Защита трансформаторов плавкими предохранителямим. Область применения, Выбор тока плавкой ставки.
Ответ: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, R — сопротивление проводника, Ом; t —время 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 | |||
0,063 | 3,64 | |||||
0,10 | 5,80 | |||||
0,16 | 9,25 | |||||
0,25 | 14,40 | 40(31,5) | ||||
0,40 | 23,10 | |||||
0,63 | 36,40 |
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 | 125(160) | |
0,10 | 200(250) | |
0,16 | 315(400) | |
0,25 | 500(600) | |
0,40 | ||
0,63 | - |
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 2может 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).
Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 777;