устройство для защиты трансформатора, подключенного к линии электропередачи через отделитель

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА, ПОДКЛЮЧЕННОГО К ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ ОТДЕЛИТЕЛЬ, содержащее блок защиты трансформатора, выход которого подключен к цепи включения короткозамыкателя, включенного между выводами высшего напряжения трансформатора последовательно с бетэловыми резисторами и землей, резисторы собраны в установку из m параллельных ветвей по K последовательно включенных резисторов в каждой ветви, выявительный блок, включающий измерительные трансформаторы тока и напряжения, последовательно соединенные первые реле активной мощности с замыкающим контактом и реле тока, первое промежуточное реле с замыкающим контактом, входы первого реле активной мощности подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения первой фазы, при этом к первому полюсу источника оперативного тока подключены последовательно соединенные обмотка первого промежуточного реле и замыкающий контакт реле активной мощности, последовательно соединенные блок индикации и исполнительный элемент, выход которого предназначен для подключения к цепям отключения выключателя линии, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в сетях с изолированной нейтралью, короткозамыкатель выполнен двухполюсным, в выявительный блок дополнительно введены последовательно соединенные вторые реле активной мощности с замыкающим контактом и реле тока с размыкающим контактом, размыкающий контакт первого реле тока, второе и третье промежуточные реле с двумя размыкающими контактами каждое, два замыкающих контакта первого промежуточного реле, реле напряжения обратной последовательности с замыкающим контактом, при этом входы второго реле активной мощности подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения второй фазы, к вторичным обмоткам трансформатора напряжения подключены входы реле напряжения обратной последовательности, замыкающий контакт которого первым выводом подключен к второму полюсу источника оперативного тока, второй вывод которого подключен к первым выводам размыкающих контактов первого и второго реле тока, вторые выводы которых подключены к первым выводам замыкающих контактов соответственно первого и второго реле активной мощности, второй вывод замыкающего контакта второго реле активной мощности через обмотку второго промежуточного реле подключен к первому полюсу источника оперативного тока, между полюсами которого включены последовательно соединенные первые замыкающие контакты первого и второго промежуточных реле и обмотка третьего промежуточного реле, между вторым полюсом источника оперативного тока и соответствующими входами блока индикации включены три цепочки, первая из которых включает последовательно соединенные вторые замыкающие контакты первого и второго промежуточных реле, вторая цепочка - последовательно соединенные третий замыкающий контакт второго и первый размыкающий контакт третьего промежуточных реле, третья цепочка - последовательно соединенные третий замыкающий контакт первого и второй размыкающий контакт третьего промежуточных реле, при этом сопротивление R резисторной установки определено из выражения

R (0,6U²_ном)/S_тi

где U_ном - номинальное напряжение сети;

S_Ti - мощность защищаемого i-го трансформатора;

n - число трансформаторов, питаемых от линии электропередачи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к схемам защиты от аварий, осуществляющим автоматические коммутации в случае недопустимых отклонений от нормальных рабочих параметров токов и напряжений в сети и элементах распредустройств.

Известны схемы коммутации подстанций 35. . . 220 кВ на ответвлениях питающих линий, выполняемые без выключателей со стороны высшего напряжения понижающих трансформаторов (Кожин А. Н. , Рубинчик В. А. Релейная защита линий с ответвлениями. М. : Энергия, 1967). В случаях повреждений трансформаторов или резервирования отказа выключателей на стороне низкого напряжения выдается сигнал для коммутации короткозамыкателем искусственного короткого замыкания (ИКЗ) на стороне высокого напряжения. Большой ток ИКЗ надежно фиксируется релейной защитой питающей линии и отключается линейным выключателем. В бестоковую паузу аварийный трансформатор отключается отделителем от питающей линии, которая снова может быть включена выключателем под напряжение.

В условиях интенсивного развития сетей и роста уровней токов КЗ такие схемы обладают рядом существенных недостатков. ИКЗ вызывают тяжелые условия работы линейных выключателей питающих линий, классифицируемые по ГОСТ 687-78 как отключение неудаленных КЗ с опасными параметрами переходных восстанавливающихся напряжений даже при отключаемых токах ниже I_о.ном, так называемый "километрический" эффект. Воздействия больших токов ИКЗ приводят к потере механической (радиальной и осевой) стойкости витков обмоток силовых трансформаторов и автотрансформаторов питающих подстанций. Глубокие посадки напряжения в сети при ИКЗ могут вызвать у потребителей, питающихся от соседних с аварийной подстанций, длительные нарушения технологических процессов, связанные с нарушениями устойчивости синхронных приводных двигателей. В районах с высоким удельным сопротивлением грунта при глухих ИКЗ трудно обеспечить требуемую надежность и безопасность заземляющих устройств.

Известно устройство для защиты трансформатора без выключателя со стороны высшего напряжения (авт. св. N 917248, кл. Н 02 Н 3/08, Н 02 Н 7/04, 1982). В нем для ограничения токов ИКЗ на землю в цепь коммутирующего аппарата (или короткозамыкателя) включается нелинейный резистор, а релейная защита питающей линии выполняется реагирующей на гармонические составляющие в токе ИКЗ.

Недостатки этого устройства характеризуются следующими очевидными фактами. Во-первых, питающие линии необходимо оснастить специальными защитами, настройка которых зависит от нелинейных характеристик резистора. Во-вторых, необходимо иметь такие резисторы и доказать надежность их работы в режиме ИКЗ демонстрацией их ресурсно-пропускной способности, зависящей от длительности ИКЗ, числа их коммутаций за срок службы и изменяющегося в связи с нелинейностью токового воздействия на них. Известные бетэловые резисторы энергетического назначения нелинейностью не обладают.

Известно также устройство, содержащее бетэловый резистор, последовательно соединенный с короткозамыкателем, и специальный выявительный блок, обеспечивающий быстрое отключение аварийного присоединения со сниженным до безопасной величины током ИКЗ (авт. св. СССР N 1032515, кл. Н 02 Н 7/04, 1983).

Существенным недостатком этого устройства является необходимость разработки нестандартной быстродействующей и селективной защиты питающей линии, выполняемой на широкоассортиментной элементной базе, включающей датчики тока и напряжения на пик-трансформаторах специального изготовления, тиристоры, стабилитроны, поляризованные реле и пр. Защита имеет достаточную сложную схему, требующую специальной настройки. Трудность практической реализации этого устройства, а тем более его унификации и широкого применения в различных сетях заключается в отсутствии методики или рекомендаций по выбору сопротивлений резисторов, обеспечивающих токоограничение.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для защиты трансформатора, подключенного к линии электропередачи через отделитель, содержащее блок защиты трансформатора, выход которого подключен к цепи включения короткозамыкателя, включенного между выводами высшего напряжения трансформатора последовательно с бетэловыми резисторами и землей, причем резисторы собраны из m параллельных ветвей по К последовательно включенных резисторов каждой ветви, выявительный блок, включающий измерительные трансформаторы тока и напряжения, последовательно соединенные реле активной мощности с замыкающими контактами и реле тока, промежуточное реле с замыкающим контактом, при этом входы реле активной мощности подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения "особой" фазы, в которой установлен короткозамыкатель с резисторной установкой, к первому полюсу источника оперативного тока подключены последовательно соединенные обмотка промежуточного реле и замыкающий контакт реле активной мощности, последовательно соединенные блок индикации и исполнительный элемент, выход которого предназначен для подключения к цепям отключения выключателя линии (авт. св. N 1700624, кл. Н 02 Н 7/04, 1989).

Общим недостатком рассмотренных устройств является их применимость только в сетях с эффективно заземленной нейтралью с U_ном 110 кВ, так как их выявительные блоки настраиваются на токи или их составляющие нулевой последовательности при коммутации короткозамыкателей и резисторов между фазой и землей.

Необходимость применения устройств защиты трансформаторов в сетях среднего напряжения определяется существенным ростом уровней токов КЗ. Так, в сетях 35 кВ, в которых большинство линейных выключателей имеют I_о.ном 16,5. . . 25 кА, максимальные токи КЗ достигают 30. . . 40 кА. В сетях широко используются упрощенные подстанции без выключателей на стороне высокого напряжения трансформаторов, создающие дополнительный поток опасных для силового оборудования КЗ. Только в отличие от сетей 110. . . 220 кВ коммутация больших токов ИКЗ достигается включением двухполюсных короткозамыкателей, обеспечивающих двухфазные ИКЗ. Если в сетях с U_ном 110 кВ эффективным средством ограничения однофазных ИКЗ наряду с рассмотренными устройствами является также изменение режима заземления нейтралей, то в сетях с U_ном 35 кВ токоограничивающие мероприятия имеют меньший выбор, так как их нейтрали не имеют эффективного заземления, а КЗ носят межфазный характер. К тому же коммутации двухфазных ИКЗ с глубокой посадкой напряжений в двух фазах могут приводить к еще более тяжелым ситуациям, связанным с нарушением устойчивости синхронной нагрузки, чем в сетях 110. . . 220 кВ с однофазными ИКЗ.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства в сетях среднего напряжения с изолированной или компенсированной нейтралью за счет разработки выявительного блока на штатной элементной базе и выбора согласованного с релейной защитой и параметрами сети сопротивления резисторов.

Цель в устройстве для защиты трансформатора, подключенного к линии электропередачи через отделитель, содержащем блок защиты трансформатора, выход которого подключен к цепи включения короткозамыкателя, включенного последовательно с бетэловыми резисторами между выводами высшего напряжения трансформатора и землей, причем резисторы собраны в установку из m параллельных ветвей по К последовательно включенных резисторов в каждой ветви, выявительный блок, включающий измерительные трансформаторы тока и напряжения, последовательно соединенные первые реле активной мощности с замыкающим контактом и реле тока, первое промежуточное реле с замыкающим контактом, при этом входы первого реле активной мощности подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения первой фазы, к первому полюсу источника оперативного тока подключены последовательно соединенные обмотка промежуточного реле и замыкающий контакт реле активной мощности, последовательно соединенные блок индикации и исполнительный элемент, выход которого предназначен для подключения к цепям отключения выключателя линии, достигается тем, что короткозамыкатель выполнен двухполюсным, в выявительный блок введены последовательно соединенные вторые реле активной мощности с замыкающим контактом и реле тока с размыкающим контактом, размыкающий контакт первого реле тока, второе промежуточное реле с тремя замыкающими контактами, третье промежуточное реле с двумя размыкающими контактами, два замыкающих контакта первого промежуточного реле, реле напряжения обратной последовательности с замыкающим контактом, при этом входы второго реле активной мощности подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения второй фазы, к вторичным обмоткам трансформатора напряжения подключены входы реле напряжения обратной последовательности, замыкающий контакт которого первым выводом подключен к второму полюсу источника оперативного тока, вторым выводом - к первым выводам размыкающих контактов первого и второго реле тока, вторые выводы которых подключены к первым выводам замыкающих контактов соответственно первого и второго реле активной мощности, вторые выводы которых через обмотки соответственно первого и второго промежуточных реле подключены к первому полюсу источника оперативного тока, между полюсами которого включены последовательно соединенные первые замыкающие контакты первого и второго промежуточных реле и обмотка третьего промежуточного реле, между вторым полюсом источника оперативного тока и соответствующими входами блока индикации включены три цепочки, первая из которых включает последовательно соединенные вторые замыкающие контакты первого и второго промежуточных реле, вторая цепочка - последовательно соединенные третий замыкающий контакт второго промежуточного реле и первый размыкающий контакт третьего промежуточного реле, третья цепочка - последовательно соединенные третий замыкающий контакт первого промежуточного реле и второй размыкающий контакт третьего промежуточного реле, сопротивление резисторной установки поределено как

R (0,6U²_ном)/S_тi где U_ном - номинальное напряжение сети;

S_Ti - мощность защищаемого i-го трансформатора;

n - число трансформаторов, питаемых от линии электропередачи.

На фиг. 1 дана принципиальная электрическая схема заявляемого устройства для защиты трансформатора; на фиг. 2 и 3 приведены вторичные цепи питания по току и напряжению используемых в выявительном блоке реле; на фиг. 4 показана принципиальная схема оперативного тока выявительного блока с выделением отдельных функциональных блоков и их логических связей при фиксации ИКЗ через БРУ.

Устройство дл защиты трансформатора 1, подключенного через отделитель к линии 2 электропередачи, в сети с изолированной нейтралью (фиг. 1), содержит резисторы 3, включенные последовательно в цепи обоих полюсов двухполюсного короткозамыкателя 4, коммутирующего по сигналу защиты 5, трансформатора 1 межфазное КЗ, и выявительный блок 6 релейной защиты, имеющий измерительные трансформаторы тока 7 и напряжения 8, и содержащий последовательно соединенные селективный блок 9, блок 10 отстойки, блок 11 индикации и исполнительный элемент 12, выдающий сигнал на срабатывание в цепи отключения выключателя 13. Все функциональные блоки релейной защиты выполнены на типовой элементной базе, что облегчает настройку и эксплуатацию выявительного блока и, конечном счете, повышает надежность его работы.

Работу устройства рассмотрим на примере наиболее сложной схемы сети с тремя защищаемыми трансформаторами (или тремя подстанциями ПС1. . . 3) на отпайках от линии электропередачи. Для обеспечения надежной селективной работы выявительного блока 6 при ИКЗ через БРУ одинакового сопротивления на разных ПС применяется фиксированная по фазам схема коммутации короткозамыкателями межфазных КЗ: фазе А-В на ПС1, фазе В-С на ПС2, фазе А-С на ПСЗ. Далее для решения поставленной задачи селективный блок 9 выполняется на двух фазных реле 14 и 15 активной мощности, цепи которых питаются от вторичных обмоток трансформаторов 16 и 17 тока, устанавливаемых в двух фазах А и С (фиг. 2) в соответствии с ПУЭ для сетей 6-35 кВ.

Цепи напряжения реле 14 и 15 подключены к вторичным фазным напряжениям U_a и U_c трансформатора напряжения (фиг. 3). Реле 14 и 15 отстраиваются от максимальной фазной активной мощности Р_макс, проходящей в месте установки защиты и определяемой суммарной мощностью питаемой нагрузки:

P_макс= P_нi= K_пcos_н1/3 S_тi, (1) где S_Ti - номинальная мощность i-го понижающего трансформатора нагрузочной подстанции, питаемого от линии 2 электропередачи; К_п = 1,4 - коэффициент перегрузки трансформатора; cos _H = 0,9.

Уставка срабатывания этих реле выбирается из условий Р_с = К_от Р_макс (2) Р_с = Р_мин / K_r (3) где К_от = 1,3 - коэффициент отстройки реле мощности; К_r 1,5 - коэффициент чувствительности; Р_мин - минимальная величина активной мощности в фазах, при коммутации на них ИКЗ через резисторы.

Блок 10 отстройки содержит два фазных токовых реле 18 и 19, питаемых от вторичных обмоток трансформаторов 16 и 17 тока (фиг. 2) и реле 20 напряжения обратной последовательности, подключенного на вторичные фазные напряжения U_a, U_b, U_c трансформатора напряжения (фиг. 3).

Блок 10 обеспечивает отстройку от двух режимов: самозапуска электродвигателей и многофазных КЗ в питающей линии 2.

Для отстройки от первого режима применяется реле напряжения обратной последовательности, уставка срабатывания которого определяется как U_2c = 0,06 U_ком (4)

По данным экспериментов и оценке эксплуатации при таком напряжении срабатывания обеспечивается отстройка от напряжения небаланса в расчетном (нагрузочном) режиме.

Коэффициент чувствительности реле 20 определяется как К_r = U_2з.мин / U_2с 1,5 (5) где U_2змин - междуфазное напряжение обратной последовательности в месте установки защиты при замыкании двух полюсов короткозамыкателя через резисторы в режиме, обеспечивающем наименьшее значение этого напряжения (Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 13 Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ. Расчеты. М. : Энергоатомиздат, 1985).

Для отстройки от второго режима многофазных КЗ на линии 2 применяются два токовых реле 18 и 19, уставка срабатывания которых определяется как I_{с отс} = К_н I_к⁽²⁾ (6) где I_к⁽²⁾ - установившееся значение тока в месте установки релейной защиты линии 2 при двухфазном КЗ на стороне НН трансформатора отпайки с наибольшей мощностью, S_т; К_н = 1,3 - коэффициент надежности.

В блоке 11 индикации используются три указательных реле 21, 22, 23, которые срабатывают при прохождении сигнала по цепям взаимоблокировки, собранных на контактах 25-31 промежуточных реле 32, 33, 34 в селективном блоке 9 (фиг. 4). В качестве исполнительного элемента 12, используется промежуточное реле 35, выдающее сигнал на срабатывание в цепи отключения выключателя 13.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу защиты 5 трансформатора 1 двухполюсный короткозамыкатель 4 замыкает разноименные фазы на стороне высшего напряжения трансформатора через резисторы 3. Величина сопротивления резисторов для обеспечения требуемой чувствительности блока 10 должна быть выбрана из расчета надежного срабатывания реле 14 и 15 в соответствии с условиями 2 и 3. Необходимо подчеркнуть, что проблема ограничения токов КЗ актуальна только в мощных схемах, для которых характерно соотношение между сопротивлениями питающей системы (Х_с) и линии электропередачи (Х_л ) до защищаемого трансформатора (Х_т) в виде условия Х_т >> Х_л, Х_с (7)

Выбирают сопротивления резисторов из условия R > > Х_л, Х_с (8)

Принимая с учетом условий (7) и (8), что напряжение на полюсах коммутируемого короткозамыкателя даже при одновременных двухфазных или трехфазных КЗ на стороне низкого напряжения защищаемого трансформатора остается практически неизменным и равным U_ном, определяют величину Р_миндля условия (3) как Р_мин = U_ном² / 2R (9)

Решая выражение (9) совместно с условиями (1) - (3), определяют, что для обеспечения требуемой чувствительности выявительного блока сопротивление резисторов следует выбирать из условия

R (0,6U²_ном)/S_тi (10)

При питании отпаек с однотипными трансформаторами, общим числом n с учетом выражения мощности трансформатора S_т через его сопротивление X_т= U_к/100U²_ном/S_т , где U_к - паспортное значение напряжения КЗ, формула (10) принимает вид

R 6 Х_т / n.

При установке устройства на трех подстанциях (ПС1-3) селективная индикация (блок 11) местоположения ИКЗ через резисторы, а значит, определение аварийного присоединения обеспечиваются построением схемы взаимоблокировки с помощью промежуточных реле 32, 33, 34.

В таблице показана схема работы селективного блока 9 и блока 11 индикации. Как видно из таблицы и фиг. 4, в наиболее сложном случае ИКЗ на ПСЗ, когда срабатывают оба реле 32 и 33, их контакты 24 и 27 обеспечивают срабатывание реле 34, которые контактами 30 и 31 блокирует срабатывание указательных реле 21 и 22 и тем самым обеспечивает отсутствие сигнала об ИКЗ на табло для ПС1 и 2.

В цепи выдачи сигнала из селективного блока 9 об ИКЗ через резисторы включаются блокирующие контакты 36, 37, 38 соответственно реле 20, 18, 19, входящие в состав блока 10 отстройки.

Сигнал с выхода блока 11 индикации попадает на исполнительный элемент, в качестве которого служит промежуточное реле 35, обеспечивающее выдачу сигнала на отключение выключателя 13, локализующего аварийное присоединение.

В схеме с одним трансформатором работа выявительного блока 6 упрощается. По сигналу защиты 5 трансформатора 1 коммутируется двухполюсный короткозамыкатель 4 (например, в фазах А-В на фиг. 1). В выявительном блоке сигнал после прохождения блока 10 отстройки (его работа описана выше) обеспечивает срабатывание реле 14, которое своими контактами 39 запитывает реле 32. Срабатывая, это реле своими контактами 26 через нормально замкнутые контакты 31 обеспечивает работу реле 21, блока 11 индикации, сигнализирующего о коммутации ИКЗ, и реле 35, являющееся исполнительным элементом, выдающим сигнал на срабатывание в цепи отключения выключателя 13. (56) Кожин А. Н. Релейная защита линий с ответвлениями. М. : Энергия, 1967.

Авторское свидетельство СССР N 1700624, кл. Н 02 Н 7/04, 1989.