Пятница, Декабрь 15, 2017

4. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ ПЛАВКИМИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯМИ

Трансформаторы 10/0,4 кВ в сельских и городских распределительных электрических сетях мощностью до 0,63 MB-А включительно, как правило, защищают­ся плавкими предохранителями на стороне 10 кВ и весьма часто также плавкими предохранителями на стороне 0,4 кВ. Возможно и такое сочетание, как пре­дохранители на стороне 10 кВ и автоматические вы­ключатели на стороне 0,4 кВ (§ 5). На стороне ВН трансформаторов закрытых подстанций (ЗТП) плав­кие предохранители применяются в сочетании с вы­ключателями нагрузки (ВНП) — разъединителями с автоматическим приводом, которые отключаются при срабатывании плавкого предохранителя хотя бы на одной из фаз.

Плавким предохранителем называется коммута­ционный аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством расплавления специ­альных токоведущих частей (плавких вставок) под воздействием тока, превышающего определенное значение, с последующим гашением возникающей элек­трической дуги.

Принцип действия и виды плавких предохрани­телей. Плавкий предохранитель как защитный аппа­рат применяется в электрических сетях уже более 100 лет. В основе его работы лежит известный закон Джоуля — Ленца (1841 г.), согласно которому про­хождение электрического тока по проводнику сопро­вождается выделением теплоты Q (в джоулях):

где I — ток, проходящий по проводнику, A, Rсопро­тивление проводника, Ом; tвремя прохождения тока, с; а—коэффициент пропорциональности.

Плавкая вставка предохранителя является участ­ком защищаемой электрической цепи, имеющим мень­шее сечение и большее сопротивление R, чем осталь­ные элементы этой цепи. Поэтому при прохождении по цепи тока КЗ плавкая вставка нагревается сильнее других элементов защищаемой цепи, раньше расплав­ляется и тем самым спасает электрическую установку от перегрева и разрушения. Но для прекращения про­хождения тока КЗ, т. е. отключения электрической установки от питающей электросети, недостаточно расплавления вставки, необходимо еще погасить воз­никшую в этом месте электрическую дугу. Быстрое га­шение дуги является важнейшей задачей плавкого предохранителя. По способу гашения электрической дуги плавкие предохранители, применяемые для за­щиты трансформаторов, делятся на две основные группы:

предохранители с трубками из газогенерирующего материала (фибры или винипласта), который обильно выделяет газы при высокой температуре горения элек­трической дуги; возникающие в этот момент высокое давление (в предохранителях типа ПР напряжением до 1000 В) или продольное дутье (в предохранителях ПСН напряжением выше 1000 В) обеспечивают бы­строе гашение электрической дуги;

предохранители с наполнителем (кварцевым пе­ском), в которых электрическая дуга гасится в ка­нале малого диаметра, образованном телом испа­рившейся плавкой вставки, между крупинками (гра­нулами) кварцевого песка; такие предохранители обычно называют кварцевыми.

На   стороне   10 кВ   трансформаторов устанавли­ваются главным образом   кварцевые предохранители типа ПК, на стороне 0,4 кВ — также преимущественно кварцевые   типа   ПН-2,   Кварцевые   предохранители имеют несколько важных положительных свойств: они обладают токоогранпчивающсй способностью   (благо­даря очень быстрому гашению электрической дуги ток КЗ не успевает достичь своего максимального ампли­тудного значения); плавкие вставки защищены от воз­действия внешней среды кварцевым песком и герме­тично закрытой фарфоровой трубкой, благодаря чему они длительное время не стареют и не требуют за­мены;   конструктивное   исполнение   предохранителей ПК и ПН-2 предусматривает сигнализацию срабаты­вания, причем контакты сигнального устройства могут давать команду на отключение трехфазного выключа­теля нагрузки, что предотвращает возможность неполнофазного режима работы трансформатора. При ис­пользовании   кварцевых   предохранителей   заводского изготовления с правильно выбранными параметрами, как правило, можно обеспечить селективность между предохранителями на сторонах ВН и НН трансфор­матора   или, по   крайней мере,   между предохраните­лями на стороне ВН трансформатора и защитными аппаратами на отходящих линиях НН, т. е. не допу­скать отключения трансформатора от питающей сети при КЗ на шинах НН или на любой из отходящих линий НН. Выбор параметров предохранителей рас­сматривается далее.

Положительные свойства кварцевых предохрани­телей наряду с их небольшой стоимостью и простотой обслуживания (при наличии необходимого запаса пре­дохранителей заводского изготовления) обеспечили массовое применение этих электрических аппаратов для защиты трансформаторов 10 кВ, несмотря на та­кой важный недостаток плавких предохранителей, как малая чувствительность к токам при перегрузках и удаленных КЗ, особенно однофазных КЗ на землю в сети 0,4 кВ. В последние годы для устранения этого недостатка на стороне 0,4 кВ трансформаторных под­станций КТП 10/0,4 кВ применяют новую защиту типа ЗТИ-0,4, которая с высокой чувствительностью реагирует на все виды КЗ и быстро отключает по­врежденную линию 0,4 кВ. Устройстве защиты типа ЗТИ-0,4 выпускает ПО «Энергоавтоматика» Минэнерго СССР.

 

 

Рис. 7. Патрон плавкого предохранителя 0,4 кВ типа ПН-2   (а) и   защитные   характеристики   этого   предохранителя   (б)

 

Нельзя использовать для защиты трансформаторов самодельные плавкие вставки, некондиционный квар­цевый песок (с повышенной влажностью, с недопу­стимо крупными или очень мелкими крупинками — гранулами), незакрытые фарфоровые трубки и т. п., поскольку это вызовет либо излишнее, неселективное отключение трансформатора и погашение всей под­станции при КЗ на одной из отходящих линий 0,4 кВ, либо отказ (несрабатывание) предохранителей 10 кВ при КЗ на стороне ВН трансформатора, что приведет к отключению питающей линии 10 кВ и погашению нескольких подстанций. Следует помнить, что заменяе­мым элементом предохранителя считается не плавкая вставка, а патрон (один или несколько) с кварцевым песком, плавким элементом (вставкой), указателем срабатывания или ударным устройством, собранный в заводских условиях.

 

Устройство и характеристики кварцевых предо­хранителей типа ПН-2. На рис. 7, а схематично по­казан патрон предохранителя типа ПН-2 (в разрезе). Патрон представляет собой квадратную снаружи и круглую внутри фарфоровую трубку 5, заполненную сухим чистым кварцевым песком 4. В трубке размещены элементы плавкой вставки 3, выполненные штам­повкой из медной ленты с напаями из олова (уско­ряющими расплавление меди при небольших значе­ниях тока КЗ). Плавкая вставка приваривается или припаивается оловом к шайбам контактных ножей /, которые крепятся винтами к крышкам 2. Для герме­тизации патрона под крышками устанавливаются асбестовые прокладки. Предохранители ПН-2 имеют высокую Механическую прочность и используются в блоке рубильник — предохранитель в качестве ком­мутационного и защитного аппарата.

Полное обозначение предохранителя состоит из де­сяти знаков, например ПН-2-100-12-УЗ. Буквы озна­чают, что предохранитель неразборный, цифра 2 — номер серии, 100 — номинальный ток предохранителя (выпускаются предохранители с номинальными то­ками 100, 250, 400, 600 А); следующие цифры инфор­мируют о виде присоединения проводников (1—пе­реднее, 2 — заднее) и о наличии указателя срабаты­вания (0 — без указателя, 1 —с указателем, 2 — с ука­зателем и замыкающим контактом, 3 — с указателем и размыкающим контактом); затем указываются кли­матическое исполнение (У — для умеренного климата, ХЛ — холодного, Т — тропического) и категория раз­мещения оборудования в соответствии с ГОСТ 15150— 69, так же как для трансформаторов (§ 1). Номи­нальные токи предохранителей ПН-2 и их плавких вставок указываются в заводских каталогах. Время-токовые (защитные) характеристики предохранителей типа ПН-2 показаны на рис. 7,6

.

Устройство и характеристики кварцевых предо­хранителей типа ПК. На рис. 8, а схематично пока­зан патрон кварцевого предохранителя типа ПК, ко­торый состоит из фарфоровой или стеклянной трубки 5, армированной с помощью цемента 3 контактными колпачками 2. В трубке находится плавкая вставка 4, которая состоит из нескольких посеребренных медных проводов, выполненных в виде растянутой спирали и имеющих несколько ступеней разного сечения (разде­ление вставки на несколько проводов облегчает гаше­ние электрической дуги, возникающей одновременно в нескольких каналах). Трубка заполнена чистым су­хим кварцевым песком и герметически закрыта крыш­ками /. Внутри размещена также нихромовая прово­лока 6, соединенная с указателем срабатывания 7. Проволока сгорает одновременно с плавкими встав­ками и освобождает указатель 7, который выталки­вается вниз специальной пружиной.

Полное обозначение кварцевого токоограничивающего предохранителя для защиты   трансформаторов состоит из одиннадцати знаков, например ПКТ-102-10-40-31,5-УЗ:   буквы   обозначают,   что   предохранитель кварцевый   для   защиты   силовых   трансформаторов (и линий),   цифра   1 — наличие ударного устройства легкого типа (0 — отсутствие такого устройства); сле­дующие   две   цифры   характеризуют   конструктивные особенности и габаритные размеры, например:   если третья цифра 1 или 2, то предохранитель состоит из одного патрона   (на каждой фазе), если 3, — то со­стоит из двух жестко связанных между собой пат­ронов, если 4, — из четырех попарно жестко связан­ных патронов. Через дефис далее указывается номи­нальное напряжение в  киловольтах   (10   кВ), затем номинальный ток предохранителя, равный номиналь­ному току плавкой вставки (40 А) и номинальный ток отключения   (/Н0м. о = 31,5 А для   данного   примера), а также климатическое исполнение и категория разме­щения   (так же, как для силовых трансформаторов, буква   У обозначает,   что аппарат предназначен для умеренного климата, а цифра 3 — для закрытых по­мещений   с естественной   вентиляцией).   Предохрани­тели ПКТ-101   изготавливаются для умеренного кли­мата также категории 1, т. е. для работы на открытом воздухе, остальные — только для закрытых   помеще­ний с естественной вентиляцией.   Основные техниче­ские данные предохранителей ПКТ приведены в ка­талоге «Электротехника СССР» 02.50.02-82 (1983 г.). На рис. 8, б и в показаны время-токовыс характери­стики предохранителей типа ПКТ для класса напря­жения   10 кВ из этого каталога. Ток, соответствую­щий   началу сплошной части времятоковой характе­ристики, называется минимальным током отключения. Это означает, что при токах КЗ, меньших, чем мини­мальный ток отключения, завод-изготовитель не га­рантирует   гашение   электрической   дуги, возникшей после расплавления плавких вставок предохранителя. Однако это не является большим недостатком, если на питающей линии 10 кВ имеется устройство АПВ. За   время бестоковой паузы, наступившей после от­ключения питающей линии и до момента ее повторного включения, электрическая дуга в предохрани­телях погаснет, трансформатор отключится от питаю­щей линии и ее АПВ будет успешным.

Наряду с отечественными кварцевыми предохра­нителями типа ПКТ для защиты трансформаторов 10 кВ могут использоваться предохранители зарубеж­ных фирм, например типа НН югославского предприя­тия «Механика» (изготавливаются по лицензии ФРГ), типа HS серии 3-30 предприятия «Трансформаторенверк» имени Карла Либкнехта в ГДР и др. Характе­ристики некоторых из них приведены в работе (8).

Выбор плавких предохранителей для защиты трансформаторов 10/0,4 кВ. Выбор номинальных на­пряжений в этой книге уже сделан: на стороне ВН — 10 кВ, на стороне НН — 0,4 кВ. Необходимо выбрать значения номинального тока отключения /Ном. о и но­минального тока предохранителя. Для предохраните­лей типа ПКТ номинальный ток предохранителя равен номинальному току заменяемого элемента, и в том числе плавкой вставки. При необходимости после вы­бора этих номинальных токов производится проверка селективности работы защитных аппаратов, последо­вательно включенных в защищаемой электрической сети.

Выбор предохранителей по номинальному току от­ключения производится по выражению

             где Iк.max — максимальное значение тока при КЗ в месте установки предохранителя (§ 2).

             Предохранители ПКТ-10 выпускаются с номиналь­ными токами отключения от 12,5 до 31,5 кА, что, как правило, позволяет выполнить условие (13). Напри­мер, трансформатор 10/0,4 кВ, защищаемый предохра­нителями типа ПКТ-103-10-80-20УЗ, по этому условию может быть практически всегда включен вблизи пи­тающей подстанции с трансформатором 110/10 кВ мощностью до 40 МВ-А включительно (Iк.мах.≤^ 20 кА). Предохранители типа ПН-2 рассчитаны на отклонение токов КЗ не более 25 кА при напряжении 0,4 кВ. Максимальное значение тока при трехфазном КЗ за наиболее мощным трансформатором 10/0,4 кВ, который еще, как правило, защищается плавкими предохранителями, т. е. мощностью 0,63 MB-А, равно 16,5 кА (см. табл. 2), что меньше, чем 25 кА.

 

Рис. 9. Рекомендуемые значения номи­нальных токов плавких предохраните­лей на сторонах ВН и НН понижающего трансформатора 10/0,4 кВ при его ра­боте с номинальной нагрузкой

Номинальный   ток   предохра­нителей   (плавких вставок) типа ПКТ и ПН-2 выбирается из усло­вий   несрабатывания   при   допустимых перегрузках трансформатора и   при   работе трансформа­тора   в   режиме   холостого хода (отстройка от бросков тока на­магничивания,   которые   в   тече­ние   небольшого   промежутка   времени   могут   в не­сколько   раз   превосходить   номинальный ток транс­форматора),   а   также   из   условий   селективности по   отношению   к   другим   защитным   аппаратам и   их   между   собой   и   из   условия   обеспечения не­обходимой чувствительности к токам КЗ в основной зоне и в зонах дальнего резервирования. На основа­нии многолетнего опыта обслуживания электроуста­новок директивные материалы Минэнерго СССР ре­комендуют выбирать номинальные токи предохрани­телей (плавких вставок) следующими (рис. 9):

         на стороне ВН

— на стороне НН, при условии, что трансформатор работает без длительных перегрузок. В этих случаях предохранители на стороне НН защищают трансфор­матор от перегрузок и резервируют защитные аппа­раты отходящих линий НН при КЗ в сети этого на­пряжения. Предохранители на стороне ВН защищают трансформатор только от КЗ на его выводах ВН и частично — от внутренних повреждений. Рекомендуе­мые значения номинальных токов плавких предохра­нителей (и их заменяемых элементов) для защиты трансформаторов 10/0,4 кВ приведены в табл. 5. При выбранных по этой таблице номинальных токах обес­печиваются все условия выбора плавких предохрани­телей, в том числе и селективность между предохра­нителями ПКТ-10 и ПН-2 при КЗ на шинах 0,4 кВ.

 

Таблица 5. Рекомендуемые значения номинальных токов плавких предохранителей   (и их заменяемых элементов)для защиты трехфазных силовых трансформаторов 10/0,4 кВ.

 

 

Мощность

защищаемого

трансформатора,

МВ-А

Номинальный ток, А

Трансформатора

на стороне

Предохранителя на стороне

0,4кВ

10кВ

0,4кВ

10кВ

1

2

3

0,063

91

3,64

100

10

10

6

0,10

145

5,80

160

16

16

10

0,16

231

9,25

250

20

20

15

0,25

360

14,40

400

40(31,5)

30

20

0,40

580

23,10

630

50

50

30

0,63

910

36,40

1000

80

75

40

 

 

Примечание. 1 — предохранитель типа ПКТ (СССР); 2 — типа НН (СФРЮ, предприятие «Механика» — по лицензии ФРГ); 3 — типа HS (ГДР, предприятие «Трансформаторенверк имени Карла Либкнехта — по рекомендациям предприятий-изго­товителей).

Обеспечивается селективность и при установке вме­сто предохранителей ПН-2 автоматических выключа­телей, работающих без замедления. При других соче­таниях защитных аппаратов требуется специальная проверка селективности (см. далее).

Для трансформаторов, длительно работающих с до­пустимыми перегрузками (до 1,8 номинального тока трансформатора согласно табл. 1), номинальные токи плавких предохранителей (и плавких вставок) на сто­роне 0,4 кВ должны выбираться по рекомендациям табл. 6 в зависимости от действительных перегрузок защищаемого трансформатора. При этом на стороне 10 кВ этих трансформаторов не следует увеличивать номинальный ток предохранителя ПКТ, поскольку это ухудшает защиту трансформаторов при внутренних повреждениях и утяжеляет условия обеспечения се­лективности между защитой питающей линии 10 кВ и предохранителями на стороне 10 кВ относительно мощных трансформаторов [8, 9]. При выборе номи­нальных токов для предохранителей 10 кВ по табл. 5, а для предохранителей 0,4 кВ — по табл. 6 их селек­тивная работа при КЗ на шинах 0,4 кВ не обеспечи­вается. С этим приходится мириться, но обязательно следует проверить и обеспечить селективность действия предохранителей 10 кВ трансформатора и пре­дохранителей или автоматических выключателей на наиболее мощных отходящих линиях 0,4 кВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6. Рекомендуемые значения номинальных токов плавких вставок предохранителей типа ПН-2 для защиты на стороне 0,4 кВ трансформаторов 10/0,4 кВ, для которых допускается длительная перегрузка до 180 % номинальной мощности в соответствии с табл. 1 [5]

 

Мощность защищаемого          трансформато МВ-А

Номинальный ток, А, на стороне 0,4кВ

трансформатора

Плавкой вставки предохранителя ПН-2

0,063

91

125(160)

0,10

145

200(250)

0,16

231

315(400)

0,25

360

500(600)

0,40

580

800

0,63

910

-

Проверка селективности. Селективность между предохранителями на сторонах 10 и 0,4 кВ трансформатора (или на отходящих линиях 0,4кВ) обеспечивается, если время плавления предохранителя 10кВ tпл.10 при всех реально возможных токах КЗ оказывается больше времени плавления предохранителя 0,4 кВ tпл.:

 

Где - коэффициент запаса, учитывающий разбросы по времени времятоковых характеристик различных ти­пов предохранителей; кн=1,5 — коэффициент надеж­ности; ∆tпл.10 и ∆tпл.0,4 — разбросы по времени время-токовых характеристик предохранителей, установлен­ных на сторонах 10 и 0,4 кВ. Для отечественных плавких предохранителей стандарт регламентирует разброс по току не более 20 %. Разброс по времени при токах КЗ, соответствующих времени плавления вставки более 1 с, достигает 40 %, но при увеличении тока КЗ разброс по времени уменьшается. Таким об­разом, для этих предохранителей значение коэффи­циента запаса по выражению (17) соответствует Кзап = 1,5* 1,4* 1,4 = 3. Если согласование времятоко­вых характеристик производится при значительных кратностях тока КЗ по отношению к номинальному току предохранителя, допускается принимать кзап.=2,5, так как ∆tпл.10при кратности тока равной 10 составляет не 40, а 25%. При установке на стороне 10кВ плавких предохранителей типа HS следует учитывать что разброс по времени составляет 50%.

Время плавления tпл. 0,4 и tпл.10 определяется по типовымвремятоковымхарактеристикам(рис.7,б и 8,б,в).

Если условие (16) не выполняется, то при КЗ на шинах 0,4кВ предохранители 10кВ могут сработать раньше, чем предохранители 0,4кВ и при этом дополнительные потребители не отключаться. Тогда обязательно должна быть селективность предохранителей 10кВ тр-ра и защитных аппаратов на отходящих линиях 0,4кВ.

Проверка селективности между предохранителями 10кВ и автоматами 0,4кВ производится путём сравнения времятоковых характеристик аппаратов($5).

 

Селективность работы предохранителей на стороне 10кВ трансформатора и защиты питающей линии. Это условие желательно обеспечить во всем возможном диапазоне токов КЗ, в том числе и при малых токах КЗ внутри трансформатора. Однако это практически невозможно, так как при малых крат­ностях тока КЗ по отношению к номинальному току предохранителя его плавкая вставка расплавляется медленно. Например, при кратности 4 время плавле­ния ПКТ составляет не менее 2 с, а при кратности 3 — более 10 с. Разумеется, невозможно установить такие большие уставки по времени на защитах линий 10 кВ. Поэтому допускается обеспечивать селектив­ность между защитой питающей линии 10 кВ и плав­кими предохранителями 10 кВ на подключенных к этой линии трансформаторах только при токах, соот­ветствующих двухфазному КЗ на выводах 10 кВ каждого из трансформаторов [9]. Ток двухфазного КЗ на выводах 10 кВ трансформатора (в первую оче­редь — наиболее мощного из всех, подключенных к защищаемой линии) определяется в минимальном ре­жиме питающей энергосистемы (точка К.\ на рис. 10, а ). За расчетное принимается значение этого тока, умень­шенное на 20 %, поскольку стандарт допускает 20 %-ный разброс по току времятоковых характери­стик отечественных предохранителей выше 1000 В. Таким образом, расчетный ток определяется по вы­ражению.

        

Iк.minK1- значение   тока в защищаемой линии 10 кВ (ВЛ 10 кВ на рис. 10, а) при трехфазном КЗ в месте установки предохранителя 10 кВ (/ на рис. 10, а), т. е. в точке К\.

Времятоковые характеристики предохранителя 1 и релейной защиты питающей линии 2 (рис. 10,6) должны быть подобраны таким образом, чтобы при токе Iрасч, выбранном по выражению (18), время tоткл срабатывания предохранителя 1 было бы меньше вре­мени срабатывания защиты линии 2:

где tоткл = tпл+tгор — сумма времени плавления плавкой вставки предохранителя (определяется по времятоковым характеристикам, например, на рис. 8,6,0) и времени горения электрической дуги до момента ее гашения в патроне предохранителя ПК. Зависимость времени горения дуги от кратности тока для предохранителей ПК приведена в работе [9]. Однако на линиях 10 кВ, оборудованных, как прави­ло, устройством АПВ, разрешается не учитывать время горения электрической дуги в патроне предо­хранителя, поскольку дуга погаснет во время бесто­ковой паузы после отключения линии. Ступень селек­тивности Atв выражении (19) принимается равной примерно 0,5 с.

При токах КЗ, меньших, чем Iрасч по выражению (18), селективность между защитой линии 2 и пре­дохранителем / ухудшается и может вовсе отсутство­вать. Например, при КЗ за трансформатором (точка К% на рис.   10, а)   время срабатывания защиты 2 и предохранителя 1   примерно   одинаково (рис.   10,6), а при еще меньших значениях тока защита линии 2 может иметь меньшее время срабатывания, чем предо­хранитель /, и работать не селективно. Для уменьше­ния числа неселективных действий защиты питающей линии 10 кВ при повреждениях за трансформатором рекомендуется   согласовать   времятоковую   характе­ристику   ее   защиты   2   с   времятоковой   характери­стикой 3 плавких предохранителей на стороне 0,4 кВ этого же трансформатора   или, по крайней мере, с времятоковой   характеристикой   4   предохранителей наиболее мощной отходящей линии 0,4 кВ   (штрихо­вые характеристики 3 и 4 па рис. 10,6).