ЦИФРОВАЯ защита трансформатора 40 МВА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

Кафедра: «Электрические станции»

Отчет по преддипломной практике

На тему:

« ЦИФРОВАЯ защита трансформатора 40 МВА »

Выполнила студент:

Изо-43

Золотарева Е.А

Проверил: доцент Воронин А.А

Самара 2019

ЦИФРОВАЯ защита трансформатора 40 МВА

В соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок» [2] для трансформаторов и автотрансформаторов должны быть предусмотрены устройства защиты от следующих повреждений и ненормальных режимов работы:

– многофазных КЗ в обмотках и на выводах;

– однофазных КЗ на землю в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухим заземлением нейтрали;

– витковых замыканий в обмотках;

– токов в обмотках при внешних КЗ;

– токов перегрузки;

– понижения уровня масла в трансформаторе;

– частичного пробоя изоляции вводов 500 кВ;

– однофазных замыканий на землю в обмотках и сети 6-10-35 кВ с изолированной нейтралью.[2]

От междуфазных КЗ в обмотках и на выводах трансформаторов и автотрансформаторах могут применяться:

– продольная дифференциальная защита без выдержки времени на трансформаторах мощностью 6,3 и более МВА (4 МВА при параллельной работе последних). Продольная дифференциальная защита может быть установлена на трансформаторах меньшей мощности (но не менее 1 МВА), если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности;

– токовая отсечка без выдержки времени, устанавливаемая со стороны питания.

Обе защиты должны действовать на отключение всех выключателей трансформатора.

От повреждений внутри бака трансформатора и от снижения уровня масла устанавливается газовая защита.

Газовая защита выполняется с помощью специальных газовых реле. Она должна действовать на сигнал при слабом газообразовании и понижении уровня масла и на отключение при сильном газообразовании и опасном для трансформатора снижении уровня масла.

Для защиты контактного устройства РПН следует предусмотреть отдельные газовые (струйные) реле.

От витковых замыканий в обмотках специальная защита не устанавливается. На витковые замыкания реагируют газовая и дифференциальная (чувствительная ступень) защиты.

От токов в обмотках при внешних многофазных КЗ могут использоваться следующие защиты:

– максимальная токовая защита с комбинированным пуском по напряжению;

– токовая защита обратной последовательности от несимметричных КЗ и максимальная токовая защита с пуском по напряжению от трехфазных КЗ. На автотрансформаторах и многоточных трансформаторах с питанием с нескольких сторон защита от токов внешних КЗ должна быть направленной;

– дистанционная защита предусматривается для автотрансформаторов с высшим напряжением 220 кВ и более для обеспечения дальнего резервирования и для согласования защит смежных напряжений.

От внешних замыканий на землю в сетях 110 кВ и выше на трансформаторах и автотрансформаторах предусматривается токовая защита нулевой последовательности, которая устанавливается со стороны обмоток, присоединенных к сети с большими токами замыканий на землю.

На трансформаторах и автотрансформаторах от перегрузок устанавливается максимальная токовая защита. Защита обычно действует на сигнал. На подстанциях без дежурного персонала допускается действие этой защиты на автоматическую разгрузку или отключение трансформатора.

В номенклатуре всех фирм, выпускающих микропроцессорные защиты и терминалы, есть защиты трансформаторов.

Фирма «ЭКРА», г. Чебоксары выпускает шкаф защиты трансформатора типа ШЭ 2607041 для трансформаторов с высшим напряжением 110-220 кВ. Шкаф может применяться для двухобмоточных, трехобмоточных трансформаторов и для трансформаторов с расщепленными обмотками стороны низшего напряжения. Шкаф содержит два терминала.

Первый терминал выполняет функции основной дифференциальной защиты и максимальных токовых защит с пуском по напряжению для всех сторон.

Второй терминал служит для приема сигналов от газовой защиты трансформатора и РПН и формирования сигналов на отключение. Этот терминал выполнен на электромеханических реле для возможности действия независимо от микропроцессорных защит.

Фирма «Радиус Автоматика», г. Зеленоград выпускает микропроцессорные устройства защит двухобмоточных трансформаторов «Сириус-Т» и трехобмоточных трансформаторов «Сириус-Т3». Устройства предназначены для выполнения функций основных защит трансформаторов с высшим напряжением 35-220 кВ. Содержит также ступени резервных максимальных токовых защит для всех сторон трансформатора. Пуск МТЗ по напряжению может быть выполнен от внешних устройств. Устройство может использоваться в качестве дифференциальной защиты автотрансформатора.

Фирма «АББ Автоматика», г. Чебоксары выпускает микропроцессорные устройства типа RET-316 и RET-521 для трансформаторов и автотрансформаторов электрических станций и подстанций.

Фирма «Исследовательский центр «Бреслер»», г. Чебоксары выпускает шкаф «Бреслер» ШТ 2108 защит трехобмоточного трансформатора 110-220 кВ, который содержит комплект основных и резервных защит трансформатора, а также автоматику управления выключателем стороны ВН.[2]

 

Шкаф защиты трансформатора типа ШЭ 2607 041
фирмы «ЭКРА»

Шкаф предназначен для защиты трансформаторов с высшим напряжением 110-220 кВ. Схема подключения шкафа для защиты трехобмоточного трансформатора приведена на рис. 4.1.

 Шкаф состоит из двух комплектов. Первый комплект (комплект А1) обеспечивает функции основных и резервных защит трансформатора и содержит:

– дифференциальную токовую защиту (ДТЗ) от всех видов КЗ внутри бака и на выводах;

– токовую защиту нулевой последовательности для стороны ВН (ТНЗ ВН);

– максимальную токовую защиту стороны ВН с комбинированным пуском по напряжению (МТЗ ВН);

– максимальную токовую защиту стороны СН с комбинированным пуском по напряжению (МТЗ СН);

– максимальную токовую защиту низшего напряжения секции 1 (НН1) и секции 2 (НН2) с комбинированным пуском по напряжению МТЗ (НН1) и МТЗ (НН2);

– защиту от перегрузки;

– реле тока и реле максимального напряжения сторон СН, НН1, НН2 для блокировки РПН при перегрузке;

– УРОВ выключателя стороны ВН.

Кроме того, комплект А1 обеспечивает прием сигналов от:

– сигнальной и отключающей ступеней газовой защиты трансформатора (ГЗТ);

– газовой защиты РПН трансформатора (ГЗ РПН);

– датчиков повышения температуры масла, повышения и понижения уровней масла;

– неисправности цепей охлаждения.

 

Рис. 4.1. Схема подключения шкафа ШЭ2607 041 (комплект А1)
к цепям тока и напряжения

 

Комплект А1 выполнен на микропроцессорном терминале типа БЭ2704V041. Терминал имеет 12 аналоговых входов для подключения цепей переменного тока и 6 аналоговых входов для подключения цепей переменного напряжения. Входы гальванически развязаны от внутренних цепей терминала с помощью промежуточных трансформаторов тока и напряжения.

Второй комплект (комплект А2) предназначен для приема отключающих сигналов газовой защиты трансформатора и газовой защиты РПН и действует на отключение трансформатора через две группы отключающих реле. Комплект А2 выполнен с использованием электромеханических реле, действует независимо от комплекта А1 для повышения надежности в случае отказа микропроцессорных защит.

Дифференциальная защита

Токовые цепи защиты подключаются к трансформаторам тока (ТТ), установленным с каждой стороны трансформатора. Вторичные обмотки ТТ соединяются по схеме «звезда» независимо от группы соединения обмоток защищаемого трансформатора (Y/Y–0, Y/∆-11, ∆/∆-0). Схема соединения обмоток трансформатора вводится уставкой. В терминале предусмотрена программная компенсация различия вторичных токов по фазе и по величине.

Для трансформаторов с группой соединения обмоток Y/∆-11 возможно соединение вторичных обмоток со стороны ВН по схеме «треугольник». При этом программная компенсация фазового сдвига и коэффициента схемы не производится. Токовая защита нулевой последовательности (ТНЗ НП) при этом работать не будет, так как ток нулевой последовательности  из треугольника не выходит.

В терминале производится выравнивание различных по величине вторичных токов от трансформаторов тока в пределах от 0,25 А до 16 А. Погрешность выравнивания составляет не более ±2 % от базисного тока стороны ( ).

Под базисным током стороны  понимается значение вторичного тока в плече защиты, соответствующее номинальной мощности трансформатора.

Дифференциальная защита трансформатора выполнена двухступенчатой и содержит чувствительную ступень (ДЗТ) и отсечку.

В ДЗТ формируется дифференциальный ток как векторная сумма токов плеч защиты, поступающих на входы ДЗТ:

 

.                                       (4.1)

 

Чувствительная ступень защиты выполнена с торможением.

На рис. 4.2 показано, как определяются дифференциальный и тормозной токи при внешнем КЗ и при КЗ в зоне действия ДЗТ.

 

 

Рис. 4.2. Токи в дифференциальной защите при внешнем (а)

и внутреннем (б) КЗ

Тормозной ток определяется следующим образом.

Формирователь тормозного тока выбирает из токов трех сторон (ВН, СН, НН) наибольший и присваивает ему название .

.

Сумма оставшихся токов образует ток .

.

Далее определяется угол  между векторами токов  и . В зависимости от угла  значение тормозного тока может составить:

, если 90°< <270° (внешнее КЗ, точка К1);

, если -90° <  < 90° или  (КЗ в зоне, точка К2). (4.2)

 

Как следует из (4.2) при КЗ в зоне торможение отсутствует. Торможение будет только при внешних КЗ.

Чувствительная ступень имеет зависимую от тока тормозную характеристику (рис. 4.3). Характеристика состоит из начального горизонтального участка и наклонного, соединенных плавным переходом.

 

 

Рис. 4.3. Характеристика срабатывания дифференциальной защиты

трансформатора

Горизонтальный участок определяется уставкой по начальному току срабатывания защиты  (может изменяться в пределах от 0,2 до ). Длина горизонтального участка ( ) регулируется в диапазоне от 0,6 до 1,0 . Наклонный участок определяется уставкой «коэффициент торможения»  (может изменяться в пределах от 0,2 до 0,7 с шагом 0,1). Под коэффициентом торможения понимается отношение приращения дифференциального тока ( ) к приращению тормозного тока ( ) в условиях срабатывания.

Вертикальный участок определяется уставкой «ток торможения блокировки» ( ). При тормозном токе  характеристика срабатывания изменяется:

 – если  и , то защита блокируется;

 – если  или , наклон характеристики определяется коэффициентом торможения.

Уставка по току торможения блокировки ( ) изменяется в диапазоне от 1,5 до 3,0  с шагом 0,1.

Согласно тормозной характеристике (рис. 1.3) чувствительная ступень срабатывает, если дифференциальный ток , при этом

, если ;

, если .                        (4.3)

Для предотвращения срабатывания дифференциальной защиты от бросков тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение, а также для лучшей отстройки от токов небаланса переходного режима, когда за счет насыщения трансформаторов тока в токах появляется вторая гармоническая составляющая, в терминале предусмотрена блокировка от тока второй гармоники. Защита блокируется, если отношение тока второй гармоники  к току промышленной частоты  в дифференциальном токе превышает уставку

                                          (4.4)

По опыту эксплуатации уставку по уровню блокировки по второй гармонике рекомендуется выбирать на уровне (10-15)%.

Дифференциальная отсечка должна надежно и быстро срабатывать при больших токах в зоне действия защиты.

Чувствительная ступень ДЗТ при больших токах внутренних КЗ в первый момент повреждения будет заблокирована из-за наличия второй гармонической составляющей в токе небаланса на несколько периодов тока промышленной частоты. Дифференциальная отсечка выполняется без блокировки по второй гармонической составляющей. Она обеспечит быстрое отключение трансформатора. Отсечка отстраивается от броска тока намагничивания и от тока небаланса при максимальном значении тока внешнего КЗ по уставке.

Ток срабатывания отсечки регулируется в диапазоне от 6,5 до 12,0 .

Упрощенная функциональная схема дифференциальной защиты трансформатора приведена на рис. 4.4.

 

 

Рис. 4.4. Упрощенная функциональная схема дифференциальной защиты

 

Дифференциальная защита выполнена пофазной. Реле каждой фазы состоит из следующих узлов:

– формирователя дифференциального и тормозного токов согласно (4.1) и (4.2);

– чувствительного токового органа – дифференциальной защиты с торможением ДЗТ;

– дифференциальной отсечки;

– блокировки от бросков токов намагничивания по второй гармонической составляющей.

Блокировка по второй гармонике чувствительной ступени выполняется на логических элементах «запрет» 1, 2 и 3. Сигналы о срабатывании чувствительной ступени и дифференциальной отсечки через логический элемент «ИЛИ» 4 и элемент выдержки времени на возврат DТ действуют на выходные реле терминала, которые отключают выключатели всех сторон трансформатора, действуют на пуск УРОВ и запрет АПВ. Кроме того, через логические элементы (на схеме не показаны) выдается сигнал о срабатывании защиты.

Максимальная токовая защита

Максимальная токовая защита (МТЗ) предусмотрена для сторон высшего, среднего, первой и второй секций низшего напряжения трансформатора.

МТЗ для всех сторон трансформатора выполняется в трехфазном исполнении и содержит:

– реле максимального тока, при этом МТЗ НН1 и МТЗ НН2 имеют две ступени;

– реле времени для действия на отключение своих выключателей и всех выключателей трансформатора;

– пусковые органы напряжения среднего, первой и второй секций низшего напряжения;

– реле направления мощности для МТЗ средней стороны трансформатора.

Реле тока МТЗ ВН и МТЗ СН в зависимости от группы соединения трансформатора включаются:

– при группе соединения трансформатора Y/∆-11 и соединении трансформаторов тока в «звезду» реле подключается на расчетные линейные токи, полученные из фазных токов «звезды» и деленные на ;

– при группе соединения трансформатора Y/∆-11 и соединении трансформаторов тока в «треугольник» реле подключаются на линейные токи треугольника. Включение на линейные токи выполняется для исключения токов нулевой последовательности, которые отсутствуют в линейных токах;

– при схеме соединения трансформатора ∆/∆-0 реле тока включаются на фазные токи.

Для реле максимального тока предусмотрен диапазон уставок от 0,1 до 30 А. Коэффициент возврата реле .

МТЗ на всех сторонах трансформатора выполняется с пуском или без пуска по напряжению. Для пуска по напряжению используются:

– два реле минимального напряжения, подключенные на два линейных напряжения (  и ), выходы которых объединены по схеме «ИЛИ»;

– реле максимального напряжения, реагирующее на увеличение напряжения обратной последовательности ( ).

Уставка реле минимального напряжения регулируется в диапазоне от 10 до 100 В; коэффициент возврата . Уставка реле напряжения обратной последовательности регулируется в диапазоне от 6 до 24 В (в фазных величинах), коэффициент возврата .

МТЗ средней стороны может выполняться направленной или без контроля направленности. Направленность обеспечивает реле направления мощности (РНМ), которое реагирует на направление мощности прямой последовательности. В зависимости от выбранной уставки РНМ может работать по направлению мощности от трансформатора к шинам СН или от шин СН к трансформатору.

Характеристика реле направления мощности приведена на рис. 4.5. Угол максимальной чувствительности  регулируется в пределах от 30° до 85°. Величина уставки по току срабатывания  равна 0,1 А, а по напряжению срабатывания - 1 В.

 

Рис. 4.5. Характеристика срабатывания реле направления мощности

МТЗ СН (угол максимальной чувствительности φ_м.ч. = - 30º,

угол полного сопротивления линии φ_л = 56º)

 

На рис. 4.6 приведена упрощенная структурная схема МТЗ СН.

В нее входит реле тока МТЗ СН, реагирующее на линейные токи, полученные расчетным путем.

Предусмотрен пуск по напряжению от пускового органа, который подключается к трансформатору напряжения стороны СН. Пусковой орган по напряжению состоит из двух реле минимального напряжения  и , и реле максимального напряжения , реагирующего на появление напряжения обратной последовательности. Пуск по напряжению можно исключить с помощью накладки XB1.

Направленность защиты обеспечивает реле направления мощности. С помощью программной накладки XB2 направленность можно вывести или ввести.

Предусмотрен пуск МТЗ СН через элемент «И»4:

– по напряжению с элемента «ИЛИ»1 и «ИЛИ»6;

– по направлению мощности через элемент «ИЛИ»2.

В схеме предусмотрен дискретный вход «Вывод МТЗ СН» для вывода МТЗ СН из работы.

 

Рис. 4.6. Упрощенная структурная схема логики МТЗ СН

 

Защита действует:

– с выдержкой времени DТ1 на отключение секционного выключателя стороны СН (деление шин);

– с выдержкой времени DТ2 на отключение выключателя своей стороны Q3;

– с выдержкой времени DТ3 на отключение трансформатора со всех сторон.

В защите предусмотрено ускорение действия МТЗ СН при включении выключателя Q3. Сигнал на ускорение поступает через элемент выдержки на возврат DТ5 из схемы управления выключателем (выключатель был отключен). Защита по цепи ускорения действует с выдержкой времени (элемент DТ4) через элемент «И»5 на отключение выключателя Q3 по цепи ускорения.

На рис. 4.7 приведена упрощенная структурная схема МТЗ стороны НН1.

 

Рис. 4.7. Упрощенная структурная схема МТЗ НН1

 

МТЗ стороны НН1 выполнена двухступенчатой, для чего в защите предусмотрено два реле тока (1 ступень и 2 ступень).

Реле тока МТЗ НН1 включаются на фазные токи стороны НН1.

Пуск по напряжению выполнен с помощью пускового органа напряжения, подключенного к трансформатору напряжения секции НН1. Он реагирует на снижение линейных напряжений ,  и повышение напряжения обратной последовательности ; выходы всех реле напряжения включены по схеме «ИЛИ»7. С помощью программной накладки XB3 пуск по напряжению можно вывести. Пуск по напряжению 1 ступени выполнен на элементе «И»11, второй – на элементе «И»12. С помощью накладки XB4 МТЗ НН1 можно вывести из работы.

Реле тока МТЗ НН1 (1 ступень) действует при отключенном положении секционного выключателя СВ НН1 с выдержкой времени DТ6 на отключение выключателя стороны НН1 Q1.

Реле тока МТЗ НН1 (2 ступень) действует при включенном положении секционного выключателя СВ НН1 с выдержкой времени DТ7 на отключение выключателя стороны НН1 Q1.

Через элемент «ИЛИ»14 с выдержкой времени DТ8 осуществляется действие МТЗ НН1 на отключение трансформатора со всех сторон.

В защите предусмотрено ускорение МТЗ при включении выключателя (на схеме не показано).

Максимальная токовая защита стороны НН2 выполнена по такой же схеме, что и МТЗ НН1.

На рис. 4.8 приведена структурная схема МТЗ стороны ВН.

Реле тока МТЗ ВН включены на расчетные линейные токи, полученные из фазных токов при группе соединения трансформатора

Y/∆-11 и соединении трансформаторов тока в «звезду».

МТЗ ВН выполнена с пуском по напряжению от сторон СН, НН1 и НН2:

– пуск МТЗ ВН через элемент «И»18 при включенном выключателе стороны СН (KQС СН) и при наличии пуска по напряжению СН;

– пуск МТЗ ВН через элемент «И»16 при включенном выключателе стороны НН1 (KQС НН1) и при наличии пуска по напряжению НН1;

– пуск МТЗ ВН через элемент «И»17 при включенном выключателе стороны НН2 (KQС НН2) и при наличии пуска по напряжению НН2.

Пуск по напряжению может действовать только тогда, когда выключатели СН, НН1 и НН2 включены, так как трансформаторы напряжения, используемые в защите, подключены к сборным шинам и секциям и при отключенных выключателях напряжение на них будет отсутствовать. При отключенном положении выключателей СН, НН1 и НН2 защита действует без пуска по напряжению от соответствующей стороны (на схеме не показано).

 

Рис. 4.8. Упрощенная структура схема МТЗ ВН

 

МТЗ ВН действует с выдержкой времени на элементе DТ10, если секционные выключатели НН1 и НН2 отключены. Если хотя бы один СВ НН включен, защита действует с выдержкой времени на элементе DТ9 через элемент «И»21. Защита при срабатывании отключает трансформатор со всех сторон.

 

Токовая защита нулевой последовательности стороны ВН

В защите используется расчетное значение тока , полученное суммированием фазных токов. Если трансформаторы тока стороны ВН соединены в «треугольник», ток  отсутствует и ТЗНП работать не будет. Диапазон уставок по току от 0,05 до 30 А.

Логика отключения от ТЗНП показана на рис. 4.9.

Защита с первой выдержкой времени DТ11 действует на отключение ШСВ ВН или СВ ВН (деление шин), со второй (DТ12) на отключение выключателя стороны ВН и с выдержкой времени DТ13 – на отключение выключателей всех сторон трансформатора.

 

Рис. 4.9. Логика отключения от ТЗНП

Защита от перегрузки

Защита от перегрузки предусмотрена для всех сторон трансформатора (ВН, СН, НН1, НН2). Четыре однофазных реле тока включаются на токи фазы А. Диапазон уставок реле тока от 0,1 до 10 А. Защита действует с выдержкой времени в схему сигнализации.

Реле тока для автоматики охлаждения

Для автоматики охлаждения используются четыре однофазных реле максимального тока, включенных на ток фазы А каждой стороны трансформатора.

Устройство для блокировки РПН

Устройство действует при перегрузке РПН по току и при снижении напряжения на сторонах СН, НН1 и НН2 ниже .

Содержит:

– однофазное реле максимального тока, включенное на ток фазы А стороны ВН;

– три реле максимального напряжения, включенные на междуфазное напряжение  от трансформаторов напряжения сторон СН, НН1 и НН2 трансформатора.

Устройство резервирования отказов выключателя (УРОВ)

В терминале предусмотрен комплект УРОВ выключателя стороны ВН. Схема УРОВ приведена на рис. 4.10.

 

 

Рис. 4.10. Структурная схема УРОВ выключателя ВН

 

Схема УРОВ содержит:

– три однофазных реле тока УРОВ для контроля тока через

выключатель (ток срабатывания регулируется в пределах от 0,04 до 0,4 А);

– вход «пуск УРОВ от своих защит»;

– входы для приема внешних сигналов на пуск УРОВ («пуск УРОВ от внешних защит», вход 1);

– нормально замкнутый контакт реле положения включено (KQC) стороны ВН (вход 2);

– узел логики с элементами выдержки времени DТ1 и DТ2.

УРОВ может работать в двух режимах:

– с автоматической проверкой исправности выключателя, когда после пуска УРОВ от защит формируется сигнал на отключение резервируемого (своего) выключателя – действие УРОВ «на себя»;

– с дублированным пуском от защит, в этом случае УРОВ действует на отключение смежных выключателей с контролем от реле положение «включено» (KQC) и контролем наличия тока через выключатель.

УРОВ «на себя» действует с выдержкой времени элемента DТ1 (выдержка минимальная) на отключение своего выключателя при появлении любого из сигналов:

– действие внешних устройств РЗА (внешний сигнал);

– действие защит комплекта на отключение сторон ВН (внутренний сигнал).

При появлении любого из сигналов на отключение выключателя и наличие тока протекающего через выключатель УРОВ с выдержкой времени DТ2 (порядка 0,3 с) формирует сигналы на отключение смежных выключателей, а именно:

– сигнал в дифференциальную защиту шин (ДЗШ) на отключение выключателей всех питающих присоединений системы шин и запрет АПВ;

– сигнал на отключение трансформатора со всех сторон и запрет АПВ.

Логическая защита шин (ЛЗШ НН1, ЛЗШ НН2)

Логическая защита шин работает при срабатывании МТЗ со стороны соответствующей секции шин при отсутствии срабатывания токовых реле на присоединениях, отходящих от этой секции шин.

Логическая защита шин может действовать на отключение выключателей вводов на секции без выдержки времени, а также действовать с дополнительной выдержкой времени на отключение трансформатора со всех сторон при срабатывании ЛЗШ и отказе выключателя ввода.

    Понижающий трансформатор 220/6,3/6,3 кВ мощностью 40 МВА имеет встроенное регулирование напряжения ±16.Реакторы на стороне НН входят в зону дифференциальной защиты .Схема подключения защиты приведена на рис.4.11.

 

Рис. 4.11. Схема подключения защиты

 

Таблица 4.1