6.3.5 Защита от замыканий на землю

Защита выполняется с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности кабельного (ТПН) или шинного (ТНПШ) типа, сердечники которых охватывают все три фазы; трансформаторы устанавливают между генератором и его выключателем. Ток нулевой последовательности в первичной обмотке трансформатора нулевой последовательности зависит от месторасположения точки замыкания на землю. При замыканиях во внешней сети (например, в точке К1 на Рис. 6.16) через трансформатор нулевой последовательности проходит емкостный ток генератора I_с,г, а при замыкании па выводах генератора (в точке К2) – разность между полным емкостным током сети генераторного напряжения и емкостным током генератора, т. е.

причем

I_cг = 3U_фωС_Σ,

и

I_сг = 3U_фωС_г,

г де С_Σ  емкость фазы сети генераторного напряжения; С_г  емкость фазы статорной обмотки генератора.

В случаях разветвленной кабельной сети I_c∑ >> I_сг. При этом условии удается выполнить эффективную защиту генератора от замыканий на землю, которая не действует при внешних замыканиях на землю и при внешних междуфазных КЗ и в то же время достаточно чувствительна к замыканиям в генераторе.

Следует отметить, что защита генератора от замыканий на землю имеет мертвую зону вблизи нейтрали генератора. Это объясняется тем, что ток замыкания пропорционален доле замкнувшихся витков.

6.4 Защиты трансформаторов

6.4.1 Повреждения и анормальные режимы трансформаторов

В трансформаторах могут иметь место следующие повреждения:

• междуфазные КЗ внутри бака и на вводах;

• замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания);

• замыкания на землю обмоток;

• перекрытие изоляции вводов;

• утечка масла из бака.

Аварийная статистика показывает, что наиболее часто происходят витковые замыкания и короткие замыкания на вводах.

К анормальным режимам трансформаторов относят:

• работу со сверхтоками при внешних КЗ и при качаниях в энергосистеме;

• перегрузки, вызванные самозапуском двигателей, подключением дополнительной нагрузки при работе устройств автоматического включения резерва, а также толчкообразной и ударной нагрузками;

• повышение напряжения на выводах. Оно вызывает возрастание намагничивающего и вихревых токов трансформатора. Следствием такого режима может быть перегрев обмоток и сердечника трансформатора, повреждение изоляции и «пожар железа» сердечника. Повышения напряжения могут возникнуть, например, в сетях напряжением 330  750 кВ при одностороннем отключении длинных электрических линий, обладающих значительной распределенной емкостью.

6.4.2 Дифференциальная защита

Дифференциальная защита является основной защитой мощных силовых трансформаторов от внутренних повреждений. Она работает при коротких замыканиях внутри зоны, ограниченной двумя комплектами трансформаторов тока, и не имеет выдержки времени. Защита может выполняться как дифференциальная отсечка или как дифференциальная защита. В последнем случае она выполняется с быстронасыщающимися трансформаторами ТLА или с реле с торможением. Защита с быстронасыщающимися трансформаторами получила наибольшее распространение из-за повышенной чувствительности при достаточном быстродействии.

С хема дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора с соединением обмоток Yo/Δ показана на Рис. 6.17.

Рис. 6.17. Схема дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора:

а  принципиальная; б  развернутая

Дифференциальная защита трансформаторов имеет некоторые особенности по сравнению с дифференциальной защитой генераторов. Это обусловлено рядом причин: токи на сторонах высшего и низшего напряжений трансформатора различны как по значению, так и по фазе (сдвиг фазы зависит от схемы и группы соединения трансформатора);

включения и отключения трансформатора сопровождаются значительными бросками намагничивающего тока с большой, медленно затухающей апериодической составляющей; комплекты трансформаторов тока находятся на значительном удалении друг от друга и от места установки защиты (от панели релейной защиты).

Обычно обмотки силовых трансформаторов соединены по схеме Yo/Δ. При этом компенсация углового сдвига между вторичными токами трансформаторов тока, установленных с разных сторон силового трансформатора, обеспечивается соответствующей схемой соединения вторичных обмоток трансформаторов тока: у трансформаторов тока, расположенных со стороны звезды силового трансформатора, вторичные обмотки соединяют в треугольник, а со стороны треугольника – в звезду. Соединение в треугольник одного комплекта трансформаторов тока (Рис. 6.17) позволяет, кроме того, исключить возможность ложной работы защиты при внешних коротких замыканиях на землю. Схема соединений трансформаторов тока в треугольник должна в точности соответствовать схеме соединения в треугольник обмоток низшего напряжения силового трансформатора, а схема соединения трансформаторов тока в звезду должна быть такой же, как и обмотки высшего напряжения трансформатора.

Многие силовые трансформаторы имеют ответвления для регулирования коэффициента трансформации в отключенном положении в пределах ± 5 или ± 2Х2,5 %. У трансформаторов со специальными устройствами РПН (регулирование под нагрузкой) возможно изменение коэффициента трансформации в пределах Δn_т= ± 9  16 %. Естественно, что защита не должна работать не только при внешних КЗ, но и при регулировании коэффициента трансформации силового трансформатора, поэтому ток срабатывания защиты отстраивают от максимального тока небаланса при внешних КЗ с учетом возможности изменения коэффициента трансформации силового трансформатора:

I_с,з > I_нб,т,т+I_нб,рег = k_однεI_kmax⁽³⁾ + Δn_тIkmax⁽³⁾ = (0.1k_одн+Δn_т)I⁽³⁾_kmax,

где I_kmax⁽³⁾  максимальное значение тока внешнего трехфазного КЗ;

I_нб,т,т ток небаланса от трансформаторов тока; I_нб,рег ток небаланса из-за регулирования коэффициента трансформации силового трансформатора; k_одн  коэффициент однотипности трансформаторов тока.

В целях уменьшения тока небаланса I_нб,т,т коэффициенты трансформации трансформаторов тока K_I,I и К_I,II подбирают так, чтобы обеспечить по возможности равные токи в плечах дифференциальной зашиты:

;

.

Трансформаторы тока выбирают по кривым предельной кратности; при этом учитывают, что трансформаторы тока, у которых вторичные обмотки соединены в треугольник, оказываются более нагруженными.