Релейная защита силовых трансформаторов 6-10/0,4кВ: виды, ПУЭ

В любой электрической подстанции силовые трансформаторы являются наиболее ответственными элементами. Сам по себе трансформатор – это то статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты. В настоящее время имеют распространение комплектные трансформаторные подстанции (КТПН) и БКТП (в бетонной оболочке).

Трансформаторы преобразуют напряжение от генерирующей электроэнергию установки до конечного потребителя. Понижение осуществляется каскадно, через несколько этапов, что увеличивает количество силовых трансформаторов в десятки раз. Чтобы защитить трансформаторы от аварий при коротких замыканиях и перегрузках – выполняется релейная защита трансформаторов.

Параметры силовых трансформаторов

Для выбора типа защиты трансформаторов от короткого замыкания, необходимо определиться с его параметрами. Большая их часть и самая важная отражена в паспорте или на шильде самого силового или измерительного трансформатора. В соответствии с ГОСТ 11677—85 "Трансформаторы силовые" принята единая структурная схема условного обозначения трансформаторов:

О – однофазный;
Т – трехфазный;
М – масляный;
С – сухой;
З – защитное исполнение;
Г – герметичное;
Н – возможность регулирования под нагрузкой.

После буквенной части обозначения через тире указывается номинальная мощность силового трансформатора в киловольт-амперах (кВ-А), затем через дробь — класс напряжения стороны высшего напряжения (ВН) в киловольтах (кВ) и далее через тире — климатическое исполнение и категория размещения оборудования по ГОСТ 15150—69:

У - для умеренного климата;
ХЛ — холодного;
Т — тропического;
1 — для работы на открытом воздухе;
2 — для работы в помещениях, где температура и влажность такие же, как на открытом воздухе;
3 — для закрытых помещений с естественной вентиляцией;
4 — для работы в помещениях с искусственным регулированием климата;
5 — для работы в помещениях с повышенной влажностью.

Номинальные мощности силовых трансформаторов должны соответствовать ГОСТ 9680—77. Трансформаторы масляные 10 кВ для питания электроприёмников выпускаются с номинальной мощностью до 2,5 MB-А, а для связи между электросетями разных напряжений — до 6,3 МВ-А: например, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630 кВ-А, а также 1; 1,6 и 2,5 МВ-А. Трансформаторы сухие (ТСЗ) выпускаются с номинальной мощ-ностью 160, 250, 400, 630 кВ-А, а также 1 и 1,6 МВ-А.

Виды защит силовых трансформаторов

Виды реле для РЗА Трансформаторы 10/0,4 кВ в сельских и городских распределительных электрических сетях мощностью до 0,63 MB-А включительно, как правило, защищаются плавкими предохранителями на стороне 10 кВ и весьма часто также плавкими предохранителями на стороне 0,4 кВ. Автоматические воздушные выключатели предназначены для автоматического отключения электрических цепей до 1000 В при токах КЗ и перегрузках.

Релейная защита силовых трансформаторов мощностью 1000кBА и выше от ненормативных показателей напряжения, короткого замыкания и так далее, подразделяется на виды: продольная дифференциальная, токовая защита трансформатора без задержки времени, газовая, максимальная токовая защита со стороны питания, специальная токовая защита нулевой последовательности, специальная резервная максимальная токовая защита трансформатора, максимальная токовая защита в одной фазе, защита (сигнализация) от однофазных замыканий на землю в обмотке или на выводах трансформатора, а также на питающей линии 10 кВ.

Вид защиты зависит от угрозы. Так, продольная дифференциальная защита применяется для ликвидации последствий короткого замыкания на трансформаторах начиная с мощности 6,3 MBА, иногда устанавливается и на маломощных силовых трансформаторах в том случае, если понижение напряжения идет большими перепадами. Минимальное значение - 1 MBА. Токовая отсечка без выдержки времени также применяется как защита от короткого замыкания со стороны питания и является альтернативой продольной дифференциальной защиты силовых трансформаторов.

Защита от всех видов повреждений внутри кожуха трансформатора обеспечивается газовой защитой. В соответствии с ГОСТ 11677—85 газовое реле устанавливается на всех масляных трансформаторах с расширителем начиная с мощности 1 MBА, сухие силовые трансформаторы оборудуются системой манометрической защиты.

Максимальная токовая защита ( МТЗ) силового трансформатора со стороны питания защищает от короткого замыкания на выводах и внутри трансформатора, при повреждениях шин щита НН и на отходящих линиях НН (низкое напряжение). Специальная токовая защита нулевой последовательности используется, если трансформатор низкого напряжения работает с глухозаземленной нейтралью. Специальная резервная максимальная токовая защита применяется при опасности межфазных коротких замыканий в силовых трансформаторах низкого напряжения в тех случаях, когда в зонах дальнего резервирования максимальной токовой защиты обнаружена недостаточная чувствительность к коротким замыканиям. И, наконец, максимальная токовая защита в одной фазе — от сверхтоков, обусловленных перегрузкой; устанавливается на трансформаторах начиная с мощности 0,4 MB-А, у которых возможно возникновение перегрузки после отключения параллельно работающего трансформатора или подключения дополнительной нагрузки в результате действия сетевого или местного устройства АВР.

Итак, для силовых трансформаторов больше 1 кВ релейная защита требуется для того, чтобы исключить выход из строя подстанции при следующих аварийных ситуациях:

1. Появление сверхтоков в обмотках при перегрузке;
2. Появление сверхтоков из-за внешних КЗ;
3. Многофазные КЗ в обмотках и на их выводах;
4. Однофазные замыкания на землю;
5. Понижение уровня масла (вытекание масла из кожуха трансформатора);
6. Внутренние повреждения трансформатора, в частности – витковых замыканий.

К числу внутренних повреждений силовых трансформаторов относится "пожар стали". Это повреждение магнитопровода, связанное с замыканием листов стали, повреждением изоляции стяжных болтов, вообще возникновение любых замкнутых контуров в теле силового трансформатора. Вихревые потоки в новообразованных замкнутых контурах приводят к повышению температуры трансформатора, выделению газа серого или буроватого цвета, который образуется в газовом реле и довольно горюч – при поджоге воспламеняется. Трансформаторное масло начинает проходить через процесс крекинга – разложения: становится густым и темным, приобретает специфический резкий запах.

Важно при выполнении работ по защите учитывать слабые места трансформатора, чтобы выбрать оптимальный вариант. Для оценки потенциала аварийности, используются следующие критерии анализа и оценки: броски тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение, влияние коэффициента трансформации и схем соединения обмоток трансформатора.

Релейная защита трансформаторов

Релейная защита осуществляется с помощью вторичных реле прямого или косвенного действия. Вторичные реле подключены не напрямую, а через измерительные транс-форматоры тока и напряжения. РПД имеют две функции – электромагнита отключения выключателя и измерительного органа напряжения. РПД делятся на токовые реле прямого действия мгновенные и с выдержкой времени. Такие реле используются для трансформаторов на 6 и 10 кВ с выключателем высокого напряжения. Принцип их действия заключается в токовой отсечке и защите. Мощность силовых трансформаторов с РПД не должна превышать 1,6 MB-А, поскольку, в отличие от РКД (реле косвенного действия), реле прямого действия имеют меньшую чувствительность, и могут просто не успеть сработать.

Релейная защита с помощью реле косвенного действия строится на системе измерительных реле, которые непрерывно получают информацию от трансформаторов тока и напряжения (ТТ и ТН) на 10/0,4 кВ, 10/6 кВ, 10/10 кВ. Сложная функциональная схема удорожает производство, но многократно повышает эффективность работы. Принцип действия состоит в следующем: когда ток или напряжение на одном из реле силового трансформатора достигнет предела, установленного заранее, реле срабатывает и посылает сигнал на логическую часть системы. Предельное значение тока или напряжения называется "параметром срабатывания" или "установкой". Предустановки реле на силовых трансформаторах должны быть изменены в соответствии с потребностями энергоустановки.

В отличие от аналоговой части, логический орган релейной защиты силовых трансформаторов от короткого замыкания и иных нарушений функционала работает по принципу алгоритмизации получаемых сигналов. В нее задаются четыре операнда: сложения, умножения, отрицания и задержки. Например, при максимальной токовой или дифференциальной защите трансформатора параллельное соединение замыкающих контактов 2-3 реле аналогично логическому элементу "ИЛИ". При срабатывании одного из токовых реле пучка, включается защита трансформатора.

Умножение сигнала, или операнд "И", аналогичен последовательному соединению токовых реле. Он используется в схеме максимальной токовой защиты при скачках напряжения. Чтобы защита сработала, необходимо превышение установки не только силы тока, но и напряжения. Более сложный логический элемент – "НЕ" - предупреждает срабатывание элемента системы при отказе другого элемента. В частности, при повреждении кожуха трансформатора срабатывает газовая, либо дифференциальная релейная защита. При этом необходимо исключить возможность повторного автоматического включения силового трансформатора, т.н. автоматическое повторное включение (АПВ). Для этого в систему реле включаются, наряду с контрольными, размыкающие реле, которые при срабатывании схемы отрицания включаются и разрывают выходную цепь устройства, исключаемого из схемы работы. Задержка срабатывания системы осуществляется с помощью реле времени.

Логическая часть релейной защиты: принцип работы

Работа логической части релейной защиты силовых трансформаторов заключается в использовании поступившей информации для запуска серии последовательных логических комбинаций, позволяющих отключить поврежденный трансформатор со всех сторон; блокировать выходы на устройства, которые должны замереть; перекинуть рабочие цепи функционирующих устройств на другой путь. Система, как уже говорилось выше, имеет сигнальные органы, исполнительные органы, логическую часть и оперативный источник питания. Снабжение системы релейной защиты оперативным током обеспечивает срабатывание всех ее частей, а также электромагнитов управления коммутационных аппаратов.

С учетом того, что оперативный ток должен поступать и в аварийных ситуациях, его источниками на подстанции должны быть аккумуляторные батареи - как источники постоянного тока, так и измерительные трансформаторы тока и напряжения и ТСН (трансформатор собственных нужд) - как источники переменного тока. Выпрямленный ток поставляется через блоки питания, как токовые, так и напряжения. Могут быть использованы выпрямительные устройства аналогичного типа. Ток разряда конденсаторов для релейной защиты поступает от блоков конденсаторов.

Рекомендуется для питания релейной защиты силовых трансформаторов использовать источник постоянного тока – аккумуляторную батарею, как самый надежный элемент из перечисленных. Это источник автономный, но, к сожалению, имеющий ограниченную емкость, мало применимую для подстанций распределительных сетей в силу дороговизны и ненадежности. Хотя именно аккумуляторная батарея обеспечивает срабатывание реле даже при полном отключении питания.

Для питания релейной защиты через измерительные трансформаторы, необходимо использовать одновременно все три типа: ТН, ТТ и ТСН, что обусловливается спецификой нарушений – снижение напряжение на подстанции до нуля, например, при многократных коротких трехфазных замыканиях, требует использования тока от ТН. ТТ обеспечивает работу электромагнитов управления – такая схема называется "схемой с дешунтированием электромагнитов управления". С другой стороны, ТСН, например, может вполне справится с питанием защиты в случае виткового замыкания. При уходе масла из кожуха трансформатора достаточно будет включения ТН. Тем не менее, поскольку аварийные ситуации непредсказуемы, использовать измерительные трансформаторы в комплексе релейной защиты – необходимо.

Питание выпрямленным оперативным током, по сути, похоже на использование аккумуляторных батарей. Применяется оно для силовых трансформаторов меньше 10кВ. Конденсаторы включаются при полном отключении подстанции, когда необходимо обеспечить функционирование релейной защиты, автоматики, части электродвигателей, что облегчает запуск подстанции при повторном пуске электроэнергии. Самозапуск электродвигателей – основная задача применения блоков конденсаторов.

Дешунтирование электромагнитов от включения

Шунтирование электромагнитов производится специальным размыкающим реле, которое прерывает рабочий ток при превышении показаний установок силового трансформатора. Шунтирующий контакт обычно дублируется вторым, чтобы при повторном срабатывании цепи, ток не пробил защиту элемента, поскольку возможность излишнего срабатывания существует. Вторичный ток в таком случае проходит только через первое реле и не замыкает второе. Релейная защита силовых трансформаторов с дешунтированием электромагнитов строится на основе использования двух типов реле: индукционных реле косвенного действия и специальных промежуточных реле.

Индукционные реле в системе защиты трансформаторов предназначены для выстраивания простейшей двухступенчатой системы защиты Т10кВ. Принцип их работы – токовая отсечка мгновенного действия и максимальная токовая защита с обратнозависимой от тока выдержкой времени.

Специальные промежуточные реле силовых трансформаторов предназначены для дифференциальной защиты или максимальной токовой защиты трансформатора с независимой от тока выдержкой времени. Они оборудованы встроенным маломощным выпрямительным устройством.

Защита трансформаторов от сверхтоков в обмотках, обусловленных внешними короткими замыканиями

Максимальная токовая защита – вид релейной защиты, который используется чаще всего, поскольку позволяет исключить выход объекта из строя вследствие внешних коротких замыканий. МТЗ предполагает два варианта реализации: с пуском реле от минимального напряжение, или без пуска. Она применяется только на трансформаторах мощностью до 1000 кВА, что связано с низкой чувствительностью системы. Повышающие трансформаторы должны быть оборудованы для защиты от внешних КЗ системами другого плана: токовой защитой нулевой последовательности, либо все той же максимальной токовой защитой с пуском реле от минимального напряжения. Обычно они дополняются токовыми реле защиты генераторов. Однофазная максимальная токовая защита используется для нескольких параллельно работающих трансформаторах мощностью по 400 кВА. На необслуживаемых подстанциях защита может выполняться с действием на автоматическую разгрузку или отключение трансформатора.

В целом, многообразие релейной защиты силовых трансформаторов при обеспечении индивидуального питания в случае обесточивания подстанции, позволяет выбрать наиболее оптимальную по цене и эффективности схему: чем слабее трансформатор, тем менее чувствительная, а, значит, более дешевая система может быть поставлена. Для сельских электросетей от 0,38кВ достаточно автоматических выключателей типа АП-50, А3124, А3134, А3144, А3700 или блоков "предохранитель-выключатель" типа БПВ-31-34 с предохранителями типа ПР2. Более мощные трансформаторы требуют наличия дублирующих сетей и элементов для дешунтирования, а также наличия независимых источников тока – аккумуляторных батарей или конденсаторов. В случае, если требуется мгновенное отключение тока, используются дополнительные выносные релейные защиты с расцепителем нулевого напряжения.

Релейная защита эффективна и для силовых сетей с радиальной схемой подключения и одним источником питания: реле максимальной токовой защиты устанавливаются на каждой линии и обеспечивают бесперебойное функционирования остальных, вне зависимости друг от друга.