Расчет защиты силовых трансформаторов

В соответствии с ПУЭ, для силового трансформатора мощностью более 6300 кВ·А должны выполняться следующие виды защит: дифференциальная токовая и газовая, которые используются в качестве основных защит, максимальная токовая защита (МТЗ), используемая в качестве резервной, и защита от перегрузки с действием на сигнал.

Для защиты силового трансформатора используем блок «Сириус Т3». Устройство микропроцессорной защиты «Сириус Т3» предназначено для выполнения функций основной защиты трехобмоточного трансформатора с высшим напряжением 35-220 кВ. Содержит ступени подменных МТЗ высшей, средней и низшей сторон трансформатора, которые выполнены с внешним комбинированным пуском напряжения. Также возможно использование в качестве дифференциальной защиты трансформатора.

Устройство предназначено для установки на панелях и шкафах в релейных залах.

Функции защиты выполняемые устройством:

- двухступенчатая дифференциальная токовая защита трансформатора;

- двухступенчатая МТЗ высшей стороны трансформатора с возможность комбинированного пуска по напряжению от сторон низшего и среднего напряжения;

- двухступенчатая МТЗ средней стороны трансформатора с возможность комбинированного пуска по напряжению от стороны среднего напряжения;

- двухступенчатая МТЗ низшей стороны трансформатора с возможность комбинированного пуска по напряжению от стороны низшего напряжения;

- защита от перегрузки по каждой стороне напряжения с действием на сигнализацию.

Расчет дифференциальной защиты трансформатора произведем по методике представленной в документации предприятия изготовителя.

Определим значения первичных и вторичных токов плеч дифференциальной защиты.

Удобнее представлять формулы и расчеты в табличной форме. Все данные сведем в таблицу 2.22

Таблица 2.22- Определение вторичных токов в плечах защит

Наименование величины	Обозначение и метод определения	Числовое значение сторон
115кВ	37кВ	10,5кВ
Первичный ток на сторонах защищ-го тр-ра, А		125,66	390,56	1376,27
Коэффициент трансформации трансформаторов тока	КI	150/5	150/5	500/5
Вторичный ток в плечах защит, А		4,19	4,88	4,59
Схемы соединения трансформаторов тока	-	Y	Δ	Δ

1) Дифференциальная отсечка (ДЗТ-1).

Выбору подлежит:

I_диф/I_ном – относительное значение уставки срабатывания отсечки.

Уставка должна выбираться из двух условий:

- отстройки от броска тока намагничивания силового трансформатора;

- отстройки от максимального первичного тока небаланса при переходном режиме расчетного внешнего КЗ.

а) отстройка от броска намагничивающего тока.

При включении силового трансформатора со стороны высшего напряжения отношение амплитуды броска тока намагничивания к амплитуде номинального тока защищаемого трансформатора не превышает 5. Это соответствует отношению амплитуды броска тока намагничивания к действующему значению номинального тока первой гармоники, равному . Отсечка реагирует на мгновенное значение дифференциального тока и на первую гармонику этого же тока тоже. Уставка по мгновенному значению равна 2,5· I_диф/I_ном. Минимально возможная уставка по первой гармонике I_диф/I_ном равна 4, что соответствует 2,5·4=10 по отношению амплитуды к действующему значению или по отношению амплитуд.

Расчеты показывают, что действующее значение первой гармоники броска тока намагничивания не превышает 0,35 от амплитуды броска. Если амплитуда равна 7 действующим значениям номинального тока, то действующее значение первой гармоники равно 0,35·7=2,45. Следовательно, даже при минимальнойуставке 4·I_ном отсечка отстроена от бросков тока намагничивания и при реагировании на первую гармонику дифференциального тока.

б) отстройка от тока небаланса при внешнем КЗ.

Уставку выбираем по условию:

(2.70)

где к_нб(I) – отношение амплитуды первой гармоники тока небаланса к приведенной амплитуде периодической составляющей тока внешнего КЗ. Если используются трансформаторы тока с вторичным номинальным током 5А, можно принимать к_нб(I) = 0,7;

к_отс– коэффициент отстройки, принимается 1,2 ;

I_{кз.вн.max} – отношение тока внешнего расчетного КЗ к номинальному току трансформатора.

Отстройка от срабатывания при КЗ на стороне СН:

I_{кз.вн.max*} = 2830/390,56 = 7,25 ;

I_диф/I_ном = 1,2·0,7·7,25 = 6,1.

Отстройка от срабатывания при КЗ на стороне НН:

I_{кз.вн.max*} =5620/1376,27 = 4,1;

I_диф/I_ном = 1,2·0,7·4,1 = 3,45.

Принимаем уставку дифференциальной отсечки I_диф/I_ном = 6,1.

2) Дифференциальная защита (ДЗТ-2).

Выбору подлежат:

I_д1/I_ном – базовая уставка ступени;

к_торм – коэффициент торможения (наклон тормозной характеристики на втором ее участке);

I_т2/I_ном – вторая точка излома тормозной характеристики;

I_дг2/I_дг1 – уставка блокировки от второй гармоники.

Тормозная характеристика защиты приведена на рисунок. 2.2. Она построена в относительных единицах, то есть токи приведены к номинальному току стороны ВН. Тормозной ток формируется как полусуммы модулей токов двух сторон защищаемого трансформатора.

Рисунок 2.2 - Тормозная характеристика дифференциальной защиты

Базовая уставка I_д1/I_ном определяет чувствительность рассматриваемой ступени защиты. Следует стремиться иметь уставку в пределах (0,3-0,5) для обеспечения чувствительности к межкатушечным замыканиям в любых обмотках.

Коэффициент торможения к_торм должен обеспечить несрабатывание ступени при сквозных токах, соответствующих второму участку тормозной характеристики (примерно от 1 до 3 I_ном).

Расчетный ток небаланса, порождаемый сквозным током, определяется выражением:

I_{нб.расч}=(к_пер ∙ к_одн ∙ ε + ΔU_рпн + Δf_добав) ∙ I_скв , (2.71)

где к_пер – коэффициент учитывающий переходный режим, к_пер =2;

к_одн – коэффициент однотипности трансформаторов тока, к_одн =1;

ε – относительное значение полной погрешности трансформаторов тока в установившемся режиме, ε = 0,1;

ΔU_рпн – полный диапазон регулирования РПН, ΔU_рпн = 16%;

Δf_добав – погрешность, Δf_добав = 0,04.

Для надежной отстройки от тока небаланса, следует его умножить на коэффициент отстройки к_отс = 1,3.

Если по защищаемому трансформатору проходит сквозной ток, он может вызвать дифференциальный ток:

(2.72)

Коэффициент снижения тормозного тока равен:

(2.73)

Чтобы реле не сработало, коэффициент торможения в процентах должен определяться по выражению:

к_торм≥100∙I_диф/I_торм = 100 ∙ к_отс ∙ (к_пер ∙ к_одн ∙ ε + ΔU_рпн + Δf_добав)/к_сн.т. (2.74)

Вторая точка тормозной характеристики I_т1/I_ном определяет размер второго участка тормозной характеристики. В нагрузочном и аналогичном режимах тормозной ток равен сквозному. Появление витковых КЗ лишь незначительно изменяет первичные токи, поэтому тормозной ток почти не изменится. Для высокой чувствительности к витковым КЗ следует, чтобы во второй участок попал режим номинальных нагрузок (I_т/I_ном =1), режим допустимых длительных перегрузок (I_т/I_ном =1,3). Желательно, чтобы во второй участок попали и режимы возможных кратковременных перегрузок (самозапуск двигателей после АВР, пусковые токи мощных двигателей, если таковые имеются). Поэтому рекомендуется уставка I_т2/I_ном =1,5-2.

Первая точка излома тормозной характеристики вычисляется в реле автоматически и равна:

(2.75)

Уставка блокировки от второй гармоники I_дг2/I_дг1 на основании опыта фирм, давно использующих такие защиты, рекомендуется на уровне 12-15%.

Для данного трансформатора принимаем:

I_д1/I_ном =0,3; Δf_добав = 0,04;

Принимаем I_т2/I_ном =1,5;

Принимаем I_дг2/I_дг1 = 0,15.

3) Сигнализация небаланса в плечах дифференциальной защиты

(ДЗТ-3).

Уставка по току выбирается меньше чем, чем минимальная уставка чувствительной ступени ДЗТ -2 (I_д1/I_ном), а уставка по времени порядка нескольких секунд, что позволяет выявлять неисправности в токовых цепях дифференциальной защиты.

Рекомендуемые значения уставок: I_д1/I_ном = 0,1; Т = 10 с.

4) Защита от перегрузки.

В устройстве «Сириус Т3» контролируется перегрузка по току в трех обмотках трансформатора. Уставки задаются во вторичных значениях токов своей стороны напряжения, то есть приведение тока не используется.

Уставка сигнала перегрузки принимается равной:

(2.76)

где к_отс – коэффициент отстройки, к_отс = 1,05;

к_в – коэффициент возврата, к_в = 0,95.

Номинальный ток рекомендуется определять с учетом возможности увеличения его на 5% при регулировании напряжения.

Сторона ВН: I_вн = 1,05·1,05·4,19/0,95 = 4,85А;

Сторона СН: I_сн = 1,05·1,05·4,88/0,95 = 5,65А;

Сторона НН: I_нн = 1,05·1,05·4,59/0,95 = 5,35А.

5) Газовая защита.

Газовая защита поставляется вместе с трансформатором и рас­чету не подлежит. В связи с недостатками поплавкового газового реле, отечественной промышленностью выпускается реле с чашечковы­ми элементами типа РГЧ3-66. Первая ступень газового реле более чувствительная, чем вторая, и действует на сигнал. Вторая ступень чаше всего действует на отключение.

6) Максимальная токовая защита трансформатора от внешних КЗ.

Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты определяется по формуле:

(2.77)

где к_н – коэффициент надежности, обеспечивающий надежное несрабатывание защиты путем учета погрешности реле с необходимым запасом, к_н = 1,1;

к_в – коэффициент возврата, к_в = 0,95;

1,4 – коэффициент допустимой перегрузки.

А;

А;

А.

Время срабатывания защиты:

t_сз = t_{сз.пред} + Δt; (2.78)

t_сз.нн = 1,1 + 0,3 = 1,4 с;

t_сз.сн = 1,7 + 0,3 = 2 с;

t_сз.вн = 1,9 + 0,3 = 2,1 с.