Основные принципы выполнения защиты

Линии 6-35 кВ относятся к сети с изолированной или компенсированной нейтралью. Следовательно, их защита должна реагировать на трехфазные, двухфазные КЗ и двойные замыкания на землю. Однофазные замыкания не относятся к коротким замыканиям и могут существовать 2 и более часов. За это время можно переключить нагрузку на другой источник, и уже после этого отключить линию. Поэтому, защита от замыканий на землю может действовать на сигнал. В ряде случаев, защита от замыканий на землю может отсутствовать, например, на воздушных линиях, для которых отсутствуют трансформаторы тока нулевой последовательности. В этом случае поиск места замыкания на землю произво­дится путем поочередного отключения линий.

Для работы при двухфазных и трехфазных коротких замыканиях достаточно иметь устройства защиты установленные в двух фазах. Защита всегда устанавливается в фазах А и С. Она не реагирует на ток фазы В, но это не имеет значения, т.к. при любых междуфазных КЗ ток протекает в 2-х фазах, и сработает защита установленная либо в фазе А, либо в фазе С, либо одновременно в 2 фазах. Действие такой защиты имеет особенности работы при двойных замыканиях на землю, см. рис. 6.1.

ABC ЛИНИЯ 1

Рис. 6.1. Поведение защиты, установленной в 2 фазах при двойных замыканиях на землю

На рисунке указан случай двойного замыкания на землю на линиях 1 и 2. Защиты установлены на обеих линиях в фазах А и С. В изображенном варианте на Л1 ток КЗ протекает в фазе А, где установлена защита, а на Л2 в фазе В, где защиты нет. Поэтому, отключится линия 1, а линия 2 с подключенной к ней нагрузкой останется в работе с замыканием на землю. Рассмотрим все возможные варианты см. таблицу 6.1.

			Таблица 6.1
	Поврежденная фаза Л1	Поврежденная фаза Л2	Отключается линия
	А	В	Л1
	А	С	Л1 иЛ2
	В	А	Л2
	В	С	Л2
	С	В	Л1
	С	А	Л1 иЛ2

Как видно из таблицы в 2^х случаях из 6 отключается Л1, в 2^х - Л2 и еще в 2^х отключаются обе линии. Это считается преимуществом такого подключения защиты, так как в четырех из шести случаев в работе остается одна линия.

Для защиты линии 35кВ требуется трехрелейная схема защиты. Необходимость ее объясняется тем, что, как правило, нагрузкой линии является трансформатор 35/6-10кВ со схемой соединения Y/Δ. При двухфазном КЗ за трансформатором со схемой соединения Y/ Δ в 2х фазах протекает половина тока КЗ, и только в одной -полный ток. Если эта фаза окажется без трансформатора тока, то в защите протекает ток в 2 раза меньший, что может привести к отказу защиты. Если трансформаторов тока 2, или целесообразно оставить их 2, для обеспечения отключения в большинстве случаев только одной ВЛ при двойных замыканиях на землю, то третье реле можно включить в обратный провод 2-х трансформаторов тока (см. рис. 6.2.).

Рис. 6.2. Распределение токов в элементах защиты включенных в схему неполной звезды

В обратном проводе трансформаторов тока протекает сумма токов двух фаз, равная полному току трехфазного КЗ. Таким образом, можно одновременно обеспечить чувствительность защиты при КЗ за трансформатором Y/Δ, и обеспечить отключение в большинстве случаев только одной ВЛ при двойных замыканиях на землю.

Максимальная токовая защита (МТЗ) контролирует ток в защищаемом элементе, отстраивается от тока нагрузки, и при превышении тока уставки, с выдержкой времени действует на его отключение. Как правило, МТЗ является главной, а иногда единственной защитой линии 6-35 кВ. Максимальная токовая защита - это защита с относительной селективностью, которая не только обеспечивает отключение КЗ на своей линии, а если позволяет ее чувствительность, еще и резервирует отключение КЗ смежного участка.

Селективность максимальной защиты обеспечивается ее выдержкой времени. Выдержки времени смежных МТЗ отличаются на величину, называемую ступенью селективности. Ступень селективности - это минимально возможная разница между временами срабатывания смежных защит, учитывающая точность работы реле. Для защит, выполненных на электромеханической базе, стандартная ступень селективности Δt составляет 0,5 сек. Микроэлектронные и микропроцессорные защиты позволяют обеспечить ступень селективности, равную 0,2-0,3 сек.

Недостатком МТЗ является то, что по мере приближения места установки защиты к источнику питания увеличивается ее выдержка времени. Так как при этом увеличивается и величина тока короткого замыкания, объем повреждения возрастает.

Для быстрейшего отключения КЗ и уменьшения объема повреждения, защита выполняется ступенчатой: кроме максимальной защиты, применяется токовая отсечка. Токовая отсечка (ТО) является первой ступенью токовой защиты и работает, обычно, без выдержки времени. Для обеспечения селективности, ТО отстраивается от тока короткого за­мыкания в конце защищаемой линии (КЗ за трансформатором). Таким образом, защита линии выполняется двухступенчатой: максимальная защита и токовая отсечка.

Вторым способом уменьшения выдержки времени защиты является применение защиты с обратной токозависимой характеристикой выдержки времени. При такой характеристике выдержка времени МТЗ уменьшается по мере увеличения тока КЗ.

В кольцевых сетях и на линиях с двухсторонним питанием в большинстве случаев невозможно обеспечить селективность действия максимальной токовой защиты. В таких случаях приме­няется направленная максимальная токовая защита, орган направления мощности, который разрешает действие защиты при направлении мощности КЗ от шин в линию.

Выполнение АПВ. С помощью АПВ выполняется попытка подать напряжение на отключившуюся линию. Больше половины повреждений, которые возникают на линиях, имеют проходящий характер, и после отключения исчезают. Это набросы, схлестывание проводов, пере­крытие изоляции, например грозовое. При повреждении на кабеле, АПВ может быть успеш­ным, но не всегда эффективным, вследствие отгорания жилы кабеля (чаще всего в месте пайки). Место пробоя, при этом, заплывает и также удается подать напряжение на кабель, од­нако, все фазы могут не дойти до потребителя. Успешным АПВ может быть и в случае короткого замыкания на ошиновке приемных подстанций, или работе схемы с короткозамыкателем и отделителем.

Еще один пример специального использования АПВ: частотное АПВ-ЧАПВ. Энергетические предприятия оснащены устройствами АЧР. К ним подключены более 50% всех потребителей. Назначение АЧР - при дефиците мощности в энергосистеме, возникшем из-за отключения генераторов или связей с питающей энергосистемой, отключить нагрузку. Чем больше дефицит мощности, тем больше мощность нагрузки, отключаемой от АЧР. Для этого выполняется много - несколько десятков - очередей АЧР. Они отличаются уставками по частоте и времени срабатывания. После ликвидации дефицита и восстановления частоты необходимо включить отключенные от АЧР потребители. Эту функцию и выполняет частот­ное АПВ-ЧАПВ. В отличие от обычного АПВ, которое работает сразу после отключения вы­ключателя, ЧАПВ должно работать только после того, как частота восстановится.

ПУЭ предусматривает однократное и двукратное АПВ. Двукратное требуется применять на тупиковых линиях, где потребители не имеют резервного питания. Таким образом, схемы АПВ должны иметь отсчет кратности, при однократном АПВ линия включается 1 раз, при 2-х кратном-2 раза. Если после этого линия снова отключается, выключатель должен остаться отключенным. Статистические данные свидетельствуют о том, что эффективность АПВ (про­цент успешной работы) находится в пределах 40-90% в зависимости от напряжения, эффективность второго цикла АПВ в пределах 10-25%.

Выполнение АПВ требуется обязательно на воздушных и на смешанных - кабельно-воздушных линиях, на чисто кабельных линиях применение АПВ не обязательно, однако мо­жет быть желательно на разветвленных линиях, где оно может помочь при КЗ на ошиновке подстанций.

Однократность АПВ обеспечивается тем, что го­товность к его срабатыванию наступает через некоторое время после включения выключателя, называемое временем «готовности». АПВ может сработать повторно через 30-60 с после включения, поэтому после 1-го отключения, когда АПВ готово к действию, АПВ работает, а при неуспешном включении, второе включение не произойдет, т.к. выключатель оказался от­ключенным еще до того, как закончился процесс подготовки АПВ. То же самое произойдет, если выключатель включился успешно, но следующее отключение произошло за время меньшее, чем выставленное на реле время готовности. АПВ пускается от защиты, либо от внешнего пускового органа. Как уже говорилось, УЗА-10 приспособлено к работе АПВ в режиме АЧР-ЧАПВ.

Защита от замыканий на землю (ЗЗ)

Как правило, такие защиты на линиях действуют на сигнал, тем не менее, применение этих защит целесообразно, так как место замыкания на землю нужно отыскать и устранить по возможности быстро, потому что упавший провод опасен для окружающих. Кроме того, повреждение в месте замыкания на землю развивается, и со временем может привести к короткому замыканию. В ряде случаев защита должна обязательно действовать на отключение. Это двигатели и генераторы при токе замыкания на землю более 5 А. Это передвижные механизмы с электродвигательными приводами.

Существенным осложнением является то, что ток замыкания на землю имеет очень малую величину. Эта величина соизмерима с небалансом в нулевом проводе трансформаторов тока, поэтому в нулевой провод ТТ защиту от замыканий на землю не включают. Для защиты от замыканий на землю используют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТЗ, ТЗЛ, ТЗР), которые можно применить, только при наличии кабельного вывода из ячейки. Для ячеек КРУ с воздушным выводом, и линий напряжение 35 кВ, для которых отсутствуют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности, защиту подключить нельзя.

Для разветвленных сетей с изолированной нейтралью, где емкостной ток одного фидера значительно меньше общего емкостного тока, в качестве 33 можно применить просто токовую защиту высокой чувствительности.

Для сетей с компенсированной нейтралью эти принципы 33 не годятся, так как величина тока на поврежденной линии может быть меньше, чем на неповрежденной, а направление этого тока может быть каким угодно. Для них используется специальные защиты, работающие на высших гармониках, учитывая, что реактор в нейтрали компенсирует только основную гармо­нику тока, а высшие гармоники остаются.

 

ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В процессе эксплуатации в обмотках трансформаторов могут возникать КЗ между фазами, замыкание одной или двух фаз на землю, замыкание между витками одной фазы и замыкания между обмотками разных напряжений. На вводах трансформаторов и автотрансформаторов, ошиновке и в кабелях могут также возникать КЗ между фазами и на землю. В эксплуатации могут происходить нарушения нормальных режимов работы трансформаторов, к которым относятся: прохождение через трансформатор или автотрансформатор сверхтоков при повреждении других связанных с ними элементов, перегрузка, выделение из масла горючих газов, понижение уровня масла, повышение его температуры. В зависимости от опасности повреждения для нарушения нормального режима трансформатора, защита, фиксирующая нарушение, действует на сигнал, разгрузку или отключение трансформатора.

По количеству обмоток трансформаторы делятся на двух и трехобмоточные. Весьма часто используются трансформаторы с расщепленной вторичной обмоткой - для уменьшения токов КЗ, вместо одной вторичной обмотки на полную мощность, наматываются 2, или даже 3 обмотки НН меньшей мощности.

Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в схему звезды (Y) или треугольника (∆). В схеме звезды кроме фазных выводов обычно выводится нейтраль. Вывод нейтрали либо заземляется наглухо, либо заземляется через разрядник или дугогасящий реактор в сетях с компенсированной нейтралью. Иногда вывод нейтрали остается незаземленным.

Каждая пара обмоток трансформатора образует группу соединения, основные из них: Y/Y-12, Y/Δ-11. Кроме схемы соединения, в названии группы указывается число, показывающее сдвиг напряжения (или тока) по фазе между вторичной и первичной обмотками. Число, показывающее сдвиг по фазе вторичной обмотки соответствует положению часовой стрелки (низшее напряжение) относительно минутной (высшее напряжение) установившейся в положении 12 часов. Наиболее часто используется группа Y/Y-12, в этой группе вторичное напряжение совпадает по фазе с первичным - часовая и минутная стрелки на 12 часов, илиY/Δ-11- часовая стрелка находится в положении 11 часов, а минутная - на 12. Вторичное напряжение опережает первичное на угол 30°.

Трансформаторы могут присоединяться к сети с помощью:

• выключателей;

• плавких предохранителей или открытых плавких вставок;

• автоматических отделителей или выключателей нагрузки, предназначенных для отключения трансформатора в бестоковую паузу.

Присоединение трансформаторов к сети через плавкие предохранители используется в схемах упрощенных подстанций 6-35 кВ при отсутствии аппаратуры на стороне высокого напряжения трансформатора.

Предохранители ПСН-35 применяются для трансформаторов напряжением 35 кВ малой мощности (до 1 МВА), обычно на передвижных подстанциях. С помощью таких предохранителей практически невозможно обеспечить селективность защиты трансформатора с защитой ввода, поэтому они согласовываются непосредственно с защитой отходящих от шин линий 6-10 кВ. Были также разработаны, но не нашли применения, стреляющие предохранители 110 кВ типа ПС-110У1.

Плавкие предохранители рассчитаны на отключение тока КЗ в трансформаторе, поэтому они проверяются по номинальному отключаемому току КЗ. Номинальный ток отключения для предохранителей 6-10 кВ может быть в пределах 2,5÷40 кА. Кроме того, требуется выбрать номинальное напряжение предохранителя. Одинаково недопустимо устанавливать предохранитель напряжением 6 кВ на трансформатор 10 кВ, и предохранитель 10 кВ на трансформатор напряжением 6 кВ. В первом случае может произойти перекрытие предохранителя по по­верхности, а во втором может не погаснуть дуга внутри предохранителя.

Кроме рассмотренных выше предохранителей, которые обеспечивают отключение короткого замыкания, ранее применялись открытые плавкие вставки для трансформаторов напряжением 110 кВ. Трансформатор подключался к линии через тонкие алюминиевые провода, при перегорании которых возникала электрическая дуга. Открытые плавкие вставки не могли отключить ток КЗ, после их перегорания возникало короткое замыкание на стороне ВН, которое должно было отключаться защитой питающей линии.

При высшем напряжении 35 кВ и более, наиболее распространенным для трансформаторов мощ­ностью более 1,0 МВт способом подключения трансформатора отпаечной и тупиковой подстанции к линии является подключение через автоматический отделитель (ОД)с установкой короткоза-мыкателя (КЗ)(рис. 8.1 б, в). Короткозамыкатель устанавливается в 2-х фазах при напряжении 35 кВ, и в одной фазе при напряжении 110 кВ и выше. В этом случае при повреждении в трансформаторе его релейная защита дает команду на включение КЗ, после чего срабатывает релейная защита питающей линии, и отключается выключатель (В) этой линии. Наступает бестоковая пауза, во время которой автоматика дает команду на отключение ОД, а линия включается снова от устройства АПВ.

Наиболее предпочтительным является присоединение трансформатора через выключатель (рис.8.1, а). На рисунке показан выключатель со встроенными в него трансформаторами тока (ТВ). При наличии у защищаемого трансформатора встроенных трансформаторов тока (ТВТ) требуется установить более дешевый выключатель без встроенных ТТ, стоимость установки которого может оказаться соизмеримой с установкой короткозамыкателя и отделителя. Большинство строящихся в настоящее время подстанций комплектуются именно выключателями на стороне ВН.

Рис.8 1 Схемы присоединения понижающего трансформатора к питающей сети: с помощью выключателя (а) и ОД и КЗ (б и в).

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Согласно ПУЭ, для трансформатора требуются следующие защиты:

- Защита от внутренних повреждений для трансформаторов менее 4 МВт - максимальная защита и токовая отсечка, для трансформаторов большей мощности - дифференциальная защита.

- Защита от повреждения внутри бака трансформатора или РПН - газовая защита трансформатора и устройства РПН с действием на сигнал и отключение.

- Защита от внешних коротких замыканий - максимальная защита с блокировкой по напряжению или без нее. Она же используется как резервная защита трансформаторов от внутренних повреждений.

- Защита от однофазных коротких замыканий на сторонах трансформатора с глухозаземленной нейтралью.

- Защита от перегрузки с действием на сигнал. В ряде случаев, на ПС без обслуживающего персонала, защита от перегрузки выполняется с действием на разгрузку или на отключение.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА