 |
ФАЗОПОВОРОТНЫЙ
ТРАНСФОРМАТОР
Особенности построения
системы релейной защиты
В нашем журнале («Новости ЭлектроТехники» №6(48) 2007) был опубликован материал, в котором было представлено математическое описание фазоповоротного комплекса ПС 500 кВ «Ульке» (Казахстан).
Сегодняшняя публикация петербургских авторов продолжает начатую
тему и представляет читателям основные аспекты проектирования системы релейной защиты этого электротехнического комплекса, введенного
в эксплуатацию в феврале 2009 года. | 
Валерий Ванин,
д.т.н, профессор | 
Максим Попов,
к.т.н., доцент | | ГОУ «Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет» |
Конструктивно фазоповоротный трансформатор (ФПТ) состоит из автотрансформатора (АТ) и вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) с электромеханическими переключателями
для регулирования коэффициентов трансформации. Регулируемая вторичная обмотка ВДТ и регулируемая и общая обмотки
АТ образуют последовательную схему суммирования (рис. 1).
Номинальная мощность ФПТ составляет Sном = 400 МВА.
При этом номинальная мощность АТ Sном = 3 · 167 МВА.
Номинальная мощность ВДТ составляет SномВДТ = 400 МВА,
типовая мощность SтипВДТ = 146 МВА. Диапазон регулирования
коэффициентов трансформации АТ kвс, kсн равен ± 8 · 1,5 %
(число ступеней регулирования – 16). Диапазон регулирования
коэффициентов трансформации ВДТ kВДТ = 0 – 2,17 (число
ступеней регулирования – 16).
Первичная схема соединения ФПТ, приведенная на рис. 1,
позволяет выявить особенности повреждений фазоповоротного трансформатора, к которым, помимо широко известных
повреждений, характерных для автономно работающих АТ и
ВДТ, относятся замыкания, возникающие в их дополнительных
(компенсационных) обмотках.
Также при решении общих вопросов построения системы
релейной защиты ФПТ приходится считаться с повреждениями
соединительных элементов (ошиновки АТ и ВДТ).
Так, например, замыкание на землю со стороны обмотки
низшего напряжения АТ, соединенной в треугольник, по характеру протекающего процесса аналогично повреждениям в
сетях с изолированной нейтралью. В то же время со стороны
возбуждающей обмотки (ВО) и регулирующей обмотки ВДТ
этот вид повреждения при ненулевом начальном положении
переключателя витков регулирующей обмотки (РО) воспринимается как КЗ.
Оригинальность конструкции фазоповоротного трансформатора вызывает необходимость по новому оценить возникающие повреждения электроэнергетического оборудования и режимные особенности их протекания. В свете сказанного выше
каждый элемент этого комплекса должен иметь собственные
быстродействующие защиты от внутренних повреждений и
резервные защиты, которые в основном являются общими.
КОМПЛЕКС ЗАЩИТ
Таким образом, для организации системы релейной защиты
(РЗА) фазоповоротного комплекса должна быть предусмотрена
установка следующих видов быстродействующих защит:
- продольная дифференциальная защита ошиновки высшего напряжения (ВН) 500 кВ;
- продольная дифференциальная защита ошиновки среднего напряжения (СН) 220 кВ;
- продольная дифференциальная защита ошиновки низшего напряжения (НН) 38,5 кВ;
- продольная дифференциальная защита ВДТ от повреждений его обмоток и на выводах;
- газовая защита ВДТ от внутренних повреждений и от понижения уровня масла;
- продольная дифференциальная защита АТ от повреждений его обмоток и на выводах;
- газовая защита АТ от повреждений внутри кожуха и от понижения уровня масла.
Перечень резервных защит фазоповоротного комплекса включает в себя:
- дистанционную защиту от междуфазных КЗ в сети 500 кВ, осуществляющую частичное резервирование основных защит АТ;
- дистанционную защиту от междуфазных КЗ в сети 220 кВ, реализующую частичное резервирование основных защит АТ и ВДТ;
- токовую защиту АТ с комбинированным пуском по напряжению от междуфазных КЗ, включенную со стороны ВН (500 кВ) АТ;
- токовую защиту от перегрузки АТ;
- токовую направленную защиту нулевой последовательности от КЗ на землю в сети 500 кВ, охватывающую ошиновку ВН АТ;
- токовую направленную защиту нулевой последовательности от КЗ на землю в сети 220 кВ, охватывающую ошиновку СН АТ;
- защиту с контролем напряжения и тока нулевой последовательности от замыканий на землю в цепях 38,5 кВ АТ, ВДТ и трансформатора собственных нужд (ТСН).
В связи с особенностью конструктивного исполнения фазоповоротного комплекса, состоящего из АТ и ВДТ, разработанная авторами методика выбора уставок содержит методические
указания по расчету подсистем РЗА его отдельных элементов
(АТ, ВДТ и их ошиновок). В целом общая система РЗА представляется как объединение указанных подсистем.
В связи с тем, что выбор уставок защит АТ и ошиновок
осуществляется по общеизвестным методикам, в настоящей
статье эти вопросы не рассматриваются.
Наибольший интерес представляет методика расчета основной дифференциальной защиты ВДТ в силу последовательного
подключения в сеть среднего напряжения (220 кВ) его линейной регулировочной обмотки (см. рис. 2).
Более того, ввиду наличия шунтирующей ВДТ перемычки
(см. рис. 2), входящей в ошиновку 220 кВ ФПТ, выбор параметров срабатывания его защит и проверка чувствительности
последних имеют особенности, поскольку должны распространяться на два характерных случая:
1) автономная работа АТ при введении шунтирующей ВДТ перемычки;
2) совместная работа АТ и ВДТ при разомкнутом положении разъединителя QS12 перемычки.
Естественно, что отличие первого расчетного случая от
второго состоит в отсутствии включенного последовательно
сопротивления ВДТ, а также в отсутствии тока со стороны низшего напряжения АТ в режимах внешнего КЗ. При этом может
проявляться недостаточная чувствительность некоторых видов
защит электроустановок (АТ, ВДТ, ошиновки) ФПТ. В целях повышения их чувствительности в указанных схемно-режимных
условиях авторами предлагается использование независимых
групп уставок (такие возможности имеются практически у всех
современных микропроцессорных защит).
Выбор той или иной группы уставок может осуществляться
как вручную, так и автоматически. Последний вариант управления группами уставок предполагает контроль состояния разъединителя QS12 (см. рис. 2) шунтирующей ВДТ перемычки.
МЕТОДИКА ВЫБОРА УСТАВОК
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ВДТ
Дифференциальная защита ВДТ (ДЗТ-FT) подключается к
токовым цепям трансформаторов тока TA 16, TA 17 и TA 18,
охватывая все обмотки ВДТ (см. рис. 2).
Методика выбора уставок дифференциальной защиты ВДТ
заключается в расчете значений начального тока срабатывания,
коэффициентов торможения участков характеристики первой
ступени и уставок блокировок по второй и пятой гармоническим составляющим, а также в определении тока срабатывания
дифференциальной отсечки.
Оценка чувствительности ступеней дифференциальной
защиты ВДТ выполняется для режима двухфазного КЗ при
минимальной загрузке электроэнергетической системы. Необходимо подчеркнуть, что при имеющемся подключении
(питание обмотки возбуждения со стороны НН АТ) ВДТ его
дифференциальная защита будет нечувствительна к замыканиям на землю со стороны вобуждающей обмотки при нулевом положении избирателя отпаек регулировочной обмотки.
Однако при ненулевом положении переключателя витков РО
этот вид повреждения будет восприниматься как КЗ. Здесь,
не вдаваясь в подробное описание методики расчета, которое
изложено ниже, лишь укажем, что для устранения этого недостатка система защиты ФПТ дополняется защитой от замыканий на землю в цепи НН 38,5 кВ с контролем напряжения и
тока нулевой последовательности.
Кроме того, в связи с достаточно широким диапазоном
регулирования угла ФПТ (0–20 эл. градусов) для обеспечения
необходимой чувствительности дифференциальной защиты
необходима коррекция коэффициента торможения. Частично
данную проблему можно решить путем задания нескольких
независимых групп уставок (характеристик чувствительного
органа) дифференциальной защиты. Переключение между
группами уставок должно осуществляться автоматически на
основании контроля положения переключателя РО.
В целом методика расчета дифференциальной защиты ВДТ
идентична методическим указаниям по выбору уставок дифференциальной защиты трехобмоточного трансформатора.
Тем не менее, в связи с неоднократно отмечавшейся особенностью последовательного включения регулировочной обмотки
линейного регулировочного трансформатора в сеть 220 кВ,
расчетные выражения для определения тока небаланса (как
будет показано далее) несколько видоизменены в соответствии
с физическими представлениями.
Как известно, величина тока небаланса, контролируемая
дифференциальной защитой, определяется неуравновешенностью токов отдельных ее плеч (сторон ВДТ):
IнбΣ = Iнб ВО + Iнб РО , (1)
где Iнб ВО, Iнб РО – составляющие тока небаланса, обусловленные
током ВО и РО соответственно, А.
Естественно, что значение отдельно взятой составляющей
тока небаланса будет обусловлено погрешностью соответствующих ТТ и регулированием напряжения ВДТ и АТ. Ввиду
некоторой неопределенности учета знака отдельно взятых регулирующих эффектов по напряжению при несогласованном
его регулировании устройствами РПН указанных трансформаторов в методике используется понятие среднеквадратичного
эквивалентного регулирующего эффекта напряжения:
Относительное (по отношению к номинальному току РО
ВДТ) значение минимального тока срабатывания дифференциальной защиты ВДТ определяется исходя из условий отстройки от тока небаланса, соответствующего началу торможения
(нормальному режиму), и от отклонения дифференциального
тока при регулировании напряжения:
где I*торм РО min, I*торм РО max – относительные величины составляющей тока торможения при минимальном и максимальном
токе РО, о. е.
Тангенс угла наклона (коэффициент торможения) второго
участка характеристики срабатывания в области больших
токов (которые могут привести к насыщению ТТ) должен обеспечивать большее торможение.
Расчетное условие выбора уставки дифференциальной
отсечки (второй ступени дифференциальной защиты) ВДТ
отождествляется с отстройкой от броска тока включения:
где Uk – напряжение короткого замыкания ВДТ, о. е.
Таким образом, при построении рабочей характеристики
за базисную (опорную) точку первого участка принимается
начало координат. Опорная точка второго наклонного участка
определяется при токе торможения, вычисляемом согласно
условиям выражения (13). Третья точка изгиба рабочей характеристики определяется относительно уставки срабатывания
дифференциальной отсечки.
Оценка чувствительности защиты осуществляется применительно к расчетным условиям опробования (включения
ФПТ) от сети 500 кВ или от сети 220 кВ:
Из анализа расчетных выражений определения минимального тока срабатывания, коэффициентов торможения «чувствительной» ступени дифференциальной защиты следует
немаловажный вывод о том, что при крайних (1-м и 17-м)
положениях переключающего ответвления РО устройства
эквивалентные регулирующие эффекты по напряжению
ΔUВО и ΔUРО определяются только внешним (по отношению
к ВДТ) регулированием напряжения на АТ. Как следствие, в
этих схемно-режимных условиях работы ФПТ первая ступень
дифференциальной защиты будет обладать лучшей (большей)
чувствительностью, поскольку ее параметры срабатывания
I*СЗ min, kторм 1 и kторм 2 будут иметь меньшие (по сравнению с
расчетом для среднего положения РПН) значения.
МЕТОДИКА ВЫБОРА УСТАВОК ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ ФПТ
Ранее отмечалось, что данная защита относится к основным
и предназначена действовать при повреждении изоляции относительно земли. В зону ее действия входят: обмотка низкого напряжения АТ, компенсационная обмотка (КО), возбуждающая
обмотка ВО ВДТ, обмотка 38 кВ, соединенная в треугольник
ТСН, соединительная ошиновка перечисленных элементов с
коммутационными аппаратами (разъединители QS9, QSG9,
QS6, QSG6, QS13, QSG13 и выключатель ТСН).
Важность защиты состоит в том, что практически все повреждения сопровождаются замыканиями на землю. Поэтому
защита частично резервирует другие основные (дифференциальные) защиты ФПТ, предупреждая развитие аварий.
Защита контролирует напряжение нулевой последовательности, подаваемое с выводов разомкнутого треугольника
первичного преобразователя напряжения TV1 (рис. 3). Как
указывалось выше, особенностью схемы подключения ВДТ
является то, что повреждения относительно земли в цепях
с изолированной нейтралью воспринимаются со стороны
РО ВДТ как однофазные КЗ в зависимости от положения
переключателя. Поэтому защита дополнительно должна
осуществлять контроль тока нулевой последовательности
в цепи с помощью включенного в нейтраль ВО ВДТ трансформатора тока ТА 22 (рис. 3).
Защита имеет два параметра срабатывания U0сз, I0сз. Их
расчет заключается в следующем. U0сз отстраивается от напряжения небаланса на выходе фильтра 3U0 TV1, который
обусловливается возможным появлением напряжения нулевой
последовательности с высокой и средней стороны АТ при однофазных и двухфазных КЗ с землей и наличием в напряжении
Uнн составляющей тройной частоты U3f:
где 3U*0нб – величина напряжения небаланса, о. е.
Учитывая малые значения межобмоточной емкости АТ и U3f,
отстройка обеспечивается при 3U* 0сз = (5–12) %.
Однако напряжение нулевой последовательности на выходе
фильтра 3U0 (с выводов обмотки «разомкнутого» треугольника)
трансформатора напряжения обусловливается и путем его
трансформации со стороны РО ВДТ при указанных выше КЗ
относительно земли на стороне ВН и СН автотрансформатора
и ненулевом положении переключателя РО ВДТ. В этом случае,
учитывая оригинальность подключения РО ВДТ (последовательно), 3U0 на выходе фильтра TV1 может принимать значения,
близкие к номинальным.
Для cогласования действия защит от замыканий относительно
земли, необходимо отстроить их по времени срабатывания друг
от друга и введением взаимных блокировок по логическому входу. Так, первые ступени токовой направленной защиты нулевой
последовательности (ТНЗНП) автотрансформатора блокируют
по логическому (дискретному) входу описанную выше защиту
от замыканий на землю со стороны НН АТ (контроль 3U0), реализуя тем самым логическую селективность. В последней также
необходимо предусмотреть Δtсз = (0,5–1,0) с.
Кроме того, ток срабатывания I0сз отстраивается от тока небаланса в нейтрали ВО при внешних КЗ со стороны ВН и СН
автотрансформатора:
I*0сз  I*N нб, (21)
где I*N нб – относительное значение тока небаланса, контролируемое от трансформатора тока ТА 22 в нейтрали ВО ВДТ, о. е.
Междуфазные КЗ со стороны НН автотрансформатора
(включая сюда ВДТ и трансформатор собственных нужд) устраняются дифференциальной защитой АТ и дифференциальной
защитой ошиновки НН.
ВЫВОДЫ
1. Выявлены особенности повреждений фазоповоротного
трансформатора в цепях его низшего напряжения 38,5 кВ.
Установлено, что дифференциальная защита будет нечувствительна к замыканиям на землю со стороны возбуждающей обмотки при нулевом положении избирателя отпаек
регулировочной обмотки. Для устранения этого недостатка
система защиты фазоповоротного трансформатора должна
быть дополнена защитой от замыканий на землю в цепи
низшего напряжения 38,5 кВ с контролем напряжения и
тока нулевой последовательности.
2. Предложена методика расчета параметров срабатывания
дифференциальной защиты вольтодобавочного трансформатора, учитывающая особенности подключения его обмоток и влияние его регулирующих эффектов по напряжению
на чувствительность защиты.
3. Предложена концепция создания системы релейной защиты
фазоповоротного комплекса. Такой принцип построения
системы защиты позволяет обеспечить необходимую чувствительность и селективность с учетом схемно-режимных
условий работы фазоповоротного трансформатора.
| 
|
