Релейная защита

В последнее время увеличилось число случаев выхода из строя силовых трансформаторов в связи с естественным старением изоляции обмоток и несанкционированным сливом масла из бака трансформатора, в результате чего происходят необратимые процессы в изоляции обмоток.
Периодическое проведение технического обслуживания и ремонта, диагностика, испытание трансформаторов на их пригодность к дальнейшей эксплуатации не исключают возможности возникновения повреждения, считают наши украинские авторы. Для минимизации повреждений они предлагают свой способ построения релейной защиты трансформатора.

Альфред Манилов, инженер, ПТИ «Киеворгбуд»	Анна Новичкова, инженер, ООО «Высоковольтный союз – Украина»
г. Киев, Украина

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРА
Применение дифференциальной логической защиты обратной последовательности без выдержки времени

Опыт эксплуатации показывает, что повышение чувствительности защиты трансформатора обеспечивает эффект экономии за счет ограничения объема разрушения в трансформаторе в пределах одной-двух катушек, соответственно снижения затрат на его ремонт, повышения пожаробезопасности и надежности электроснабжения.
Токовая отсечка без выдержки времени, в зону срабатывания которой входит 60–70% обмотки, недостаточно эффективна для ограничения объема и степени повреждения трансформатора, так как она реагирует на большие токи КЗ и не действует при витковых замыканиях. Согласно расчетам, значения токов при витковых замыканиях изменяются в широких пределах и зависят от числа замкнувшихся витков. При небольшом количестве замкнувшихся витков относительно общего числа витков обмотки ток повреждения может быть меньше номинального тока трансформатора [1].

Увеличение чувствительности защиты трансформатора от внутренних КЗ является актуальной задачей.

ТРЕБОВАНИЕ ДУБЛИРОВАНИЯ

Применение цифровых устройств для защиты трансформатора вместо традиционных защит на электромеханической элементной базе сегодня является всеобщей мировой тенденцией. При этом опыт эксплуатации микропроцессорных (МП) устройств релейной защиты позволяет не только оценить их преимущества, но и выявить серьезные недостатки.

Одним из основных недостатков цифровых терминалов защит является влияние на их работу электромагнитных возмущений. Уровень индустриальных помех, которые неизбежно влияют на правильность функционирования защит, высок и постоянно растет. Это существенно снижает соотношение «полезный сигнал – помеха», во многом определяющее чувствительность цифровых терминалов.

Процессы в энергосистемах настолько сложны, что дублирование или резервирование МП-устройств релейной защитой на электромеханической элементной базе вполне оправдано. Бессмысленно дублировать или резервировать дифференциальную защиту трансформатора (ДЗТ) аналогичными защитами, поскольку при возмущениях в сети во время переходных процессов эти защиты будут вести себя одинаково. Работа устройства защиты на другом проверенном принципе повысит устойчивость релейной защиты. Поэтому резервирование и дублирование ДЗТ, выполненных на МП-устройствах, должно осуществляться защитой, выполненной на электромеханической элементной базе.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Для повышения надежности функционирования и чувствительности защиты представляется целесообразным применять дифференциальную логическую защиту обратной последовательности, которая действует при несимметричных КЗ в трансформаторе. Для ее осуществления необходимо использовать устройство для фильтра токов обратной последовательности трехфазной электрической установки, выполненное при помощи одного дифференциального реле серии РНТ [2]. Фильтр фиксирует ток обратной последовательности и не реагирует на трехфазные короткие замыкания и токи перегрузки.

Применение ДЗТ с устройством для фильтра токов обратной последовательности, выполненным с реле серии РНТ вместо реле мощности обратной последовательности, дает возможность существенно уменьшить ток срабатывания защиты по условию отстройки от тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение, а также при его восстановлении после отключения КЗ, так как его ток обратной последовательности значительно меньше, чем ток прямой последовательности (рис. 1).

Рис. 1. Токи прямой (а), обратной (б) и нулевой (в) последовательности при включении трансформатора ТДН-10000/110 в режиме холостого хода

Ток намагничивания имеет несимметричную форму кривой и поэтому плохо трансформируется через быстронасыщающийся трансформатор реле РНТ. Трехфазные КЗ внутри трансформатора маловероятны из-за большой прочности межфазной изоляции. Дифференциальное реле KAZ подключается к трансформаторам тока ТА1 и ТА2 со стороны высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН) трансформатора. Реле мощности KW1 и реле тока КА1 и КА2 подключаются к трансформатору тока ТА3 со стороны НН (рис. 2). При отсутствии резервной обмотки трансформатора тока со стороны НН указанные реле подключаются последовательно с дифференциальным реле KAZ.

Рис. 2. Дифференциальная логическая защита обратной последовательности трансформатора

Автотрансформаторы ВУ1–ВУ3 служат для выравнивания вторичных токов трансформаторов тока.

При несимметричном КЗ в трансформаторе срабатывают реле KAZ и KW1. Реле KW1 срабатывает при подпитке места КЗ электродвигателями. После замыкания контактов реле KAZ и KW1 срабатывает реле KL1, контакты которого действуют на отключение трансформатора. При отсутствии тока подпитки замыкаются контакты реле KА1 и КА2 в цепи реле KL1. Для обеспечения действия защиты от начального значения тока в условиях несимметричного КЗ (которое может перейти в маловероятное трехфазное КЗ) реле KL1 работает с замедлением при возврате.

При трехфазном КЗ повреждение отключается газовой защитой и токовыми защитами.

При включении трансформатора в режиме холостого хода на повреждение в трансформаторе реле КW1 не срабатывает. Однако в замкнутом состоянии находятся контакты реле КА1 и КА2, а также контакты выключателя Q2 на стороне НН. После замыкания контактов реле КAZ сработает реле KL1 с действием на отключение трансформатора. При несимметричных внеш-них КЗ на стороне НН защита не действует, так как реле KW1 не срабатывает. При несимметричных внешних КЗ на стороне ВН защита также не действует, так как реле KAZ не срабатывает.

РАСЧЕТЫ

Первичный ток срабатывания обратной последовательности реле KAZ выбирается по условию отстройки от тока обратной последовательности, обусловленного несимметрией при включении трансформатора в режиме холостого хода и при подпитке электродвигателями КЗ на стороне ВН:

где К_ОТС – коэффициент отстройки (К_ОТС = 1,2);
I_НЕС – ток несимметрии обратной последовательности.
Ток срабатывания реле определяется по выражению:

, (2)

где К_СХ – коэффициент схемы соединения трансформаторов тока (принимается, что К_СХ = 1,73);
К_ТТ – коэффициент трансформации трансформаторов тока со стороны ВН.

Число витков уравнительной и дифференциальной обмоток принимается одинаковым [2] и определяется по выражению [3]:

. (3)

Первичный ток срабатывания реле KW1 принимается равным току I2СЗ. Реле КА1 и КА2 должны быть термически устойчивыми к длительным токам нагрузки трансформатора.

Электромеханические реле защиты трансформатора обеспечивают решение всех проблем, которые должны решать устройства релейной защиты. Чувствительность к электромагнитным помехам устройств релейной защиты на микропроцессорной элементной базе на несколько порядков выше, чем у традиционных. Поэтому следует указать, что при простом параллельном соединении выходных контактов реле KL1 и МП-устройства вероятность неправильных срабатываний увеличивается, а не уменьшается.

Для обеспечения эффективной защиты от излишних срабатываний МП-устройств необходимо резко повысить уровень их электромагнитной защищенности. Только в этом случае можно применять резервирование путем включения на параллельную работу выходных контактов микропроцессорных и электромеханических реле.

ВЫВОДЫ

1. Необходимо гармонизированное сочетание микропроцессорных и электромеханических устройств. Сочетание возможностей микропроцессорных устройств и надежности электромеханических реле позволит создать максимально надежную релейную защиту.
2. Применение дифференциальной логической защиты без выдержки времени, выполненной с реле серии РНТ, дает возможность повысить устойчивость действия защиты трансформатора и чувствительность защиты к витковым замыканиям, увеличить вероятность отключения трансформатора на стадии развивающегося повреждения.

Литература

1. Засыпкин А.С. Релейная защита трансформатора. М.: Энергоатомиздат, 1989.
2. Шинкаренко С.М., Шинкаренко А.С. Устройство для фильтра токов обратной последовательности трехфазной электрической установки. Патент № 2134475. Опубликован 10.08.1999.
3. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110–500 кВ. Расчеты. М.: Энергоатомиздат, 1985.