Тяговые подстанции

 

2.2.1 Типы применяемых защит  трансформаторов

Для выбранного силового трехобмоточного  трансформатора ТДТН-20000/110 выбираем следующие  типы релейных защит:

1 Дифференциальная защита  от всех видов повреждений  как внутри трансформатора, так  и на его выводах.

2 Газовая защита от  повреждений внутри трансформатора.

3 Максимальная токовая  защита на сторонах ВН, СН и  НН от сверхтоков, обусловленных  внешними короткими замыканиями.

4 Токовая защита от  перегрузки трансформатора.

5 Защита включения обдува  трансформатора.

 

2.2.2 Газовая защита трансформатора

Применяется для защиты трансформаторов  от внутренних повреждений. Ее действие основано на принципе реагирования на скорость выделения газов из изоляционных материалов или масла, появляющихся при нагреве деталей или дуговых  процессов внутри трансформатора. Трансформатор  соединяется с маслорасширительным  бачком трубопроводом. При возникновении  внутри трансформатора дуги вокруг нее  начинается бурное газовыделение, давление в баке повышается, и поток масла  вместе с газовыми пузырями устремляется через трубопровод в маслорасширитель. На этот поток масла и газов  реагирует газовое реле, которое  врезано в трубопровод, соеденяющий  бак трансформатора с маслорасширителем.

Газовую защиту понижающего  трансформатора ТДТН-20000/110 выполняем  с помощью газового реле РГЧЗ-66, которое  представляет собой герметически закрытый корпус, наполненный маслом, внутри которого находятся сигнальный и  отключающий элементы, выполненные  в виде чашек. При нормальной работе трансформатора газовое реле полностью  заполнено маслом, верхняя (сигнальный элемент) и нижняя (отключающий элемент) чашки удерживаются в верхнем  положении. Контакты обоих элементов  разомкнуты. При нарушении нормального  режима работы трансформатора образование  газов происходит с различной  интенсивностью: бурно - при междуфазных  коротких замыканиях, витковых замыканиях на корпус и медленно при разложении дерева и изоляции при их перегреве. Если выделение газов происходит с малой интенсивностью, то они, проходя  из бака трансформатора в трубопровод, скапливаются в верхней части  газового реле, вытесняя масло. Когда  уровень масла в газовом реле станет ниже дна чашки сигнального  элемента, чашка, наполненная маслом, опускается под действием силы тяжести, поворачиваясь вокруг своей оси, замыкает свои контакты и создает  цепь предупредительной сигнализации.

При бурном газовыделении  давление в баке резко увеличивается  и происходит бросок масла или  смеси масла смеси и газов  и трансформатора в расширитель. Под действием этого потока переворачивается чашка отключающего элемента и замыкает свои контакты, создавая цепь на отключение трансформатора.

Конструкция реле обеспечивает самовозврат обоих элементов  в исходное положение после восстановления условий нормальной работы трансформатора.

Газовое реле имеет пластину, откалиброванную на уставку по скорости на 0,6 м/с, т.е когда скорость потока масла или смеси масла с  газом достигнет значения 0,6 м/с, тогда чашка отключающего элемента опрокидывается, замыкая свои контакты и создавая цепь на отключение трансформатора.

Основные технические  данные реле РГЧЗ-66:

рабочее напряжение - 110 В;

виброустойчивость - реле не замыкает своих контактов при  вибрации (реле заполнено маслом);

уставка срабатывания реле - 0,6 м\с;

реле срабатывает на сигнал при наличии в корпусе реле

газа - 450 см³.

 

2.2.3 Дифференциальная защита  трансформаторов

Дифференциальная защита применятся для защиты обмоток трансформаторов  между фазами и на землю (бак трансформатора). Она защищает от междуфазных коротких замыканий и на землю не только обмотки трансформатора, но и выводы и ошиновку в пределах между трансформаторами тока, установленных со всех сторон защищаемого трансформатора.

Для защиты понижающих трансформаторов  с регулированием напряжения под  нагрузкой применяются, в основном, реле типа ДЗТ с насыщающимися  трансформаторами тока (НТТ) и магнитным  торможением. [8]

 

Таблица 2.5 - Данные для расчета  дифференциальной защиты трансформатора ТДТН-20000/110.

Наименование величины	115 кВ	38,5 кВ	11 кВ
Первичные номинальные токи трансформатора, А	100,5	300	1050
Коэффициент трансформации  трансформаторов тока KTA=I1/I2	200/5=40	300/5=60	1000/5= =200
Схемы соединения трансформаторов  тока	треугольник	треугольник	звезда
Вторичные номинальные токи в плечах защиты, А			1050/200= =5,25
Коэффициент схемы			1

 

Определяем токи короткого  замыкания, протекающие через защищаемый трансформатор в расчетных режимах, приведенные к стороне ВН. Для  этого задаемся следующими параметрами:

S_{KC max}=3500 мВА - мощность короткого замыкания на вводах 115 кВ в максимальном режиме.

S_{KC min}=2000 мВА - мощность короткого замыкания на вводах 115 кВ в минимальном режиме.

X_{C max}=U_cp²/ S_{KC max}=115²/3500=3,78 Ом; - сопротивление системы в максимальном режиме[6]

 

X_{C min}=U_cp²/ S_{KC min}=115²/2000=6,61 Ом; - сопротивление системы в минимальном режиме

 

U_K1 = 0,5(U_{K I-II} + U_{K I-III} - U_{K II-III}) = 0,5(17+0,5-6) =10,75%

U_K2 = 0,5(U_{K I-III} + U_{K II-III} - U_{K I-III}) = 0,5(17+6-10,5) = 6,25%

U_K3 =0,5(U_{K II-III} +U_{K I-III} -U_{K I-II}) = 0,5(10,5+6-17) = -0,25% » 0

 

X_TP1 = (U_K1/100)(U_CP²/S_{H. TP}) = 10,75×115²/100×20 = 71,08 Ом -сопротивление обмотки ВН трансформатора

 

X_TP2 = (U_K2/100)(U_CP²/S_{H. TP}) = 6,25×115²/100×20 = 41,32 Ом -сопротивление обмотки СН трансформатора

 

X_TP3 = (U_K3/100)(U_CP²/S_{H. TP}) = 0 Ом -сопротивление обмотки НН

трансформатора [6]

Определяем токи короткого  замыкания на шинах 11 кВ и 38,5 кВ для  максимального режима:

 

I_Kmax10 = U_1ном /×X_max10 = 115000/×74,86 = 888 A

I_Kmax35 = U_1ном /×X_max35 = 115000/×116,18 =572,16 A

 

Определяем токи короткого  замыкания на шинах 11 кВ и 38,5 кВ для  минимального режима:

 

I_Kmin10 = U_1ном /×X_min10 = 115000/×77,69 = 855 A

I_Kmin35 = U_1ном /×X_min35 = 115000/×119,01 =558,6 A

I⁽¹⁾_Kmin110 = U_1ном /×X_cmin = 115000/×6,61 = 10056,6 A

 

Расчет дифференциальной защиты понижающего трансформатора

ТДТН-20000/110 производим для  реле ДЗТ-11. Рабочая (дифференциальная) обмотка установлена на стороне 115 кВ.

Ток срабатывания защиты

 

I_{с. з.} ³ K_н × I_н, где[8]

I_н = 100,5 А - номинальный ток обмотки ВН трансформатора

 

ТДТН-20000/110.

K_н = 1,5 - коэффициент надежности учитывающий ошибку реле ДЗТ-11 и необходимый запас.

 

I_{с. з.} = 1,5 × 100,5 = 150,75 А

 

Ток уставки срабатывания реле:

 

I_у.с.р. = I_с.з. × K_cx/K_та = 150,75 × /40 = 6,52 А

 

Определяем число витков рабочей обмотки, установленной  на стороне 115 кВ

 

w_p = F_cp/I_у.ср, где

 

F_cp = 100 А × вит - магнитодвижущая (намагничивающая) сила, необходимая для срабатывания реле ДЗТ-11.

w_p = 100/6,52 = 15,34. Принимаем ближайшее целое число витков рабочей обмотки, которое можно выставить на реле ДЗТ-11

w_p = 16 витков.

Уравнительные обмотки установлены  на сторонах СН и НН трансформатора. Число витков уравнительных обмоток  определяем из условия уравновешивания  намагничивающих сил в реле ДЗТ-11, создаваемых номинальными токами в  рабочей и уравнительной обмотках.

 

I_п^I × w_p = I_п^II × w_y1p = I_п^III × w _y2p

 

Для стороны 38,5 кВ:

 

I_п^I × w_p = I_п^II × w_y1p

w_y1p = I_п^I × w_p/ I_п^II = 4,35 × 16 / 8,65 = 8,04 витков. Принимаем w_y1p = 8 витков.

 

Для стороны 11 кВ:

 

I_п^I × w_p = I_п^III × w_y2p

w_y2p = I_п^I × w_p/ I_п^III = 4,35 × 16 / 5,25 = 13,25 витков. Принимаем w_y2p = 14 витков.

 

Определяем наибольший ток  небаланса при трехфазном коротком замыкании.

 

I_нб = (K_a × K_одн × e + DU_рег + Df_выр) × I_{k max,} где

 

K_a = 1 - коэффициент, учитывающий переходный режим токов короткого замыкания;

K_одн = 1 - коэффициент однотипности трансформаторов тока;

e = 0,1 - допускаемая относительная  погрешность трансформаторов тока;

DU_рег = 0,16 - относительная погрешность обусловленная регулированием напряжения;

Df_выр - относительная погрешность от неточного выравнивания токов плеч защиты вследствие невозможности точной установки на реле точного числа витков;

I_{k max} - максимальное значение тока короткого замыкания (на стороне ВН) при коротком замыкании на стороне СН или НН трансформатора.

 

Df_выр = (w_y - w_yp) / w_yp

 

для стороны 38,5 кВ

 

I_нб = (K_a × K_одн × e+DU_рег+(w_y1 - w_y1p) / w_y1p) × I_{k max35}=(1 × 1 × 0,1 + 0,16 + +(8,04 - 8) / 8) × 572,16 = 151,62 А

 

для стороны 11 кВ

 

I_нб = (K_a × K_одн × e+DU_рег+(w_y2 - w_y2p) / w_y2p) × I_{k max10}=(1 × 1 × 0,1 + 0,16 + +(14 - 13,25) / 13,25) × 888 = 281,14 А

 

Принимаем наибольший ток  небаланса I_нб = 281,14 А.

Тормозная обмотка включена на сумму токов плеч защиты сторон СН и НН трансформатора. Число витков тормозной обмотки выбирается, исходя из условия надежного несрабатывания защиты при внешних коротких замыканиях.

 

w_т ³ (K_з × I_{нб max} × w_расч) / I_{k max} × tga, где

 

K_з - коэффициент запаса;

tga = 0,87 - тангенс угла наклона  к оси абсцисс касательной,  проведенной из начала координат  к характеристике срабатывания, соответствующей минимальному торможению;

 

w_расч = 15,34 витков - расчетное число витков рабочей обмотки.

w_т = 1,5 × 281,14 × 15,34 / 888 × 0,87 = 8,37 витков.

 

Принимаем ближайшее большее  число витков тормозной обмотки, которое можно выставить на реле ДЗТ-11

w_т = 9 витков.

Определяем коэффициент  чувствительности защиты:

 

К_ч = I_{k min}⁽²⁾ × w_p / F_ср, где[6]

I_{k min}⁽²⁾ - значение минимального тока двухфазного короткого замыкания.

для короткого замыкания  на стороне 11 кВ

 

I_{k min}⁽²⁾ = 1,5 × I_{k min10} / К_та = 1,5 × 855 / 40 = 32,06 А

К_ч10 = 32,06 × 16 / 100 = 5,12 > 2

 

для короткого замыкания  на стороне 38,5 кВ

 

I_{k min}⁽²⁾ =  × I_{k min35} / К_та =  × 588,6 / 40 = 24,16 А

К_ч35 = 24,16 × 16 / 100 = 3,87 > 2

 

для короткого замыкания  на стороне 115 кВ

 

К_ч115⁽¹⁾ = I_{k min115}⁽¹⁾ × w_p / К_та × Fср = 10056,6 × 16 / 40 × 100 = 40,23 > 2

 

Для защиты понижающего трансформатора ТДТН-20000/110 используем трехфазную дифференциальную защиту без выдержки времени, в трехрелейном исполнении с реле ДЗТ-11.

 

2.2.4 Максимальная токовая  защита понижающего трансформатора  ТДТН-20000/110

Максимальная токовая  защита (МТЗ) применяется для защиты трансформаторов для защиты от внешних  коротких замыканий и как резервная  от внутренних повреждений, т.е. резервирует  газовую и дифференциальную защиту, т.к. имеет выдержку времени и  поэтому является небыстродействующей.

МТЗ трехобмоточного трансформатора устанавливается с трех сторон, т.е. на стороне ВН, на стороне СН и  стороне НН

МТЗ понижающего трансформатора на стороне ВН.

МТЗ понижающего трансформатора ТДТН-20000/110 на стороне ВН выполняется  с пуском по напряжению, с выдержкой  по времени, в трехрелейном исполнении.

Ток срабатывания МТЗ принимаем  больший из двух значений:

 

I_с.з.1 = К_н × I_н.тр / К_в и I_с.з.2 = К_с × I_с.з^', где[5]

 

К_н = 1,2 - коэффициент надежности защиты;

К_в = 0,85 - коэффициент возврата реле;

I_н.тр = 100,5 А - номинальный ток первичной обмотки понижающего трансформатора ТДТН-20000/110;

К_с = 1,1 - коэффициент селективности действия защиты, вводимый для того, чтобы по отношению к одному и тому же значению тока чувствительность защиты, расположенной ближе к источнику питания была меньше чувствительности защиты, расположенной дальше от источника питания[3]

I_с.з^' - большее значение пересчитанного на напряжение 115 кВ тока срабатывания максимальной токовой защиты вводов распредустройства СН (38,5 кВ) и НН (11 кВ).

 

I_с.з^' = I_с.з / К_т, где

 

К_т = U_BH / U_CH - коэффициент трансформации трансформатора ТДТН-20000/110;

для стороны НН

 

I_с.з. = К_н × I_н.тр / К_в = 1,2 × 1050 / 0,85 = 1482,35 А;

I_с.з^' = 1482,32 / (115/11) = 141,79 А;

 

для стороны СН

 

I_с.з. = К_н × I_н.тр / К_в = 1,2 × 300 / 0,85 = 423,52 А;

I_с.з^' = 423,52 / (115/38,5) = 141,79 А.

Т. к. I_с.з^' для стороны НН и I_с.з^' для стороны СН равны, то принимаем

I_с.з^' = 141,79 А.

I_с.з.1 = 1,2 × 100,5 / 0,85 = 141,88 А и

I_с.з.2 = 1,1 × 141,79 = 155,97 А.

 

Принимаем ток срабатывания МТЗ на стороне ВН