аккумуляторной батареи) 24 В, либо от источника переменного напряжения (ТСН или ТН). При питании от ТСН или ТН защита поставляется заводом вместе со специальным блоком питания, который обеспечивает питание защиты в течение 5 с после исчезновения переменного оперативного напряжения (например, при близком трехфазном к.з.)* Этот же блок обеспечивает получение вспомогательного автономного напряжения, которое используется для настройки защиты на заданный ток срабатывания и для периодической проверки ее исправности. При коротких замыканиях защита работает следующим образом. При токе к. з., соответствующем току срабатывания (уставке) второй ступени, действуют элементы У4, У5 или Уб, ИЛИ2, Р2, П2, В, С2, ИЛИ3, выходной исполнительный орган ИО, сигнальный орган Сз. Защита срабатывает с заданной выдержкой времени на отключение трансформатора (или включение