Определение способа защиты и состава защит

 

 

Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов
К повреждениям трансформаторов относят:

- междуфазные к.з. на выводах и в обмотках (последние возникают гораздо реже, чем первые);

- однофазные к.з. (на землю и между витками обмотки, т. е. витковые замыкания);

- «пожар стали» сердечника.

К ненормальным режимам относятся:

- перегрузки, вызванные отключением, например, одного из параллельно работающих трансформаторов. Токи перегрузки относительно невелики, и поэтому до­пускается перегрузка в течение времени, определяемого кратностью тока перегрузки по отношению к номиналь­ному;

- возникновение токов при внешних к. з., представляющих собой опасность в основном из-за их теплового действия на обмотки трансформатора, посколь­ку эти токи могут существенно превосходить номиналь­ные. Длительное прохождение тока внешнего к. з. мо­жет возникнуть при неотключившемся повреждении на отходящем от трансформатора присоединении;

- недопустимое понижение уровня масла, вызываемое значительным понижением температуры и другими причинами.

Определение защит подстанции (понижающего трансформатора)

Для защиты тяговой подстанции и понижающего трансформатора выбирают следующие защиты:

- двухступенчатая газовая защита (ГЗ) с действием первой ступени на сигнал, второй – на отключение трансформатора со всех сторон;

- дифференциальная токовая защита (ДТЗ) с отстройкой от бросков тока намагничивания при включении ненагруженного трансформатора, действующая на отключение всех выключателей трансформатора без выдержки времени с коэффициентом чувствительности не менее 2;

- максимальная токовая защита на стороне ВН, обладающая необходимой чувствительностью к КЗ на стороне СН и НН и отключающая трансформатор со стороны всех напряжений;

- защита от перегрузки (МТЗ ПГ), отстраиваемая от номинального тока нагрузки с выдержкой времени 9 с;

- защита от перегрева масла (ЗПМ) с выдержкой времени 9 с, работающая на включение обдува трансформатора, с уставкой защиты 0,7 от номинального тока с учетом коэффициентов надежности и возврата.

 

Рис. 4

Газовая защита

 

Газовая защита (ГЗ) устанавливается на трансформаторах (автотрансформаторах) и реакторах с масляным охлаждением, имеющих расширители. Применение ГЗ является обязательным на трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300кВА и более, а также на трансформаторах мощностью 1000-4000кВА, не имеющих диф.защиты или ТО, и если МТЗ имеет выдержку времени 1сек. и более. На трансформаторах мощностью 1000-4000кВА применение ГЗ при наличии другой быстродействующей защиты допускается, но не является обязательным. Применение ГЗ является обязательным также для внутрицеховых трансформаторов мощностью 630кВА и выше, независимо от наличия других быстродействующих защит.

Действие ГЗ основано на том, что всякие, даже незначительные повреждения, а также повышение нагрева внутри бака трансформатора вызывают разложение масла и органической изоляции, что сопровождается выделением газа. Интенсивность газообразования и химический состав газа зависят от характера и размеров повреждения. Поэтому защита выполняется так, чтобы при медленном газообразовании подавался предупредительный сигнал, а при бурном – ГЗ действовала на отключение. Бурным газообразованием обычно сопровождается К.З. внутри бака трансформатора. Кроме тог ГЗ действует на сигнал на отключение или только на сигнал при опасном понижении уровня масла в баке трансформатора или автотрансформатора. ГЗ является универсальной и наиболее чувствительной защитой трансформаторов и автотрансформаторов от внутренних повреждений. Она реагирует на такие опасные повреждения как замыкания между витками обмоток, на которые не реагируют другие виды защит из-за недостаточной величины тока при этом повреждении.

ГЗ осуществляется с помощью специальных газовых реле, которые подразделяются на поплавковые, лопастные и чашечные. Газовое реле представляет собой металлический кожух, врезанный в маслопровод между баком трансформатора и расширителем. Реле заполнено маслом. Кожух имеет смотровое стекло со шкалой, с помощью которой определяется объем скопившегося в реле газа. На крышке газового реле имеется краник для выпуска воздуха и взятия пробы газа для его анализа, а также расположены контакты для подключения кабеля.

Достоинство газовой защиты:
- простота выполнения

- высокая чувствительность и реагирование практически на все виды повреждения внутри бака: сравнительно небольшое время срабатывания, простота выполнения;
Однако газовая защита, естественно, не срабаты­вает при повреждениях вне бака трансформатора. По­этому она не может быть единственной основной защи­той трансформатора.

 

Токовая отсечка

Токовая отсечка – разновидность токовой защиты, позволяющая обеспечить быстрое отключение КЗ.

Токовые отсечки (ТО) подразделяются на

– отсечки мгновенного действия;

– отсечки с выдержкой времени (0,3...0,6 с).

Селективность токовых отсечек достигается ограничением их зоны работы.

 

Величина тока КЗ, протекающий по линии, зависит от места повреждения:

 

(5.1)

где E_C – ЭДС системы;

X_C – сопротивление системы;

X_WK – сопротивление линии до точки КЗ;

X_Y – удельное сопротивление линии;

L_K – длина от начала линии до места КЗ.

 

 

Рис. 5

Для обеспечения селективности ток срабатывания защиты I_C.З > I_КЗ1 – тока КЗ на шинах противоположной подстанции.

Токовые отсечки применяются как в радиальных сетях с односторонним питанием, так и в сети, имеющей двустороннее питание.

Токовые отсечки мгновенного действия являются самой простой защитой. Быстрота их действия в сочетании с простотой схемы и обслуживания составляет важное преимущество этих защит.

Недостатками мгновенной отсечки являются: неполный охват зоной действия защищаемой линии и непостоянство зоны действия под влиянием сопротивлений в месте повреждения и изменений режима системы, однако последнее не оказывает существенного влияния в мощных энергосистемах.

Отсечка с выдержкой времени срабатывания позволяет обеспечить достаточно быстрое (около 0,5с) отключение повреждений на защищаемой линии. Сочетание отсечек и МТЗ позволяет получить трёхступенчатую защиту, которая во многих случаях успешно заменяет более сложные защиты.

 

Дифференциальная токовая защита

Дифференциальная защита применяется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Ввиду ее сравнительной сложности ДЗ устанавливается не на всех трансформаторах и лишь в следующих случаях:

1. На одиночно работающих трансформаторах мощностью 6300 кВА и выше.

2. На параллельно работающих трансформаторах мощностью 1000кВА и выше.

3. На трансформаторах мощностью 1000кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности к_ч>2, а МТЗ имеет время срабатывания t>1сек.

При параллельной работе трансформаторов ДЗ обеспечивает не только быстрое, но селективное отключение повреждения трансформатора.

Для выполнения ДЗ трансформаторов устанавливаются ТТ со стороны всех напряжений. Вторичные обмотки ТТ соединяются в дифференциальную схему и параллельно с ним подключается токовое реле. Принцип действия защиты аналогичен защите линий элек­тропередачи. Однако особенности трансфор­матора как объекта защиты приводят к тому, что I_нб в дифференциальной защите трансформатора значитель­но больше, чем в дифференциальных защитах других элементов системы электроснабжения. "Основными фак­торами, которые необходимо учитывать при выполнении дифференциальной защиты трансформатора, являются следующие:
- бросок тока намагничивания при включении трансформатора под напря­жение или при восстановлении напря­жения после отключения внешнего к. з.

- схемы соединения обмоток трансфор­матора.

- регулирование коэффициента транс­формации трансформатора.

Следует отметить, что определение составляющей расчетного тока небаланса I”_нб обусловленной регулированием напряжения защищаемого трансформатора, и расчетных чисел витков обмоток промежуточных на­сыщающихся трансформаторов тока реле защиты произ­водится с учетом одинакового максимального регулиро­вания ±DU_max в обе стороны по отношению к среднему положению переключателя РПН, принимаемого в каче­стве расчетного. Такой учет регулирования напряжения соответствует определению оптимальной уставки защи­ты только при условии независимости сопротивления трансформатора и тока к. з. от положения переключа­теля РПН.
Для повышения чувствительности дифференциальной токовой защиты трансформатора предусматривают более эффективную (по сравнению с защитой с РНТ) отстрой­ку от броска тока намагничивания трансформатора, ис­пользуя: несинусоидальность броска тока намагничива­ния; наличие в нем апериодической слагающей; наличие провалов (ниже заданного уровня) в кривой тока I_{нам,пер}. В настоящее-время желательно на мощных трансформаторах устанавливать защиту с током срабатывания (0,2—0,3)I_т,ном. Дифференциальные защиты, применяе­мые в эксплуатации, можно разделить на три группы: с токовыми реле; с реле РНТ; с реле с торможением.
Наибольший ток срабатывания имеют защиты первой группы (дифференциальные токовые отсечки). Ток срабатывания защит второй группы значительно меньше. Наиболее распространенной разновидностью таких защит является уже рассмотренная защита с применением промежуточных насыщающихся ТТ в дифференци­альной цепи. Недостатком этой защиты является, небольшое замед­ление из-за наличия некоторой апериодической слагающей в то­ке к. з. Еще меньший ток срабатывания могут иметь зашиты третьей группы.
В настоящее время выпускается полупроводниковая дифференциальная токовая защита типа ДЗТ-21, ток срабатывания которой равен примерно 0,3I_т,ном.

 

Максимальная токовая защита

Макси­мальная токовая защита срабатывает при увеличении тока защищаемого элемента сверх установленного тока срабатывания (уставки). Причиной увеличе­ния тока трансформатора может быть и поврежде­ние самого трансформатора, и КЗ на шинах или на отходящих элементах НН, а также самозапуск пи­таемых электродвигателей после кратковременного перерыва питания или подключения к работающему трансформатору дополнительной нагрузки при сраба­тывании устройства АВР. Для предотвращения излиш­них срабатываний при токах перегрузки, вызванных самозапуском электродвигателей или подключением дополнительной нагрузки, максимальная токовая защита должна иметь ток срабатывания (уставку), больший, чем максимально возможный ток пере­грузки. А для предотвращения излишних (неселектив­ных) срабатываний при КЗ на отходящих элементах НН максимальная токовая защита трансформатора должна иметь орган выдержки времени, замедляю­щий ее действие на время, необходимое для сраба­тывания защиты поврежденного отходящего эле­мента.

Измерительная часть максимальной токовой за­щиты трансформаторов 10 кВ состоит из двух или из трех максимальных реле тока Т (три реле устанав­ливаются для защиты трансформаторов со схемой со­единения обмоток ∆/Y или Y/∆). Реле тока включе­ны на токи фаз А и С и на ток фазы В, проходящий в обратном проводе схемы соединения трансформато­ров тока ТТ в неполную звезду. Выходное действие реле тока осуществляется по схеме «ИЛИ»„ т. е. защита может действовать при срабатыва­нии одного, двух или трех реле. В логической части должен быть орган выдержки времени В, позволяющий установить время срабатывания защиты в пределах от 0,1 до 1,3 с. Предусматриваются так­же сигнальный орган СО и исполнительный орган НО, распространяющий действие защиты на отклю­чение трансформатора с двух сторон, т. е. действую­щий на отключение выключателя В на стороне 10 кВ и автомата АВ на стороне 0,4 кВ. На трансформато­рах 10/6 кВ действие защиты распространяется на отключение двух выключателей.

Максимальная токовая защита обязательно уста­навливается на всех трансформаторах, и в том числе на всех трансформаторах 10 кВ, независимо от уста­новки других защит (газовой, дифференциальной или отсечки). Это объясняется тем, что максимальная токовая защита защищает не только трансформатор, но и шины НН, а также может резервировать за­щиты и выключатели на отходящих элементах НН, т. е. осуществлять дальнее резервирование.

Рис. 6 Функциональная схема максимальной токовой защиты трансформатора 10/0,4 кВ

Защита от перегрузки

Перегрузка трансформаторов (автотрансформаторов) обычно бывает симметричной. Поэтому защита от перегрузки выполняется с помощью МТЗ, включенной на ток одной фазы. Защита действует с выдержкой времени на сигнал, а на необслуживаемых подстанциях – на разгрузку или отключение трансформатора. На двухобмоточных трансформаторах защита о перегрузки устанавливается со стороны основного питания. На трехобмоточных трансформаторах при двухстороннем питании – со стороны основного питания и со стороны обмоток, где питание отсутствует, а при трехстороннем питании – со всех трех сторон. На автотрансформаторах с трехсторонним питанием защита от перегрузки устанавливается со стороны основного питания КА1, со стороны высшего напряжения КА2 и со стороны выводов обмотки автотрансформатора к нулевой точке (нейтрали) КА3 для контроля за перегрузкой общей части обмотки. Кроме того, на повышающих автотрансформаторах с трехстороннем питанием устанавливается защита от перегрузки стороны среднего напряжения КА4 в режиме когда в обмотке НН нет тока. Необходимость этой защиты вызвано тем, что в таком режиме пропускная мощность автотрансформатора снижается. Защита КА4 вводится в действие контактом реле КА5, который замыкается при исчезновении тока в обмотке НН.

Рис. 7 Схема защиты от перегрузки

Ток срабатывания защиты от перегрузки определяется по формуле:

где к_н – коэффициент надежности равный 1,05.

 

Защита от перегрева

Для защиты от перегрева трансформатор оснащен тепловой защитой встроенной в обмотку НН. Реле расположено на нижней раме трансформатора. Тепловая защита двухступенчатая.

Первая ступень сигнализирует приближение к предельно допустимой рабочей температуре.

Вторая ступень установлена на максимально допустимую температуру.

 

 

6. РАСЧЕТ ЗАЩИТ ТЯГОВОЙ СЕТИ

 

При выборе способа защиты тяговой сети необходимо принять во внимание требования, предъявляемые к защитам, характеристики аварийных и рабочих режимов, а также аппаратные реализации, используемые на отечественной сети дорог.

Характеристики срабатывания (ХС) дистанционных защит принято отображать на комплексной плоскости сопротивлений. На электрических железных дорогах получили распространение ХС на базе окружностей (ненаправленные защиты) и секторов (направленные защиты) с центром в начале координат (рис.23 а, б).

Дистанционная защита основана на использовании реле сопротивления. Работает на принципе замера полного сопротивления линии от места установки реле до точки короткого замыкания на линии.

Комплект защиты фидера тяговой подстанции переменного тока является двухступенчатым.

Первая ступень защиты – ненаправленная дистанционная защита ДЗ1 – отключает без выдержки времени короткое замыкание в пределах 50%, при наличии телеблокировки, зоны подстанция-пост секционирования. ДЗ 1 выполнена с помощью датчика полного сопротивления ДС1, характеристика которого приведена на рис.23а.

Датчик ДС1 имеет собственное время срабатывания 30-60 мс. Для того чтобы обеспечить более быстрое отключение коротких замыканий, возникающих вблизи тяговой подстанции, в первую очередь включают ускоренную токовую отсечку. Её роль выполняет датчик тока с временем срабатывания 5-10 мс.

Характеристикой первой ступени является окружность радиусом, равным сопротивлению срабатывания первой ступени с центром в начале координат комплексной плоскости сопротивлений, имеет вид , где - угол между напряжением и током подводимыми к реле.

Вторая ступень – дистанционная направленная защита, защищает зону до шин смежной подстанции с выдержкой времени 0,4-0,5 с. В этой ступени используется датчик полного сопротивления ДС2 с характеристикой в виде окружности и датчик фазового угла ФТН, формирующий характеристику в виде двух прямых, выходящих из начала координат комплексной плоскости. ФТН обеспечивает срабатывание второй ступени в заданном диапазоне углов (45-95⁰). Таким образом, характеристика второй ступени представляет сектор с центром в начале координат, приведена на рис. 23б.

Существуют требования к защитам устройств тягового электроснабжения. Приведем сокращенный перечень этих требований: время отключения поврежденного участка без выдержки времени не более 140 мс для фидеров тяговой подстанции и 120 мс – для поста секционирования. Шаг времени уставок электронных защит должен быть 300 мс. При отказе одной из ступеней защит либо одного выключателя необходимо обеспечить отключение резервными защитами;

фидеры контактной сети тяговой подстанции защищаются трехступенчатой дистанционной направленной защитой, дополненной токовой отсечкой с обеспечением чувствительности защиты до шин смежной подстанции и отстройкой от токов нагрузки, кроме того, требуется аппаратура контроля нагревания проводов для предотвращения их отжига;

фидеры постов секционирования оборудуются, как правило, трехступенчатой дистанционной направленной защитой, дополненной токовой отсечкой, первая ступень обеспечивает селективность до шин подстанции, остальные обеспечивают чувствительность к металлическим КЗ на шинах поста секционирования и подстанции;

шины поста секционирования защищаются по минимальному напряжению;

на пунктах параллельного соединения в качестве основной предпочтительна потенциальная защита, в качестве резервной – максимальная токовая или ненаправленная дистанционная.

 

Рассмотрим особенности нагрузки тяговых фидеров (рис. 24). Основной нагрузкой являются тяговые двигатели электроподвижного состава (на рисунке показан один двигатель М).

 

 

Рис. 9 Упрощенная схема нагрузки тяговой сети: а - подключение двигателя к тяговой сети; б - напряжение на токоприемнике; в - ток электровоза; г - разложение тока электровоза на гармонические составляющие

 

Двигатели получают питание от контактной сети через главный выключатель Q, тяговый трансформатор Т и выпрямитель UZ. Для сглаживания тока включен сглаживающий реактор Ld. Вторичная или первичная обмотка трансформатора имеет отводы для регулирования напряжения тяговых двигателей.

Для защиты от токов короткого замыкания в силовых цепях устанавливается реле тока КА, от замыкания на землю – реле заземленияКZ. Оба реле действуют на главный выключатель Q, собственное время срабатывания которого около 30 мс. Защита двигателей от перегрузки также действует на главный выключатель. От импульсных перенапряжений длительностью до 100 мкс электровозы защищаются разрядниками FV.

На форму тока i, потребляемого из тяговой сети (см. рис.24, в), влияют как процессы коммутации в выпрямителе (характеризуемой углом коммутации, так и конечное значение индуктивности сглаживающего реактора Ld (около 5 мГ) в выпрямленной цепи. Несинусоидальный ток в цепях переменного тока принято раскладывать в гармонический ряд. Для электровоза переменного тока наиболее выражены первая (основная) i ₍₁₎ и третья i ₍₃₎ гармоники (см. рис. 24, г). При этом заметим, что фазный угол первой гармоники тока отстает от напряжения на угол  ₍₁₎ (около 20…40 эл. град), а доля всех высших гармоник в тяговом токе превышает 10%. В отдельных режимах амплитуда третьей гармоники может доходить до 30% от основной. Поскольку при коротком замыкании в тяговой сети высшие гармоники не возникают, этот факт может быть использован при формировании характеристик срабатывания защит фидеров.

При наезде на гололедное образование возникают перерывы питания электровоза (бестоковые паузы). ЭДС двигателей уменьшается, и при восстановлении питания ток увеличивается, растет угол коммутации, фазный уголувеличивается до 55 эл. град. Однако содержание высших гармоник по-прежнему больше, чем при коротком замыкании.

При бросках намагничивания нагрузки ток фидера увеличивается до I _μ=1200 А, фазный угол – до 70…80 эл. град, возникает апериодическая составляющая, содержание высших гармоник также увеличивается.

Наибольшую нагрузку ЭПС создает в режиме пуска. Так, ВЛ80 при часовой мощности 6,52 МВт в режиме пуска потребляет до 460 А, ВЛ85 при часовой мощности 10 МВт – 604 А. При этом фазовый угол может достигать значений 40 эл. град.

Приведем краткое описание аппаратных реализаций защит фидеров тяговой сети. До 1972 года в типовых проектах предусматривались релейно-контактные защиты на основе реле сопротивления КРС-132. Первые комплекты защит (УЭЗФ, УЗТБ-71 в вариантах УЭЗФТ и УЭЗФП) содержали 2-ступенчатую дистанционную защиту и ускоренную токовую отсечку. При ближних КЗ первая ступень переходила в режим токовой защиты (блокировка по напряжению). Время срабатывания первых ступеней составляло 30–60 мс, вторые ступени имели выдержки времени 0,3 – 0,5 с. На подстанции первая ступень выполнялась ненаправленной, вторая – направленной с сектором срабатывания, ограниченным углами j₁=45…55 эл. град и j₂=100…110 эл. град. На посту секционирования первая ступень выполнялась направленной, вторая – ненаправленной. Ожидалось, что телеблокировка (2240–3500 Гц) уменьшит время срабатывания вторых ступеней. Недостаток этих защит: ненадежная работа телеблокировки, неселективное действие вторых ступеней защит, мертвая зона по напряжению первой ступени (до 1 км).

Защитами фидера контактной сети тяговой подстанции является:

1. Токовая отсечка

2. Дистанционная защита

Токовая отсечка отстраивается от максимального тока к.з. на посту секционирования. Отстройка необходима для обеспечения селективности отключения, т.к. токовая отсечка без выдержки времени. Достоинства – простота и быстродействие. Чувствительность защиты проявляется для максимального тока к.з. в месте установки защиты. Недостаток – наличие «мертвой зоны» незащищенного участка вблизи шин смежной подстанции.

Дистанционная защита состоит из четырех ступеней:

1 ступень защиты – ненаправленная дистанционная – отключает без выдержки времени к.з. в пределах 80-85 %(50% при наличии телеблокировки) зоны подстанции – пост секционирования. Собственное время срабатывания 30-60 мс, для уменьшения времени отключения к.з. дополнительно применяется ускоренная токовая отсечка с собственным временем срабатывания 5-10 мс.

2 ступень защиты – защищает зону до шин смежной подстанции, представляет собой дистанционную направленную защиту с выдержкой времени 0,4-0,5 с. Зона действия второй ступени не должна распространяться на к.з. за трансформаторами, присоединенными к шинам смежной подстанции.

3 ступень защиты выполняется направленной, должна быть чувствительна для к.з. в конце защищаемой линии и в конце зоны резервирования. Возможны ложные срабатывания при гололёде или при уравнительных токах, исправляются автоматическим повторным включением.

4 ступень защиты направлена на защиту тяговой сети в случае обрыве провода контактной сети и его падения на шпальную решетку. В этом случае К.З. получается не глухим металлическим, а идет горение дуги между проводом и металлическими изделиями на балластной призме. Есть переходное сопротивление контактная сеть – земля, которое принимается равным 4,5 Ом. В этом случае защита будет срабатывать на определение минимального напряжения с учетом переходного сопротивления. При этом будет иметь место только активная составляющая, что можно видеть на диаграмме.

Защитами фидера контактной сети поста секционирования являются:

1. Токовая отсечка

2. Дистанционная защита

3. Потенциальная

Токовая отсечка реагирует на увеличение тока к.з. или перегрузки. Отстройка от к.з. «за спиной» на смежных фидерах будут исправляться АПВ.

 

 

 

Рис.10 Принципиальная схема защиты фидера КС переменного тока

 

 

Рис.11 Структурная схема БМРЗ

 

БМРЗ состоит из ряда функциональных модулей, электрически соединенных через кросс-плату (модуль генмонтажный). Структура блока БМРЗ представлена на рис. В его состав входят следующие модули:

- модуль аналоговых сигналов (МАС);

- модуль аналого-цифрового преобразователя (МАЦП);

- модуль центрального процессора (МЦП);

- модуль ввода-вывода (МВВ);

- блок питания (БП);

- пульт (МП);

- модуль генмонтажный (МГ).

Все модули, кроме пульта и генмонтажного, соединяются с генмонтажным при помощи разъемов, фиксируются в общей кассете направляющими и крепятся двумя винтами. Такая конструкция обеспечивает простоту и удобство замены модулей при необходимости. Все модули, имеющие электрические связи с внешними цепями, обеспечивают гальваническую развязку этих цепей. Таким образом, внутренние цепи БМРЗ полностью гальванически развязаны от внешних цепей, что обеспечивает его помехоустойчивость.