Устройство для защиты трансформатора, подключенного к линии электропередачи через отделитель

 

Сущность изобретения: устройство позволяет исключить дополнительный интенсивный поток опасных токовых воздействий на силовое оборудование и предотвратить глубокие посадки напряжения у потребителей при быстрой и селективной локализации аварийных присоединений. 6 ил.

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 в элементах распредустройств.

Известны схемы коммутации подстанций 110. . . 220 кВ на ответвлениях питающих линий, выполняемые без выключателей со стороны высшего напряжения (ВН) 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 на стороне ВН ответвления искусственного короткого замыкания (ИКЗ). Ток ИКЗ фиксируется релейной защитой питающей линии и отключается линейным выключателем. В бестоковую паузу ответвление отключается отделителем от питающей линии, которая снова может быть включена под напряжение.

В условиях интенсивного развития сетей и роста уровней токов короткого замыкания (КЗ) такие схемы обладают рядом существенных недостатков. ИКЗ вызывают опасные условия работы линейных выключателей питающих линий, классифицируемые по ГОСТ 687-78 как режим отключения неудаленных КЗ или "километрический" эффект. Глубокие посадки напряжения при ИКЗ могут вызвать на соседних подстанциях нарушение устойчивости работы двигательной нагрузки и связанные с этим длительные нарушения технологических процессов на промпредприятиях. Ударные воздействия токов ИКЗ приводят к потере механической (радиальной и осевой) стойкости витков обмоток силовых трансформаторов и автотрансформаторов питающих подстанций. В районах с высоким удельным сопротивлением грунта при глухих ИКЗ трудно обеспечить требуемую надежность и безопасность заземляющих устройств.

Известно устройство для защиты трансформатора, работающего без выключателя со стороны ВН (авт. св. СССР N 917248, кл. Н 02 Н 3/08, H 02 H 7/04, 1982). В устройстве для ограничения токов ИКЗ в цепь коммутирующего аппарата (или короткозамыкателя) включается нелинейный резистор, а блоки защиты линии выполнены реагирующими на гармонические составляющие тока ИКЗ.

К недостаткам этого устройства следует отнести следующее. Во-первых, питающие линии необходимо оснастить специальными защитами, настройка которых зависит от нелинейных характеристик резисторов. Однако такие характеристики не приводятся. Известные бетэловые резисторы энергетического назначения нелинейностью не обладают. Во-вторых, необходимо обосновать надежность работы резисторов в режиме ИКЗ демонстрацией их ресурсно-пропускной способности, зависящей от длительности ИКЗ, числа таких коммутаций и изменяющегося в связи с нелинейностью токового воздействия на них. Таким образом, устройство не может быть практически реализовано.

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

К недостаткам этого устройства следует отнести следующее.

Во-первых, необходимо разработать нестандартную быстродействующую и селективную защиту питающей линии, которая выполняется на широкой элементной базе, включающей датчики тока и напряжения на пик-трансформаторах специального изготовления, тиристоры, стабилитроны, поляризованные реле и пр. Защита имеет достаточно сложную схему, требующую специальной настройки. Собственное время отключения выключателей 110. . . 220 кВ составляет 0,06. . . 0,1 с. Значит, длительность ИКЗ при отключении основной ступени защиты оценивается в 0,08. . . 0,15 с. С учетом резервирования отказа основной защиты или режима каскадного отключения (для линий с двусторонним питанием) длительность ИКЗ достигает 0,3-0,5 с. Значит, быстродействие защиты не определяет минимальной длительности сквозного тока через токоограничивающий резистор и не является решающим фактором обеспечения работоспособности устройства. Селективность защиты, построенной на принципах фазового сравнения векторов тока и напряжения в узком диапазоне углов 1-4^о, в ряде схем (например, в схемах с двусторонним питанием) не обеспечивается. В таких схемах требуется блокировка выходного сигнала на отключение выключателей штатной направленной защитой.

Во-вторых, для обеспечения надежной работы устройства необходим обоснованный выбор числа и схемы включения резисторов в цепи короткозамыкателя. Количество резисторов и схема их соединения составляют бетэловую резисторную установку (БРУ). БРУ должна рассчитываться на многократное срабатывание за срок службы 10. . . 15 лет при длительностях сквозных токов 0,3. . . 0,5 с и близких к номинальным фазным U_ф напряжениях на установке. Отсутствие методики выбора величины токоограничивающего сопротивления и расчета ресурсно-пропускной способности БРУ является существенным недостатком устройства.

Кроме того, схема включения в устройстве фаза - короткозамыкатель - резистор - земля не обеспечивает ограничения тока ИКЗ вследствие шунтирования резистора после включения короткозамыкателя по тяге управления контактом короткозамыкателя либо через низковольтную изоляцию основания короткозамыкателя.

Наиболее близким к заявляемому является устройство (авт. св. СССР N 1700624) для защиты трансформатора, подключенного к линии электропередачи через отделитель, содержащее блок защиты трансформатора, выход которого подключен к цепям включения короткозамыкателя, включенного последовательно с бетэловыми резисторами, собранными в установку из m параллельных ветвей по К последовательно включенных резисторов в каждой ветви между выводами ВН трансформатора и землей, выявительный блок, включающий трансформаторы тока и напряжения, реле тока нулевой последовательности с замыкающим контактом, включенное в нулевой провод вторичных обмоток трансформатора тока, первое реле активной мощности, обмотки которого подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения первой фазы, в которую включается короткозамыкатель с резисторной установкой, причем замыкающий контакт реле активной мощности подключен к первому выводу блока сигнализации, выход которого подключен к исполнительному элементу, выход которого предназначен для подключения к цепям отключения выключателя линии, источник оперативного тока.

Недостатки этого устройства связаны со сложностью его практической реализации в разветвленной сети с несколькими отпайками на короткозамыкателях, а также на подстанциях с числом трансформаторов более одного, например двухтрансформаторных подстанциях. В настоящее время намечается тенденция увеличения числа трансформаторов на подстанциях до трех (Цирель Я. А. О целесообразности применения трехтрансформаторных подстанций. /Эл. станции, 1988, N 6). В таких сетях, где несколько присоединений должны оснащаться токоограничивающими БРУ, их сопротивления следует выбирать различной величины для обеспечения требуемой селективности отключения ИКЗ. При этом для каждой установки требуется индивидуальный подбор комплектующих элементов. Выявительный блок релейной защиты питающих линий также требует дополнительных отстроек и взаимоблокировок цепей фиксации ИКЗ через БРУ на разных присоединениях, что снижает надежность его работы.

Целью изобретения является создание унифицированного надежного устройства, более эффективного при использовании в сетях различной структуры на нескольких присоединениях, например на двух- или трехтрансформаторных подстанциях, на отпайках от двухцепных линий электропередачи (фиг. 1, 2, 3) без повышения трудоемкости расчетных работ и эксплуатационных затрат.

Унификация устройства и повышение эффективности его использования заключаются в следующем. В обеспечении для различных присоединений постоянной величины сопротивления R_БРУ установки. При этом при подборе комплектующих резисторов снижается трудоемкость расчетов их ресурсно-пропускной способности, электрической схемы включения в установке, конструктивно-компоновочных параметров БРУ. При настройке выявительного блока релейной защиты сокращаются расчеты уставок реле, фиксирующих ИКЗ через БРУ.

В разработке схемы коммутации короткозамыкателей защищаемых трансформаторов, фиксированной по фазам и линиям (фиг. 2 и 3), что определяет возможность разработки надежного выявительного блока, обеспечивающего требуемые чувствительность и селективность срабатывания при ИКЗ через БРУ на нескольких присоединениях.

В применении одной БРУ на два короткозамыкателя на двухтрансформаторной подстанции (фиг. 2) или на три короткозамыкателя на трехтрансформаторной подстанции (фиг. 3). Такой вариант выполнения установки сокращает на 30-50% число комплектующих резисторов в первой схеме и на 50-70% во второй. При этом существенно снижается трудоемкость строительно-монтажных работ, облегчаются проектная привязка БРУ на распредустройствах, их испытание и ввод в эксплуатацию.

Цель достигается в устройстве для защиты трансформатора, подключенного к линии электропередачи через отделитель, содержащем блок защиты трансформатора, выход которого подключен к цепям короткозамыкателя, включенного последовательно с бетэловыми резисторами, собранными в установку из m параллельных ветвей по К последовательно включенных резисторов в каждой ветви, между выводами ВН трансформатора и землей, выявительный блок, включающий трансформаторы тока и напряжения, реле тока нулевой последовательности с замыкающим контактом, включенный в нулевой провод вторичных обмоток трансформатора тока, первое реле активной мощности, обмотки которого подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения первой фазы, а его замыкающий контакт подключен к первому выводу блока сигнализации, выход которого подключен к исполнительному элементу, выход которого предназначен для подключения к цепям отключения выключателя линии, источник оперативного тока, тем, что в него введены трехфазное реле тока с размыкающим контактом, два реле активной мощности с замыкающими контактами, реле-повторитель срабатывания трех реле активной мощности с замыкающим контактом, при этом трехфазное реле тока включено последовательно с токовыми обмотками трех реле активной мощности, обмотки напряжения второго и третьего реле активной мощности подключены к вторичным обмоткам второй и третьей фаз трансформатора напряжения, к первому полюсу источника оперативного тока подключены последовательно включенные замыкающий контакт реле тока нулевой последовательности и размыкающий контакт трехфазного реле тока, второй вывод последнего через замыкающий контакт реле-повторителя срабатывания трех реле активной мощности подключен к входу исполнительного элемента и подключен к первым выводам замыкающих контактов первого, второго и третьего реле активной мощности, вторые выводы замыкающих контактов второго и третьего реле активной мощности подключены соответственно к второму и третьему входам блока сигнализации и вместе с вторым выводом замыкающего контакта первого реле активной мощности к первому выводу обмотки реле-повторителя срабатывания реле активной мощности, второй вывод которого и вывод блока сигнализации подключены к второму полюсу источника оперативного тока, причем первый вывод резисторной установки предназначен для соединения с землей, второй вывод - с подвижным контактом короткозамыкателей двухтрансформаторной подстанции, неподвижные контакты которых предназначены для подключения к одноименным фазам двух параллельных линий на одной подстанции, но к разноименным фазам по отношению к другой подстанции.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства на примере сети, содержащей отпаечные от питающих параллельных линий Л1 и Л2 двухтрансформаторные подстанции ПС1. . . ПС3, подключаемые через отделители. Устройство содержит БРУ1, которая подключается к подвижным контактам короткозамыкателей 2 и 3 и может поэтому вводиться последовательно в цепь каждого из короткозамыкателей при их коммутации по сигналу защит 4 и 5 соответствующих трансформаторов 6 и 7. В скомпонованной таким образом установке 8 на ПС1 короткозамыкатели 2 и 3 подключаются к фазам А соответствующих линий Л1 и Л2; на ПС2 - к фазам В; на ПС3 - к фазам С. Питание выявительного блока 9 по переменному напряжению осуществляется от измерительных трансформаторов 10 тока и 11 напряжения, по постоянному току - от источника оперативного тока. Выявительный блок 9 в схеме оперативного тока содержит блок 12 отстройки, селективный блок 13, блок 14 сигнализации и исполнительный элемент 15, выход которого предназначен для выдачи сигнала в цепи отключения выключателя 16 питающей линии Л1 или Л2 при обнаружении ИКЗ через БРУ на соответствующем присоединении.

На фиг. 2 и 3 даны схемы фиксированной по фазам и линиям коммутации ИКЗ через БРУ соответственно на двух и трехтрансформаторных подстанциях; на фиг. 4 приведена схема вторичных цепей тока с трехфазным токовым реле 17, токовым реле 18 нулевой последовательности и фазными токовыми обмотками реле 19, 20, 21 активной мощности; на фиг. 5 - схема вторичных цепей питания обмоток напряжения соответствующих фазных реле активной мощности; на фиг. 6 - схема цепи оперативного тока выявительного блока 9 релейной защиты линий с выделением характерных функциональных блоков: блока 12 отстройки, селективного блока 13 и блока 14 сигнализации.

Устройство работает следующим образом.

При срабатывании короткозамыкателя 2 или 3 по сигналу защиты соответствующего трансформатора 6 или 7 ограниченный с помощью БРУ 1 ток ИКЗ и местоположение ИКЗ фиксируются выявительным блоком 9 защиты, выдающей сигнал на отключение выключателя 16 соответствующей линии Л1 или Л2.

При коммутации ИКЗ через БРУ выявительный блок 9 запускается замыкающими контактами 22 реле 18 тока нулевой последовательности. Это реле позволяет также не производить отстройку блока от токов самозапуска мощных электродвигателей. При необходимости запуск выявительного блока можно обеспечить замыкающими контактами выходных реле направленных токовых защит нулевой последовательности. Далее сигнал поступает на размыкающие контакты 23 реле 17, что позволяет блокировать запуск при различных КЗ, кроме ИКЗ, через БРУ. Из блока отстройки сигнал поступает на вход селективного блока 13.

Селективный блок по характерной величине измеряемой мощности, соответствующей значению выбранного R_БРУ, контактами 24, 25, 26 соответствующих реле 19, 20, 21 активной мощности, обеспечивает выделение сигнала коммутации ИКЗ через БРУ и питание обмотки реле-повторителя 27 срабатывания трех реле активной мощности, которое своими контактами 28 обеспечивает прохождение сигнала к исполнительному элементу, защите линии и далее на отключение выключателя 16. Выделенный сигнал попадает также в блок 14 сигнализации и обеспечивает срабатывание реле 29, 30, 31, с помощью которых строятся цепи определения местоположения ИКЗ через БРУ.

Для более простых схем с тупиковыми линиями блок 13 может быть упрощен использованием вместо реле активной мощности фазных токовых реле. При этом в схемах вторичных соединений измерительных трансформаторов 10 и 11 (фиг. 4 и 5) остаются только токовые цепи (фиг. 4).

Схема цепи оперативного тока (фиг. 6) остается прежней, где теперь под контактами 24, 25, 26 подразумеваются контакты фазных реле тока. Их уставка срабатывания выбирается по условию I_c.з.1 = К_н ˙ I_К^(з) (1) где К_н = 1,3 - коэффициент надежности; I_К^(з) - фазный ток в месте защиты при трехфазном КЗ за трансформатором отпаечной подстанции, имеющим наименьшее сопротивление Х_Т с учетом регулирования напряжения.

Отстройку от максимального тока самозапуска электродвигателей можно не производить, если использовать блокирующие контакты 22 реле 18, которое не срабатывает при самозапусках.

Коэффициент чувствительности токовых реле 19, 20, 21 определяется как К_r = I_ф.икз/I_с.з.1 ≥1,5 , (2) где I_ф.икз - фазный ток в месте защиты при ИКЗ через БРУ в максимальном режиме работы сети.

Принимая X_т >> Х_с и R_БРУ >> Х_с, где Х_с - эквивалентное сопротивление питающей системы, и, решая уравнения (1) и (2) совместно с выражениями получают R_БРУ= X_т/K_н·K_r≃ X_т/2 (5) Необходимо отметить, что выражения (4) и (5) справедливы только для тупиковых ВЛ. Таким образом, область применения фазных токовых реле ограничена, тем более что на линиях с двухсторонним питанием отстроиться от внешних КЗ не представляется возможным.

Уставка трехфазного реле 17 выбирается равной I_c.з.17= K_H17˙I_c.з.1, где К_н17 = 1,3 - коэффициент надежности.

Реле 17 исключает ложное срабатывание выявительного блока 9 при всех видах КЗ на линии, кроме ИКЗ, через БРУ на землю. Реле используется в блоке 12 отстройки выявительного блока.

Таким образом, предлагаемое устройство, обладая унифицированными свойствами и надежным выявительным блоком, может найти широкое применение на подстанциях, требующих ограничения ИКЗ вследствие интенсивного развития сетей на современном этапе. (56) Цирель Я. А. О целесообразности применения трехтрансформаторных подстанций. Электрические станции. 1988, N 6.

Авторское свидетельство СССР N 1700624, кл. Н 02 Н 7/04, 1988.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА, ПОДКЛЮЧЕННОГО К ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ ОТДЕЛИТЕЛЬ, содержащее блок защиты трансформатора, выход которого подключен к цепям включения короткозамыкателя, включенного последовательно с бетэловыми резисторами, собранными в установку из m параллельных ветвей по K последовательно включенных резисторов в каждой ветви между выводами высшего напряжения трансформатора и землей, выявительный блок, включающий трансформаторы тока и напряжения, реле тока нулевой последовательности с замыкающим контактом, включенное в нулевой провод трансформатора тока, первое реле активной мощности, обмотки которого подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения первой фазы, а его замыкающий контакт подключен к первому выводу блока сигнализации, выход которого подключен к исполнительному элементу, выход которого предназначен для подключения к цепям отключения выключателя линии, источник оперативного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности при использовании устройства на отпаечных двухтрансформаторных подстанциях общим числом не более трех, питаемых от параллельных линий, дополнительно введено трехфазное реле тока с размыкающим контактом, два реле активной мощности с замыкающими контактами, реле-повторитель срабатывания трех реле активной мощности с замыкающим контактом, при этом трехфазное реле тока включено последовательно с токовыми обмотками трех реле активной мощности, обмотки напряжения второго и третьего реле активной мощности подключены к вторичным обмоткам второй и третьей фаз трансформатора напряжения, к первому полюсу источника оперативного тока подключены последовательно включенные замыкающий контакт реле тока нулевой последовательности и размыкающий контакт трехфазного реле тока, второй вывод последнего через замыкающий контакт реле-повторителя срабатывания трех реле активной мощности подключен к одному из входов исполнительного элемента и к первым выводам замыкающих контактов первого, второго и третьего реле активной мощности, вторые выводы замыкающих контактов второго и третьего реле активной мощности подключены соответственно к второму и третьему входам блока сигнализации и вместе с вторым выводом замыкающего контакта первого реле активной мощности подключены к первому выводу обмотки реле-повторителя срабатывания реле активной мощности, второй вывод которого и вывод блока сигнализации подключены к второму полюсу источника оперативного тока, причем первый вывод резисторной установки предназначен для соединения с землей, другой вывод - с подвижным контактом короткозамыкателей двухтрансформаторной подстанции, неподвижные контакты которых предназначены для подключения к одноименным фазам двух параллельных линий одной подстанции, но к разноименным фазам по отношению к другой подстанции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6