Защита трансформатора и линий

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Содержание

Общие положения

Электрооборудование и цепи подстанции должны быть защищены, чтобы избежать или контролировать повреждения, вызываемые сверхтоками и/или сверхнапряжениями. Все оборудование, обычно используемое в электроустановках, имеет стандартные значения допустимых кратковременных перегрузок по току и напряжению. Роль защитной системы – обеспечить, чтобы эти допустимые пределы никогда не превышались. В общем случае это значит, что условия повреждения должны быть ликвидированы как можно скорее, с обязательным обеспечением взаимодействия между устройствами защиты, расположенными выше и ниже относительно защищаемого оборудования. Это означает, что если в сети имеется повреждение, обычно его одновременно регистрируют несколько устройств защиты, но только одно устройство должно действовать.

Такими устройствами могут быть:

  • плавкие предохранители (ПП), ликвидирующие ток повреждения напрямую или с помощью механического отключающего устройства, которое отключает связанный с ним трехфазный выключатель нагрузки;
  • реле, которые действуют опосредованно на отключающую катушку выключателя.


Защита трансформатора

Перенапряжения в системе электроснабжения

Иногда в сети питания могут возникать перенапряжения:

  • Атмосферные перенапряжения

Атмосферные перенапряжения вызываются ударом молнии, попадающей на линию или рядом с воздушной линией электропередач.

  • Коммутационные перенапряжения, являющиеся следствием эксплуатационных переключений в системе электроснабжения.

Внезапное изменение установившихся рабочих условий в электрической цепи вызывает различные кратковременные явления. Обычно это броски напряжения, высокочастотные или с затухающими колебаниями.

Для обоих типов бросков напряжения устройством защиты от перенапряжения обычно является варистор (на основе оксида цинка).

В большинстве случаев, защита от перенапряжения не действует на коммутационную аппаратуру.

Токовые перегрузки

Перегрузка трансформатора часто случается из-за одновременного потребления тока множеством небольших нагрузок или увеличением потребления полной мощности (кВА) всей электроустановкой, что вызвано расширением предприятия, постройкой новых зданий и т.д. Увеличение нагрузки повышает температуру обмоток и изоляционного материала. В результате, повышение температуры ведет к снижению срока службы оборудования. Устройства защиты от перегрузки могут располагаться на стороне первичной или вторичной обмотки трансформатора.

Защита от перегрузки трансформатора обеспечивается электронным реле, которое отключает выключатель на стороне вторичной обмотки трансформатора. Такие реле, обычно называемые реле цифровой перегрузки, искусственно рассчитывают температуру, учитывая постоянную времени обмотки трансформатора.

Некоторые из них способны учитывать эффект гармонических токов, вызываемых нелинейными нагрузками (выпрямители, компьютерное оборудование, преобразователи скорости вращения и т.д.). Реле этого типа также способны предсказать время, через которое произойдет отключение по перегрузке и время ожидания после отключения. Эти данные очень полезны для операций по снижению нагрузки.

Дополнительно масляные трансформаторы часто имеют термостаты с двумя установленными значениями, для сигнализации и отключения.

Сухие трансформаторы используют датчики температуры, встроенные в самую горячую часть изоляции обмотки в целях сигнализации и отключения.

Внутренние повреждения

Для трансформаторов с расширительным баком для масла и воздушной подушкой защита от внутренних повреждений обеспечивается устройствами, которые монтируются на трансформатор, а именно, классическими механическими газовыми реле (реле Buchholz) (см. рис. 15). Эти реле могут обнаружить медленное накопление газов, возникающих в результате начального искрения при пробое изоляции обмотки или из-за поступления (входа) воздуха в результате утечки масла. Этот первый уровень обнаружения обычно приводит к срабатыванию сигнализации, но если условия продолжают ухудшаться, второй уровень обнаружения приводит к отключению автоматического выключателя (АВ), расположенного выше.


Рис B15.jpg


Рис. 15: Трансформатор с расширительным баком для масла


Функция обнаружения резкого подъема масла в реле Buchholz «мгновенно» отключает вышерасположенный выключатель, если в трубке, соединяющей главный бак масла с баком расширителя, произойдет резкий подъем уровня масла (масляная волна).

Такая волна может возникать из-за резкого подъема масла, вызванного быстро образовавшимся газовым пузырем, который появился в результате тока короткого замыкания под маслом.

В настоящее время имеются трансформаторы с полным заполнением маслом мощностью до 10 МВА, имеющие специальные радиаторы - охладители масла.

Расширение масла не сопровождается чрезмерным подъемом давления, благодаря эффекту «растягивания мехов» радиаторных элементов. Полное описание этих трансформаторов дано в подразделе Выбор понижающего трансформатора (см. рис. 16).


Рис B16.jpg


Рис. 16: Трансформатор с полным заполнением маслом


Очевидно, устройства Buchholz, о которых шла речь выше, не могут быть применены в такой конструкции, однако, были разработаны их современные заменители, которые измеряют:

  • накопление газа;
  • повышение давления;
  • повышение температуры.

Первые два условия отключают вышерасположенный выключатель, а третье условие отключает выключатель, расположенный ниже относительно трансформатора.

Внутреннее короткое замыкание между фазами

Внутреннее КЗ между фазами могут обнаружить и ликвидировать следующие устройства:

  • 3 плавких предохранителя на первичной обмотке трансформатора;
  • реле максимального тока, которое размыкает выключатель выше от трансформатора.

Внутреннее короткое замыкание «фаза-земля»

Это наиболее распространенный тип внутреннего повреждения. Оно может быть обнаружено с помощью реле замыкания на землю. Ток КЗ можно вычислить, суммируя 3 фазных тока первичной обмотки (если используются 3-фазные трансформаторы) или используя специальный трансформатор нулевой последовательности.
Если нужна большая чувствительность, предпочтительнее использовать специальные трансформаторы тока нулевой последовательности. В этом случае можно использовать только два трансформатора тока (см.рис.17).


Рис B17.jpg


Рис. 17: Защита от КЗ на высоковольтной обмотке трансформатора


Защита цепей

Защита цепей, расположенных на стороне низкого напряжения трансформатора, должна удовлетворять требованиям стандарта МЭК 60364.


Различие между устройствами высокого и низкого напряжения для защиты трансформатора

Подстанция потребителя электроэнергии с измерением энергии на стороне низкого напряжения требует селективной работы высоковольтных предохранителей или выключателей и низковольтных автоматических выключателей или предохранителей. Номинал высоковольтных предохранителей должен выбираться в соответствии с характеристиками трансформатора.

Характеристики отключения низковольтного автоматического выключателя должны быть такими, чтобы в условиях перегрузки или КЗ ниже от выключателя он отключался бы достаточно быстро, чтобы предотвратить воздействие сверхтока на высоковольтные предохранители и выключатель.

Кривые зависимости времени отключения предохранителей, выключателя ВН и выключателей НН даны на графиках зависимости времени отключения устройств и тока, проходящего через них.

Обе кривые имеют общую обратнозависимую характеристику «время/ток» (с резким разрывом в кривой выключателя при значении тока, превышающим значение, при котором происходит «мгновенное» отключение).

Типовой вид этой зависимости показан на рис. 18.


Рис B18.jpg


Рис. B18: Селективность в работе высоковольтного ПП и низковольтного автоматического выключателя, установленных для защиты трансформатора


  • Чтобы обеспечить селективность:

Кривая предохранителя ВН должны находиться выше и правее кривой автоматического выключателя.

  • Чтобы предохранители не срабатывали (то есть, не перегорали):

Все части минимальной преддуговой кривой предохранителя должны располагаться правее кривой выключателя в 1,35 раз и более (например, там, где в момент времени Т кривая выключателя проходит через точку 100 А, кривая предохранителя должна проходить через точку 135 А или выше и т.д.), а все части кривой предохранителя должны располагаться выше кривой выключателя в 2 раза и более (например, там, где при значении тока I кривая выключателя проходит через точку 1,5 с, кривая предохранителя при том же значении тока должна проходить через точку, соответствующую 3 с или более, и т.д.).

Коэффициенты 1,35 и 2 основаны на стандартных максимальных допусках, применяемых при изготовлении плавких предохранителей (ПП) и высоковольтных автоматических выключателей.

Чтобы сравнить две кривые, высоковольтные токи нужно конвертировать в эквивалентные низковольтные токи, и наоборот.

Там, где используется низковольтный выключатель с плавким предохранителем, также должно обеспечиваться подобное разделение кривых высоковольтного и низковольтного предохранителей.

  • Чтобы не срабатывала защита высоковольтного автоматического выключателя:

Все части минимальной преддуговой кривой предохранителя должны располагаться правее кривой выключателя в 1,35 раз и более (например, там, где в момент времени Т кривая низковольтного автоматического выключателя проходит через точку 100 А, кривая высоковольтного выключателя должна проходить через точку 135 А или выше, и т.д.), а все части кривой высоковольтного автоматического выключателя должны располагаться выше кривой низковольтного (время низковольтного выключателя должно быть менее или равно значению времени высоковольтного минус 0,3 с).

Коэффициенты 1,35 и 0,3 с основаны на стандартных максимальных допусках для высоковольтных трансформаторов тока, реле защиты высоковольтного оборудования и низковольтных автоматических выключателей. Чтобы сравнить две кривые, высоковольтные токи нужно конвертировать в эквивалентные низковольтные токи, и наоборот. Эти требования проиллюстрированы на рис. B19.

Там, где используется низковольтный выключатель с ПП, также должно обеспечиваться подобное разделение кривых высоковольтного и низковольтного предохранителей.


Рис B19.jpg


Рис. B19: Работа высоковольтного плавкого предохранителя и низковольтного автоматического выключателя


Выбор устройства защиты на стороне первичной обмотки трансформатора

Как объяснено выше, при малых значениях величины тока срабатывание защиты может быть реализовано плавкими предохранителями или выключателем.

Когда величина тока уставки срабатывания велика, защита осуществляется автоматическим выключателем, который обеспечивают более чувствительную защиту трансформатора, чем плавкие предохранители. Также при применении выключателей легче реализовать дополнительные меры защиты (защита от тока короткого замыкания на землю, защита от тепловой перегрузки).