Никитин К.И. Релейная защита систем электроснабжения. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

погрешность защиты, вызванная разницей между расчетным (обычно нецелым)

числом витков реле и установленным (целым) числом витков.

Вторым условием является отстройка от броска тока намагничивания:

ТР,НОТСЗ,С

IkI

⋅

≥ , (6.11)

где

Н,ТР

― номинальный ток трансформатора.

Из расчетных двух условий (6.7) и (6.11) выбирается наибольший ток сраба-

тывания продольной дифференциальной защиты.

Время срабатывания защиты принимается равным нулю

З,С

. (6.12)

Коэффициент чувствительности дифференциальной защиты определяется и

сравнивается с величиной, требуемой по правилам [5]:

З,C

MIN,2К

≥= , (6.13)

где

К2,МIN

― минимальный ток КЗ в точке К2 (рис. 6.3).

Особенности работы продольной дифференциальной защиты трансфор-

матора. Иногда возникающий бросок тока намагничивания силового защищаемо-

го трансформатора составляет (5…8)

Н,ТР

, а величина тока КЗ (за трансформато-

ром) ― (7…18)

Н,ТР

. Как видно, эти диапазоны перекрываются. Однако при бро-

ске тока намагничивания защита должна блокироваться, а при КЗ должна отклю-

чать трансформатор. Чтобы отличить бросок тока намагничивания от КЗ, рас-

смотрим его характер и причину возникновения. При включении трансформатора

на холостой ход или при восстановлении питания после отключения КЗ на смеж-

ном присоединении величина остаточной намагниченности может быть в проти-

вофазе поданному напряжению. В наихудшем случае (в действительности он не-

возможен) магнитная индукция в трансформаторе может достигнуть

2В

НОМ

Естественно, что при такой индукции трансформатор войдет в глубокое на-

сыщение и будет размагничиваться от нескольких периодов до нескольких десят-

ков периодов промышленной частоты. При этом в трансформаторе будет проте-

кать ток с большой апериодической составляющей с явно выраженными харак-

терными «острыми» максимумами (рис. 6.4).

Рисунок 6.4. Форма броска тока намагничивания

Бросок тока намагничивания характеризуется следующими основными при-

знаками [1]:

― одна полуволна за период (при КЗ – две);

― большая доля (до 60%) второй гармоники –

100 Гц;

― наличие апериодической составляющей тока (до 55%);

― наличие бестоковой паузы большей ½Т , около 0,01 с.

При возникновении и определении этих четырех признаков дифференциаль-

ная защита должна блокироваться, не должна действовать на отключение выклю-

чателя.

6.4 Максимальная токовая защита

Эта защита аналогична третьей ступени токовой защиты. Ток срабатывания

защиты рассчитывается по известному

раннее выражению:

ТР,Н

CЗПОТС

З,С

I ⋅

⋅

≥

. (6.14)

Время срабатывания подобно всем максимальным токовым защитам от-

страивается от предыдущей МТЗ, в данном случае ― МТЗ низкой стороны

трансформатора:

ttt

НН,З,СВН,З,С

≥

. (6.15)

Коэффициент чувствительности находится и сравнивается с требуемым по

правилам [5]

З,С

MIN,3К

≥=

. (6.16)

6.5 Защита от перегрузки

Аналогии такой защиты в защитах ЛЭП не имеется, но так как она имеет

наименьший ток срабатывания, можно сказать, что это четвертая ступень токовой

защиты. Защита срабатывает на разгрузку, а затем через выдержку времени, если

ток не станет меньше уставки защиты от перегрузки ― на отключение.

Ток срабатывания защиты рассчитывается по формуле

ТР,Н

ОТС

З,С

I ⋅≥ , (6.17)

где

ОТС

― коэффициент отстройки, k

ОТС

= 1,05.

Время срабатывания защиты выбирается больше времени максимальной то-

ковой защиты. Коэффициент чувствительности защиты не рассчитывается.

6.6 Газовая защита

Применяется на всех масляных

трансформаторах мощностью 6,3 МВА

и более. Газовое реле 1 (рис. 6.5) уста-

навливается между основным баком

трансформатора 2 и расширительным 3.

Чтобы у трансформатора был неболь-

шой уклон ― около 2%, под катки ус-

танавливают подкладку 4.

Газовое реле имеет два измери-

тельных органа (рис. 6.6) в виде двух

поплавков (возможны исполнения

газо-

вого реле с двумя чашечками или ло-

патками). Поплавки изображены для

случая, когда имеется масло, и они на-

ходятся во всплывшем состоянии.

Большой поплавок 2 (чувствительный),

срабатывает при небольших скоростях газово-масляного потока и действует на

сигнал. Малый (грубый) поплавок 3, срабатывает при больших скоростях газово-

масляного потока и действует на отключение

. Газовая защита срабатывает также

при понижении уровня масла в баке трансформатора.

Принцип действия газовой

защиты основан на том, что при по-

вреждениях внутри корпуса транс-

форматора («пожар» стали, витко-

вые замыкания, междуфазные КЗ и

замыкания обмотки на корпус), со-

провождаемых дугой, трансформа-

торное масло, при отсутствии воз-

духа, разлагается на

углерод и

водород. Углерод в виде частиц ос-

тается в масле, загрязняя его, а во-

дород в виде газово-масляных пу-

зырей через газовое реле перетекает

в расширительный бак. Скорость

протекания газово-масляного пото-

ка зависит от величины тока повре-

ждения. Чем больше ток, тем больше выделяется энергии, тем больше выделяется

объем газово-масляных пузырей, тем быстрее этот поток. В газовом реле создает-

ся турбулентный поток. Поплавки, находящиеся в нормальном состоянии в верх-

нем положении, начинают производить колебательные движения, при этом маг-

ниты 4 совмещаются с герконами 5, и последние кратковременно замыкают свои

контакты. Этого достаточно, чтобы подать команду с «самоподхватом» на сигнал

или на отключение.

Рисунок 6.5. Схема установки

газовой защиты трансформатора

Рисунок 6.6. Устройство газового реле

трансформатора: 1 ― корпус защиты;

2 ― большой поплавок, 3 ― малый

поплавок; 4 ― магниты; 5 ― герконы

Время действия защиты составляет 0,1…0,3 с, поэтому она не может быть

основной, к тому же она использует неэлектрический принцип.

Особенность работы газовой защиты. Защиту необходимо переводить из

отключения на сигнал в следующих случаях: а) при замене или доливке масла;

б) при производстве взрывных работ; в) при повторяющихся землетрясениях.

6.7 Специальная токовая защита

нулевой последовательности

с заземляющим проводом

Защита используется на

трансформаторах, работающих в

сети с глухозаземленной нейтра-

лью, и высшим напряжением

110-220 кВ. Схема подключения ТТ

и защиты изображена на рис. 6.7.

Трансформатор установлен на же-

лезобетонном фундаменте. Дейст-

вие защиты основывается на разли-

чии значений токов, проходящих

по заземляющему проводу, при

внешних КЗ

и перекрытиях на кор-

пус бака, наружных перекрытий

втулок [1].

Ток срабатывания защиты вы-

бирается из условия отстройки от

тока небаланса в нулевом проводе,

протекающего через трансформа-

тор ТА1:

02P,Т1P,ТОТСЗ,С

I3kkkI

⋅

≥ , (6.18)

где

ОТС

― коэффициент отстройки, k

ОТС

= 1,5 ― 2; k

Т,Р2

― коэффициент токо-

распределения для

в месте КЗ, k

Т,Р1

― коэффициент токораспределения, учи-

тывающий часть тока

Т,Р2

, ответвляющегося на фундамент.

Коэффициент чувствительности защиты рассчитывается по формуле

5,1

З,С

MIN,0

≥= , (6.19)

где

0,MIN

― полный ток в месте повреждения.

Время действия защиты равно

С,З

= 0,3…0,5 с. В нашей стране такая защита

используется в основном для выявления поврежденной фазы трехбаковых авто-

трансформаторов для совместного действия основных защит на устройство пожа-

ротушения одной фазы.

Рисунок 6.7. Токовая защита нулевой

последовательности с заземляющим

проводом

Рисунок 6.8. Место включения ТТ

специальной токовой защиты нулевой

последовательности

6.8 Специальная токовая защита нулевой последовательности

В некоторых сетях низкого напряжения 0,4 кВ, трудно обеспечить согласова-

ние защит, выполненных на автоматических выключателях или добиться требуе-

мой чувствительности.

В этих случаях применяется

специальная резервная токовая

защита нулевой

последовательности от КЗ на

землю на стороне

низшего

напряжения (НН). Трансформатор

тока защиты (рис. 6.7) включается

в заземляющий провод нейтрали

обмоток НН [21]. Ток

срабатывания защиты выбирается

из условия отстройки от тока

небаланса в нулевом проводе,

протекающего через

трансформатор ТА1:

НБОТСЗ,С

IkI ⋅≥ , (6.20)

где

ОТС

― коэффициент

отстройки,

ОТС

= 1,5…2; I

НБ

―

максимально допустимое

значение тока небаланса, в

соответствии с ГОСТ 11677-85

НБ

= 0,25 I

Н,ТР

для трансформаторов со схемой со-

единения Y/Y

и I

НБ

= 0,75 I

Н,ТР

для трансформаторов со схемой соединения Δ/Y

Время действия защиты минимально и равно нулю:

З,С

, (6.21)

если в сети нет других токовых защит нулевой последовательности. Если на эле-

ментах сети 0,4 кВ имеется дополнительная защита нулевой последовательности,

то для защиты нулевой последовательности на выводах время срабатывания

С,З

0,3…0,4 с

, а в нейтрали t

С,З

= 0,6…0,8 с.

При расчете коэффициента чувствительности защиты используется мини-

мальное значение тока однофазного КЗ на стороне НН трансформатора:

5,1

З,C

)1(

MIN,К

≥= . (6.22)

6.9 Схема защиты трансформатора

Схема защиты трансформатора представлена на рис. 6.9, 6.10.

Рисунок 6.9. Первичные и вторичные цепи защиты трансформатора

Вопросы для самопроверки

1. Каковы повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов?

2. Принцип действия токовой отсечки трансформатора. Расчет тока срабаты-

вания, проверка чувствительности.

3. Принцип действия продольной дифференциальной защиты трансформато-

ра. Расчет тока срабатывания, проверка чувствительности.

4. Что такое бросок тока намагничивания трансформатора?

5. Принцип действия максимальной токовой защиты трансформатора. Расчет

тока и

времени срабатывания, проверка чувствительности.

6. Принцип действия защиты от перегрузки трансформатора. Расчет тока и

времени срабатывания.

7. Принцип действия газовой защиты.

8. От каких повреждений применяется специальная токовая защита нулевой

последовательности с заземляющим проводом?

Рисунок 6.10. Цепи постоянного оперативного тока защиты

трансформатора

Рисунок 7.1. Тепловая

ха

акте

истика

вигателя

ЛЕКЦИЯ 7

7.1 Ненормальные режимы работы и повреждения электродвигателей

Особенность защиты электродвигателей заключается в том, что во время ра-

боты протекают электромеханические процессы. Электродвигатели критичны к

небольшим перегрузкам из-за компактности и малых габаритов. Вследствие по-

стоянной вибрации изоляция ускоренно стареет, а при несинхронных режимах у

синхронных электродвигателей возможна поломка вала.

Анализ повреждений электродвигателей (ЭД) указывает на возможные ненор-

мальные режимы работы и повреждения. К ненормальным режимам работы

относятся:

― перегрузка. В соответствии с МЭК допустимое время

ДОП

перегрузки

можно рассчитать по формуле

ДОП

−

, (7.1)

где

ДВ,Н

ПР

*I =

, I

ПР

― ток перегрузки,

Н,ДВ

– номинальный ток двигателя,

А ― тепловая постоянная (для мощных

машин А=250, для остальных А=150);

― понижения напряжения. Для

неответственных потребителей

допускается снижение напряжения до

(0,65…0,75)Uном, а для ответственных ― до 0,5Uном, а при дальнейшем сниже-

нии надо отключать асинхронный двигатель (так как при снижении напряжения

увеличивается ток);

― несимметрия возникает в результате неодинаковой фазной нагрузки сети,

происходит перекос питающего напряжения. При работе двигателя от несиммет-

ричного напряжения возникает обратная последовательность, которая ведет к на-

греву статора и ротора. Рекомендуют [1] отключать двигатель

при I

≥

0,1I

Н,ДВ

. К

ненормальному режиму причисляется обрыв фазы. Двигатель может быстро пере-

греться и повредиться, если не отключить при возникновении такого режима (в

этом случае

=0,5

⋅

К повреждениям относятся:

― междуфазные КЗ ― двух- (К

(2)

) и трехфазные (К

(3)

), сопровождаются

сверхтоками, из-за чего происходят необратимые процессы ― выгорание изоля-

ции, оплавление обмоток, их деформации в лобовых частях и т. д.;

― однофазное замыкание обмотки К

(З)

статора на землю или на корпус мо-

жет происходить у двигателей, работающих в сетях с изолированной нейтралью

или заземленной через дугогасящий реактор (для сетей с напряжениями 3, 6, 10

кВ). При таком повреждении к фазной изоляции прикладывается линейное на-

пряжение. Как известно, в процессе эксплуатации изоляция стареет, поэтому ве-

лика вероятность электрического пробоя

изоляции и возникновения двойного за-

мыкания на землю. Из-за горения дуги возможно также сваривание магнитопро-

вода;

― однофазное КЗ К

(1)

в сети с заземленной нейтралью (с напряжениями 0,4

кВ или 0,66 кВ) сопровождается сверхтоком, из-за чего происходит выгорание

изоляции, расплавление обмоток и т. д;

― витковое замыкание в обмотке сопровождается местным нагревом ко-

роткозамкнутого витка с дальнейшим повреждением изоляции и перерастанием в

междуфазные КЗ [23, 24];

― замыкание обмотки ротора на землю в

общем случае не считается опас-

ным, и двигатель в таком режиме может работать сколь угодно долго, если не

считать, что повышается вероятность двойного замыкания на землю, которое не-

обходимо отключать без выдержки времени;

― обрыв одной фазы двигателя сопровождается большими токами обрат-

ной последовательности, возникновением двойной частоты ротора, нагревом маг-

нитопровода и обмоток двигателя;

― исчезновение напряжения возбуждения у синхронных машин. Двига-

тель работает в асинхронном режиме [25];

― асинхронный ход синхронной машины возможен при перегрузке и поте-

ре устойчивости. В этом режиме ротор вращается медленнее поля статора, возни-

кают пульсирующие токи, сравнимые с пусковыми и токами КЗ;

― разрыв стержня ротора

(для асинхронного двигателя с короткозамкну-

тым ротором). Возникает перерасход электрической энергии, при расширении по-

вреждения и нарушении контактов всей обмотки – останов ЭД;

― эксцентриситет ― смещение оси ротора относительно статора. Чаще все-

го это повреждение возникает у высоковольтных двигателей, когда смещаются

подшипники вала, и ротор может при вращении в наихудшем

случае задевать ста-

тор.

7.2 Токовая отсечка

Применяется на блоке «линия ― ЭД» (рис. 7.2) мощностью до 4000 кВт.

Рисунок 7.2. Токовая отсечка электродвигателя

Проводя аналогию с ЛЭП, защита также отстраивается от максимального

тока КЗ в конце защищаемого участка, можно сказать, что нулевые выводы ЭД

всегда замкнуты, а максимальный ток ― пусковой ток

. В связи с вышесказан-

ным ток срабатывания защиты отстраивается от максимального пускового тока

ЭД и соответствует формуле

ПОТСЗ,С

IkI

⋅

≥ , (7.2)

где

ОТС

― коэффициент отстройки.

Время срабатывания защиты принимается равным нулю

З,С

. (7.3)

Коэффициент чувствительности оценивается по выражению

З,C

MIN,1К

≥= , (7.4)

где

К1,МIN

― минимальный ток КЗ в точке К1 (рис.7.2).

7.3 Продольная дифференциальная отсечка

Применяется на ЭД с мощностью более 4000 кВт; однако защита может уста-

навливаться на двигателях меньшей мощности, если чувствительность отсечки не

соответствует [5]. Принцип действия продольной дифференциальной защиты ЭД

и ее схема подобны продольной дифференциальной защите трансформатора,

(рис. 7.3).

Ток срабатывания

защиты определяется [25] по выражению:

ДВ,НПНБЗ,С

IkII

⋅

≥

∗

(7.5)

где

∗

НБ

I ― ток небаланса в относительных единицах, по сути коэффициент не-

баланса,

∗

НБ

I = 0,1…0,5; k

― коэффициент пуска, I

Н,ДВ

― номинальный ток

двигателя.

Рисунок 7.3. Продольная дифференциальная защита электродвигателя

Время срабатывания защиты принимается равным нулю:

З,С

. (7.6)

Коэффициент чувствительности оценивается по выражению