Защита трансформатора

Санкт-Петербургский  государственный политехнический  университет

Электромеханический факультет

Кафедра электрических  станций и автоматизации энергосистем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Дисциплина: Проектирование релейной защиты

 

Тема: Защита трансформатора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Выполнил студент гр. 5022/2                                                                     Выборных И.Г.

 Руководитель                                                                                           Алексеева О.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2010

Содержание.

 

 

Задание………………………………………………………………………………..	3
Введение………………………………………………………………………………	4
Выбор оборудования………………………………………………………………...	6
Приведение к базисным условиям и  составление схемы замещения…………….	7
Расчет коротких замыканий…………………………………………………………	8
Точка к1……………………………………………………………………………….	8
Точка к2……………………………………………………………………………….	8
Точка к3……………………………………………………………………………….	9
Точка к4……………………………………………………………………………….	10
Расчет дифференциальной токовой  защиты трансформатора…………………….	11
Расчет защиты трансформатора от внешних  коротких замыканий на землю в  сети с глухозаземленной нейтралью………………………………………………..	15
Газовая защита……………………………………………………………………….	17
Список литературы…………………………………………………………………..	18

 

Задание.

 

 

 

 

 

№ Вар.	Длина, км
	Л1	Л2
2	70	40	5000	200	250	230/15,75	16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Прежде, чем приступить к выбору типов  защиты трансформатора следует оценить  их, а также и весь участок сети, с точки зрения релейной защиты.

В зависимости  от типа трансформатора, его мощности, роли в электрической сети, выбирается тип основной защиты и типы резервной  защиты.

При выборе  типа защиты в первую очередь следует  руководствоваться правилами устройств  электроустановок (ПУЭ). Устройства релейной  защиты должны обеспечивать минимальное  время отключения короткого замыкания, действовать селективно, обладать необходимой  чувствительностью, быть простыми и  надежными. Поэтому нужно стремиться принимать наиболее простой тип защиты и только если простые защиты не отвечают вышеперечисленным требованиям переходить к более сложным защитам.

Для трансформаторов  должны предусматриваться устройства релейной защиты от следующих видов  повреждений и ненормальных режимов  работы:

1. многофазных замыканий в обмотках и на выводах;

2. витковых замыканий в обмотках;

3. однофазных замыканий на землю в сетях с большим током замыкания на землю;

4. токов в обмотках, обусловленных внешними короткими замыканиями;

5. токов в обмотках, обусловленных перегрузкой (если она возможна);

6. понижения уровня масла;

Для защиты от повреждений внутри кожуха трансформатора, сопровождающихся выделением газа, и  от понижения уровня масла предусматривается  газовая защита.

Для защиты от повреждений на выводах трансформатора, а также от внутренних повреждений  предусматривается продольная дифференциальная защита без выдержки времени или  максимальная токовая отсечка без  выдержки времени.

Продольная  дифференциальная защита выполняется  в виде:

1. дифференциальной токовой отсечки;

2. дифференциальной токовой защиты с промежуточными насыщающимися трансформаторами тока;

3. дифференциальной токовой защиты с промежуточными насыщающимися трансформаторами тока и с тормозной характеристикой;

Для защиты от токов, обусловленных внешними короткими  замыканиями, предусматриваются защиты с выдержкой времени:

1. максимальная токовая;

2. максимальная токовая защита с пуском минимального напряжения;

3. фильтровая токовая защита обратной последовательности;

4. максимальная токовая защита нулевой последовательности.

Для защиты от токов в обмотках, обусловленных  перегрузкой, если она возможна, предусматривается  максимальная токовая защита с выдержкой  времени, устанавливаемая в одной  из фаз.

Рассмотрим  электрическую схему системы, рис. 1.

На станции  установлено два генератора мощностью 200 МВт, каждый из которых через блочный  трансформатор работает на шины 220 кВ. Связь с энергосистемой осуществляется по двум линиям 220 кВ протяженностью 70 км. Так же от шин 220 кВ через линию  длиной 40 км запитана потребительская  подстанция.

В данной курсовой работе приводится расчет релейной защиты, установленной на блочном  трансформаторе.

Для данного  трансформатора могут быть опасны следующие  повреждения:

• междуфазные короткие замыкания;
• замыкания фазы на землю.

Поэтому на трансформаторе необходимо установить защиты, реагирующие на эти повреждения. Это – дифференциальная токовая  защита ДЗТ – 21 от междуфазных коротких замыканий и ступенчатая токовая  защита нулевой последовательности от замыканий на землю, поэтому необходим  расчет трехфазных и однофазных замыканий  на землю.

Перед началом  проектирования релейной защиты трансформатора необходимо знать не только токи короткого  замыкания на самом защищаемом элементе, но и на смежных элементах. В данном случае таковыми являются отходящие  от шин 220кВ линии. При расстановке  точек короткого замыкания, с  целью сокращения расчетной работы, надо взять минимальное количество необходимых точек.

Для трехфазных коротких замыканий:

• точка к1 на шинах 220 кВ станции;
• точка к2 на участке между генератором и трансформатором;

Для однофазных коротких замыканий:

• точка к3 в конце линии Л2 питающей нагрузку;
• точка к4 в конце линий связывающих станцию с энергосистемой.

Начнем  проектирование с выбора оборудования и составления схемы замещения  для расчета трехфазного короткого  замыкания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор оборудования.

 

Генератор:
Трансформатор:
ТСН:
Линия:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приведение к базисным условиям и составление схемы  замещения.

 

Схема замещения  для токов прямой последовательности представлена на рисунке 2, для токов  нулевой последовательности на рисунке 3.

За базисную мощность для расчетов принимаем полную мощность трансформатора:

.

За базисное напряжение принимаем среднеэксплуатационное напряжение высокой стороны трансформатора:

.

Тогда базисный ток:

.

Сопротивление генератора:

Сопротивление трансформатора:

Сопротивление системы:

Сопротивление линий:

Пусть ЛЭП  – 1 двухцепная со стальными грозозащитными тросами, а ЛЭП – 2 одноцепная со стальными грозозащитным тросом, тогда сопротивления прямой и  нулевой последовательности будут  иметь следующие соотношения:

ЭДС системы  и генераторов соответственно:

Расчет токов коротких замыканий.

 

Точка к1:

Так как  генераторы, работающие через трансформаторы одинаковые, то они имеют одинаковые ЭДС, и мы можем объединить их.

 В  данном случае нас интересует  составляющая тока короткого  замыкания, которая течет через защищаемый трансформатор:

 

Точка к2:

Ток короткого  замыкания в точке к2:

Ток, проходящий через защиту:

 

Точка к3:

Для расчета  токов однофазных коротких замыканий  принимаем, что сопротивления прямой и обратной последовательностей  равны, и находим эквивалентные  сопротивления прямой и нулевой  последовательности.

Для нулевой  последовательности имеем:

Для прямой последовательности:

Ток однофазного короткого замыкания в точке к3:

Для определения  тока протекающего в нейтрали защищаемого  трансформатора воспользуемся коэффициентами токораспределения.

Ток однофазного  короткого замыкания в точке  к3, протекающий в нейтрали трансформатора:

 

Точка к4:

Для нулевой  последовательности:

Для прямой последовательности:

Ток однофазного  короткого замыкания в точке  к4:

Для определения  тока в нейтрали воспользуемся коэффициентами токораспределения:

Ток однофазного  короткого замыкания, протекающий в нейтрали трансформатора:

 

Расчет дифференциальной токовой защиты трансформатора, выполненной  с реле типа ДЗТ – 21.

 

Дифференциальные  защиты типа ДЗТ-21 предназначены для  использования в качестве основной защиты силовых трансформаторов  и блоков генератор - трансформатор  от всех видов коротких замыканий.

Исполнение  защиты может быть трехфазное с общим  выходом трех фаз, позволяющим использовать защиту в качестве основной для группы из однофазных трансформаторов или  АТ.

Для отстройки  защиты от бросков тока намагничивания в реле ДЗТ - 21 используется время – импульсный принцип блокирования защиты в сочетании с торможением от второй гармоники дифференциального тока. Благодаря этому сочетанию обеспечивается высокая чувствительность  (Iс.з.min=0.3Iном) и быстродействие защиты.

Аналогично  дифференциальным защитам с торможением  на электромагнитных реле (например, типа ДЗТ-11) для отстройки от установившихся, а также переходных токов небаланса  используется «процентное» торможение от токов плеч защит.

 

Тормозная характеристика реле ДЗТ-21 состоит  из двух участков: горизонтального  и наклонного. Наличие горизонтального  участка характеристики повышает чувствительность защиты при  коротких замыканиях в зоне с переходным сопротивлением в месте повреждения, т.к. в этом случае защита имеет ток срабатывания, соответствующий отсутствию торможения.

Схема входных  цепей защиты обеспечивает выравнивание токов плеч дифференциальной цепи в  диапазонах от 2,5 до 5 А с помощью ответвления от первичной обмотки трансформатора ТР. Для расширения диапазона выравнивания используются автотрансформаторы АТ-31 (диапазон токов 0,34 – 2,5 А) и АТ-32 (5 – 33 А).

Так как  защищаемый трансформатор имеет  большую мощность (250 МВА), то применяем защиту типа ДЗТ-21.

 

Расчет ДЗТ – 21:

1. Определяем номинальные токи сторон защиты:

2. Выбираются трансформаторы тока, исходя из первичных токов, установленные на сторонах трансформатора, и их коэффициенты трансформации:

На стороне 220 кВ установлен трансформатор тока ТФЗМ 220Б – III, а стороне 15,75 кВ – ТШЛ20Б – I, их коэффициенты трансформации:

3. В зависимости от схемы соединения обмоток ТТ, определяются коэффициенты схемы:

На стороне 220 кВ обмотки трансформаторов тока соединены в треугольник, на стороне 15,75 кВ – в звезду.

Коэффициенты  схемы следующие:

4. Определяем номинальные вторичные токи:

За основную сторону защиты принимаем сторону 15,75 кВ, так как ее вторичный ток близок к номинальному ответвлению трансреатора и к ней приводим вторичные токи в цепях реле (в рабочей и тормозной обмотках).

5. Рассчитываем ток ответвления выравнивающего автотрансформатора на неосновной стороне защиты:

В данном случае, на стороне 220 кВ во вторичных  цепях, необходимо установить понижающий автотрансформатор АТ – 32.

В данном плече вторичные токи подводятся на 1 – 3 ответвления выравнивающего автотрансформатора с номинальным  током 5,44 А.

.

Реле  подключаются к 1 – 2 ответвлению выравнивающего автотрансформатора с номинальным  током 5 А.

.

Соответственно  номинальный ток используемого  – 1 – ответвления TAV реле на неосновных сторонах (220 кВ) при использовании выравнивающего трансформатора равен 5 А.

Таким образом, плечо 220 кВ подключается к 1 ответвлению  TAV с номинальным током 5 А, а плечо 15,75 подключается ко 2 ответвлению TAV с номинальным током 4,6 А.

6. Расчетный ток, ответвления промежуточных трансформаторов тока цепи торможения реле:

Для стороны 15,75 кВ расчетный тормозной ток  равен вторичному.

Тогда плечо 220 кВ подключается на 1 ответвление  промежуточного трансформатора тока цепи торможения с номинальным током 5 А. Плечо 15,75 кВ так же, подключается на 1 ответвление.

7. Принимается уставка начала торможения:

Так как  трансформатор может быть включен  под напряжение, как со стороны  генератора, так и со стороны шин 220 кВ, то торможение должно выполняться  от всех групп трансформаторов тока дифференциальной защиты.

В данном случае уставка торможения будет  равна:

.

Первичный начальный ток цепи торможения:

8. Определяем ток небаланса в режиме, соответствующем началу торможения:

Согласно  пункту 5.1.3 РУ по релейной защите 13Б:

 - принимается равным 1, а полная погрешность трансформаторов тока , учитывая дополнительную погрешность используемых в защите автотрансформаторов тока, принимается равной 5%. Коэффициент однотипности ТТ, принимаем равным 1. Тогда:

 

9. Определяем первичный минимальный ток срабатывания защиты (ее чувствительного органа) по следующим условиям:

Отстройки от расчетного первичного тока небаланса  в режиме, соответствующем началу торможения:

Отстройки от тока небаланса переходного режима внешнего короткого замыкания, по выражению:

За расчетное  принимаем большее из этих значений:

10.  Определяем относительный минимальный ток срабатывания реле при отсутствии торможения:

11.  Определяем первичный максимальный ток, проходящий через защищаемый трансформатор при внешнем коротком замыкании.

И соответствующей ему максимальный расчетный ток небаланса:

Согласно  пункту 5.1.8.3 РУ по релейной защите 13Б  принят равным 2. принята равной 10%, равен 1. Тогда:

12.  Определяем коэффициент торможения защиты:

13.  Определяем первичный ток срабатывания отсечки по условию отстройки от максимального первичного тока небаланса при переходном режиме короткого замыкания:

Принимаем =3, получаем:

Уставка отсечки принята равной . При такой уставке первичный ток срабатывания отсечки больше его расчетного значения и равен:

В качестве тока срабатывания отсечки принимаем  больший из этих токов, то есть:

 

Расчет защиты трансформатора от внешних коротких замыканий на землю в сети с глухозаземленными нейтралями.

 

Защита  от внешних коротких замыканий на землю устанавливается в нейтрали трансформатора и резервирует защиты отходящих от шин линий. Защита должна отстраиваться от максимального тока срабатывания первой ступени токовой защиты нулевой последовательности.

Ток срабатывания первой ступени ТЗНП отстраивается  от максимального тока однофазного  короткого замыкания на землю  в конце защищаемой линии (точки  коротких замыканий к3 и к4).

Найдем  этот ток:

Найдем  ток срабатывания защиты в нейтрали трансформатора:

Время срабатывания защиты должно быть согласовано с временем срабатывания первой ступени ТЗНП линии и отличатся от него на ступень селективности (0,3 – 0,5 с.).

Чувствительность  защиты проверяется к минимальному току двухфазного короткого замыкания  на землю на шинах 220 кВ станции. Определим  коэффициент чувствительности защиты:

Для расчета  используем данные по расчету тока короткого замыкания в точке  к3.

Коэффициент токораспределения для нахождения тока через защиту такой же, как и в случае с точкой к3:

.

Тогда ток  двухфазного короткого замыкания  на землю в точке к1:

Коэффициент чувствительности:

Что удовлетворяет  условию  .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газовая защита трансформатора.

 

Описание  газового реле:

Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической  дугой или нагревом деталей, что  приводит к разложению масла и  изоляционных материалов и образованию  летучих газов. Газы поднимаются  в расширитель, который является самой высокой частью трансформатора. Т.о., образование газов в кожухе трансформатора и движение масла  в сторону расширителя могут  служить признаком повреждения  внутри трансформатора. Эти признаки используются для выполнения специальной  защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и  движение масла. Газовое реле устанавливается  в трубе, соединяющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы через  него проходили газ и поток  масла.

В последнее  время применяются реле с реагирующим  элементом, имеющим вид чашки.

Газовая защита может работать не только при повреждениях и опасных ненормальных режимах, но и при появлении в кожухе трансформатора воздуха, при толчках масла, вызванных любой причиной, и механических сотрясениях, имеющих место вследствие вибрации корпуса трансформатора.

Основными достоинствами газовой защиты являются: простота ее устройства, высокая чувствительность, малое время действия при значительных повреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимости от размеров повреждения.

Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждений его обмоток и особенно при витковых замыканиях, на которые дифференциальная защита реагирует только при замыкании большого числа витков, а МТЗ и отсечка не реагируют совсем.

Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора и должна выводиться из действия, когда имеется опасность выделения воздуха в кожухе трансформатора (т.е. после ремонта, доливки масла). По этим причинам газовая защита должна дополняться второй защитой от внутренних повреждений, в данном случае – это дифференциальная защита.    

Требования  и допущения:

• Газовая защита должна действовать на сигнал при слабом газообразовании и понижении уровня масла  и на отключение при интенсивном газообразовании и дальнейшем понижении уровня масла.
• Защита от повреждений внутри кожуха трансформатора, сопровождающихся выделением газа, может быть выполнена также с использованием реле давления.
• Защита от понижения уровня масла может быть выполнена также в виде отдельного реле уровня в расширителе трансформатора.
• Должна быть предусмотрена возможность перевода действия отключающего элемента газовой защиты на сигнал и выполнения раздельной сигнализации от сигнального и отключающих элементов газового реле (различающейся характером сигнала).

Список литературы.

 

1. Руководящие указания по релейной защите.

“Релейная защита понижающих трансформаторов  и автотрансформаторов 110 – 500 кВ”, 13А. Энергоатомиздат,1985.

2. Руководящие указания по релейной защите.

“Релейная защита понижающих трансформаторов  и автотрансформаторов 110 – 500 кВ”, 13Б. Энергоатомиздат,1985.

3. Релейная защита.

Чернобровов Н.В., “Энергия”,1974.

4. Правила устройства электроустановок.

Энергоатомиздат, 1985.

5. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. Учебное пособие для вузов. -4-е изд. Перераб. И доп. – М.:Энергоатомиздат,1989.