В данной статье речь пойдет о типовых схемах соединений обмоток трансформаторов тока (ТТ) и реле.
В трехфазных электрических сетях переменного тока всех классов напряжения ТТ для питания устройств РЗ устанавливаются в двух или в трех фазах: как правило, в сетях 6 и 10 кВ с малыми токами замыкания на землю в двух фазах (А и С), в сетях 35 кВ и обязательно в сетях 110 кВ и выше в трех фазах. Все три фазы оснащаются ТТ и в сетях напряжением до 1 кВ, если они работают с глухозаземленной нейтралью.
При выполнении токовых защит используются следующие четыре схемы соединения вторичных обмоток ТТ и токовых цепей реле тока [Л1, с.41]:
- полная звезда (трехфазная, трехрелейная);
- неполная звезда (двухфазная, двухрелейная);
- неполная звезда с реле в обратном проводе (двухфазная, трехрелейная);
- включение реле на разность токов двух фаз (двухфазная, однорелейная).
Схемы характеризуются отношением тока в реле lр к вторичному I2 току ТТ, называемым коэффициентом схемы.
Схема полной звезды ТТ
В схеме полной звезды (рис. 1, а) в реле проходят вторичные токи измерительных трансформаторов, поэтому коэффициент схемы kcx=1.
Защита может срабатывать при любом виде КЗ. Эта схема применяется обычно в сетях с глухозаземленной нейтралью, в которых могут возникать не только междуфазные, но и однофазные КЗ, сопровождающиеся протеканием тока в одной фазе. В сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью (6-35 кВ) схема, как правило, не применяется, так как в этих сетях могут возникать лишь междуфазные КЗ, для фиксации которых достаточно иметь трансформаторы тока в двух фазах. Схема относительно дорогая, так как требует трех ТТ и трех реле тока.
Схема неполной звезды ТТ
В схеме неполной звезды (рис. 1, б) в реле тока проходят вторичные токи ТТ, установленных в фазах А и С. Коэффициент схемы kcx = 1. Схема нашла широкое распространение в сетях с изолированной нейтралью, поскольку она обеспечивает отключение любого междуфазного КЗ (двухфазного или трехфазного).
Недостатком схемы является пониженная (в 2 раза по сравнению с предыдущей схемой) чувствительность максимальной токовой защиты при двухфазном КЗ АВ за трансформатором со схемой соединения обмоток У/Д-11, поскольку при этом в реле защиты проходит ток, в 2 раза меньше, чем в схеме полной звезды.
Схемы соединений ТТ
Схема соединения ТТ в «полную звезду» (рис. 2.7) обычно используется в сетях с заземленной нейтралью с U³110 кВ. В сетях с изолированной нейтралью U£35 кВ такая схема применяется редко – на ответственных электроустановках (например, защита шин). Коэффициент такой схемы kСХ=1 (отношение тока, протекаемого через реле, к току, протекаемому через вторичную обмотку ТТ). В реле КА4 протекает утроенный ток нулевой последовательности. Это нетрудно доказать, согласно методу симметричных составляющих токи фаз равны:
. (2.11)
В реле КА4 токи фаз А, В и С складываются. В результате суммы по составляющим прямой и обратной последовательности становятся равными нулю, так как
, (2.12)
а результирующий ток, протекающий через реле КА4, равен 3IА0. Обычно в индексе обозначение фазы А опускается и записывается 3I0.
Схема соединения ТТ в
«неполную звезду»используется исключительно в сетях с изолированной нейтралью U £ 35 кВ. Для такой схемы kСХ = 1, так как токи в реле и во вторичной обмотке ТТ равны. Особенностью схемы является то, что от двух ТТ можно получить ток третьей фазы ― IВ, включив реле КА3 в обратный провод:
I2А+ I2С = ― I2В, (2.13)
так как для симметричной трехфазной сети выполняется равенство (токами нулевой последовательности пренебрегают, потому что при однофазных замыканиях на землю они несоизмеримо меньше рабочих).
Схема соединения ТТ в «треугольник»(рис. 2.9) обычно применяется в сетях с U ³ 110 кВ для дифференциальной защиты трансформатора со стороны высшего напряжения. Коэффициент такой схемы можно вычислить, по I закону Кирхгофа, найдя токи в узле ТТ фазы А:
, (2.14)
откуда ток в реле найдем:
. (2.15)
Учитывая, что , согласно векторной диаграмме (рис. 2.10), нетрудно вычислить:
(2.16)
Схема (рис. 2.11) соединения ТТ на разность фаз (раннее эту схему называли «неполный треугольник»или «восьмерка») используется в сетях с изолированной нейтралью с U £ 35 кВ чаще всего для защиты высоковольтных электродвигателей, но иногда и для защиты линий, реже трансформаторов. Аналогично, как для схемы соединения ТТ в «треугольник», ее. Выводы аналогичны схеме «треугольника», так для узла получается выражение (2.14).
Ее достоинство – наличие одного реле, простота. Недостатком является низкая чувствительность при витковых замыканиях обмотки двигателя в фазе В.
Схема фильтра тока нулевой последовательности показана на рис. 2.12. Используется в сетях с заземленной нейтралью с U ³ 110 кВ для токовой защиты нулевой последовательности. Так как эта схема является фильтром, то для нее нет понятия коэффициента схемы. Через реле протекает утроенный ток нулевой последовательности 3I0
―
доказыва-ется аналогично схеме «полной звезды».
Последовательное соединение ТТ (рис. 2.13) используется для повышения нагрузочной способности ТТ. Для этого использут ТТ с одинаковыми kТ. Так как ток, протекающий через ТТ, одинаков, а напряжение на нагрузке делится на два, то нагрузка на каждый ТТ уменьшается в два раза. Часто такая схема используется на стороне высокого напряжения трансформатора со схемой соединения Y/D для его дифференциальной защиты.
Параллельное соединение ТТ (рис. 2.14) используется для уменьшения kТ. Если ТТ имеют одинаковый kТ, то результирующий коэффициент трансформации будет в два раза меньше.
Схема соединения ТТ в «полную звезду» (рис. 2.7) обычно используется в сетях с заземленной нейтралью с U³110 кВ. В сетях с изолированной нейтралью U£35 кВ такая схема применяется редко – на ответственных электроустановках (например, защита шин). Коэффициент такой схемы kСХ=1 (отношение тока, протекаемого через реле, к току, протекаемому через вторичную обмотку ТТ). В реле КА4 протекает утроенный ток нулевой последовательности. Это нетрудно доказать, согласно методу симметричных составляющих токи фаз равны:
. (2.11)
В реле КА4 токи фаз А, В и С складываются. В результате суммы по составляющим прямой и обратной последовательности становятся равными нулю, так как
, (2.12)
а результирующий ток, протекающий через реле КА4, равен 3IА0. Обычно в индексе обозначение фазы А опускается и записывается 3I0.
Схема соединения ТТ в
«неполную звезду»используется исключительно в сетях с изолированной нейтралью U £ 35 кВ. Для такой схемы kСХ = 1, так как токи в реле и во вторичной обмотке ТТ равны. Особенностью схемы является то, что от двух ТТ можно получить ток третьей фазы ― IВ, включив реле КА3 в обратный провод:
I2А+ I2С = ― I2В, (2.13)
так как для симметричной трехфазной сети выполняется равенство (токами нулевой последовательности пренебрегают, потому что при однофазных замыканиях на землю они несоизмеримо меньше рабочих).
Схема соединения ТТ в «треугольник»(рис. 2.9) обычно применяется в сетях с U ³ 110 кВ для дифференциальной защиты трансформатора со стороны высшего напряжения. Коэффициент такой схемы можно вычислить, по I закону Кирхгофа, найдя токи в узле ТТ фазы А:
, (2.14)
откуда ток в реле найдем:
. (2.15)
Учитывая, что , согласно векторной диаграмме (рис. 2.10), нетрудно вычислить:
(2.16)
Схема (рис. 2.11) соединения ТТ на разность фаз (раннее эту схему называли «неполный треугольник»или «восьмерка») используется в сетях с изолированной нейтралью с U £ 35 кВ чаще всего для защиты высоковольтных электродвигателей, но иногда и для защиты линий, реже трансформаторов. Аналогично, как для схемы соединения ТТ в «треугольник», ее. Выводы аналогичны схеме «треугольника», так для узла получается выражение (2.14).
Ее достоинство – наличие одного реле, простота. Недостатком является низкая чувствительность при витковых замыканиях обмотки двигателя в фазе В.
Схема фильтра тока нулевой последовательности показана на рис. 2.12. Используется в сетях с заземленной нейтралью с U ³ 110 кВ для токовой защиты нулевой последовательности. Так как эта схема является фильтром, то для нее нет понятия коэффициента схемы. Через реле протекает утроенный ток нулевой последовательности 3I0
―
доказыва-ется аналогично схеме «полной звезды».
Последовательное соединение ТТ (рис. 2.13) используется для повышения нагрузочной способности ТТ. Для этого использут ТТ с одинаковыми kТ. Так как ток, протекающий через ТТ, одинаков, а напряжение на нагрузке делится на два, то нагрузка на каждый ТТ уменьшается в два раза. Часто такая схема используется на стороне высокого напряжения трансформатора со схемой соединения Y/D для его дифференциальной защиты.
Параллельное соединение ТТ (рис. 2.14) используется для уменьшения kТ. Если ТТ имеют одинаковый kТ, то результирующий коэффициент трансформации будет в два раза меньше.
Схема неполной звезды ТТ с реле в обратном проводе
В схеме неполной звезды с реле в обратном проводе (рис. 1, в) через реле 3КА, включенное в обратный провод, проходит сумма вторичных токов фаз А и С или (при междуфазных КЗ) ток фазы В с обратным знаком [Л1, с.42]:
Схема обладает достоинством схемы неполной звезды (использование двух ТТ) и имеет такую же чувствительность при двухфазных КЗ за трансформатором У/Д-11, как и схема полной звезды. Коэффициент схемы kcx = 1.
Схема неполной звезды с реле в обратном проводе или без него нашла широкое распространение в токовых защитах линий напряжением до 35 кВ включительно (т.е. в сетях с изолированной нейтралью).
Проект РЗА
Схемы с двумя трансформаторами тока на присоединение (схема неполной звезды) одни из самых распространенных в сетях 6-35 кВ. Раньше такие схемы применяли в проектах по умолчанию на большинстве присоединений, начиная с линии и заканчивая трансформаторами 35/6 кВ.
В действительности схема неполной звезды обычно имеет такую же чувствительность, как и схема полной, если вы применяете трехрелейную РЗА.
Однако, есть один вид повреждения, при котором данная схема включения релейной защиты может привести к очень неприятным последствиям. Об этом и поговорим в сегодняшней статье.
Как вы, наверное, догадались этот вид повреждения – двойное замыкание на землю. Причем к проблемам приводит только один тип распределения точек замыкания, именно тот, что указан на Рис. 1
Рис. 1. Вариант двойного замыкания на землю в сетях 6-35 кВ
Развитие аварии может иметь следующий вид:
— Сначала происходит однофазное замыкание на землю на фазе А (или С) в вышестоящей сети. ОЗЗ не является аварийным режимом и может существовать в сети достаточно долго (на время поиска “земли”);
— Несмотря на отсутствие токов КЗ изоляция здоровых фазы, в том числе фазы B, находятся под действием линейных напряжений. Из-за перенапряжения происходит пробой изоляции фазы В в нижестоящем РУ (например, шины или разделка отходящего кабеля);
— Получаем двойное замыкание на землю через фазы А (или С) и В, причем эти точки находятся на разных уровнях распределения. Нижестоящая защита ввода, выполненная по двухтрансформаторной схеме, не фиксирует ток двойного замыкания на землю несмотря на то, что это уже аварийный ток;
— Двойное замыкание отключается вышестоящей защитой.
Думаю, ситуация понятна. На практике такие случаи хоть и относительно редки, но все же встречаются.
Первый вопрос в том, что имеет место быть неселективное отключение присоединения (если бы сработала защита ввода, то двойное замыкание опять перешло бы в ОЗЗ, с которым типа можно работать). Но это не самое страшное.
Гораздо хуже то, что отключение происходит с выдержкой времени, которой быть не должно. Если второе замыкание было на шинах, то, например, не отработает ЛЗШ.
Еще хуже, если замыкание дуговое – у вас просто не сработает дуговая защита (вспышка есть, а тока нет). Выдержка МТЗ на линейном выключателе сверху может быть 1-1,5 секунды, за которое дуга разрушит ячейку, а то и всю секцию.
Таким образом, не стоит применять двухтрансформаторные схемы на вводах и СВ. На линиях и других присоединениях это не так критично потому, что дуговая защита обычно не пускается от их МТЗ.
Также стоит проанализировать влияние этого фактора на проверку термической стойкости экранов одножильных кабелей из СПЭ, отходящих от подобной подстанций (с РЗА по схеме неполная звезда), в случае второго замыкания на кабеле.
Экраны таких кабелей проверяют именно по двухфазному замыканию на землю и здесь нужно правильно определить время отключения. Возможно оно окажется гораздо выше, чем время собственной МТЗ. Но об этом как-нибудь в другой раз.
