36 УДК 621.316.125 ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА С БОЛЬШИМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Канд. техн. наук КУРГАНОВ В. В. Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого Основной защитой понижающих трансформаторов от внешних корот- ких замыканий (КЗ) является максимальная токовая защита (МТЗ), уста- 37 новленная на стороне высокого напряжения (ВН). Эффективность релей- ной защиты оценивается расчетным коэффициентом чувствительности при минимальных токах КЗ на шинах низкого напряжения (НН) трансформато- ра, значение которого согласно Правилам [1] должно быть не ниже 1,5. Обеспечить достаточную чувствительность защиты на трансформаторах с большим диапазоном регулирования напряжения при значительных то- ках нагрузки удается не всегда. В таких случаях применяют МТЗ с пуском по минимальному напряже- нию, причем пусковой орган минимального напряжения устанавливается со стороны НН [2]. Однако по мере возможности необходимо отказываться от применения защиты с пуском по напряжению [3]. Это связано с тем, что, с одной стороны, уменьшается вероятность отказа защиты трансфор- матора из-за потери оперативного тока при выгорании ячеек со стороны НН (неоднократно наблюдалось в эксплуатации), а с другой стороны, улучшаются условия эксплуатации релейных защит на подстанциях про- мышленных предприятий, поскольку в силу балансной принадлежности цепи защиты со стороны ВН и НН зачастую обслуживаются персоналом разных организаций. Одним из способов повышения чувствительности защиты, по мнению автора, является более точное определение реального диапазона регулиро- вания напряжения трансформатора. Обмотка ВН мощных понижающих трансформаторов со стороны нейтрали оснащена регулятором напряжения под нагрузкой (РПН). При наличии РПН напряжение на стороне НН трансформатора поддерживается равным номинальному (или близким к нему) независимо от изменения питающего напряжения на стороне ВН. Это достигается за счет автомати- ческого регулирования коэффициента трансформации трансформатора. Диапазон регулирования напряжения отечественных трансформаторов, работающих в сетях Uс.nom = 110 кВ, составляет 16 % (9 1,78)U∆ = ± ⋅ но- минального напряжения обмотки ВН при среднем положении переключа- теля РПН, т. е. 115 кВ. При крайних положениях переключателя РПН абсо- лютное значение напряжения обмотки ВН изменяется в диапазоне: * ВН.min .ср (1 ) 115 (1 0,16) 96,6 кВ;ТU U U= − ∆ = ⋅ − = * ВН.max .ср (1 ) 115 (1 0,16) 133,4 кВ.ТU U U= + ∆ = ⋅ + = Однако в сетях 110 кВ диапазон изменения рабочего напряжения зна- чительно меньше. С одной стороны, максимальное рабочее напряжение по условию изоляции ограничено значением .max 126 кВ,сU = что на 10 % больше номинального напряжения обмотки ВН. С другой стороны, в соот- ветствии со стандартом на качество электрической энергии минимальное напряжение в кратковременном режиме не должно снижаться более чем на 10 %, т. е. .min 115 0,9 103 кВ.сU = ⋅ = Следовательно, весь диапазон регуля- тора РПН 16U∆ = ± % практически не может быть использован, так как вряд ли может возникнуть необходимость держать на шинах ВН питающей подстанции напряжение значительно ниже номинального и тем более вы- ше допустимого. 38 В последнее время в элекроэнергетических системах 110 кВ и на подстанциях крупных промышленных предприятий стали применяться трансформаторы зарубежных фирм, например трансформаторы типа TNORD-16000/115/6,6 или TNARE-25000/115/6,3 PN фирмы АВВ. У них диапазон регулирования напряжения РПН составляет 10 % (8 1,25),U∆ = ± ⋅ т. е. полностью укладывается в отведенный диапазон изменения рабочего напряжения в сетях 110 кВ. Известно, что каждому ответвлению (положению) переключателя РПН соответствуют определенное напряжение короткого замыкания трансфор- матора (ик) и соответствующее ему сопротивление трансформатора [4]. В паспортах и каталогах на типовые трансформаторы приведены напряже- ния короткого замыкания при среднем положении переключателя РПН ик.ср и двух крайних положениях ик.min и ик.max соответственно при напряжениях обмотки ВН UВН. min = 96,6 кВ и UВН. max = 133,4 кВ [5]. Расчет значений сопротивления трансформатора с учетом влияния РПН согласно известной методике [4, 2] выполняют по формулам: 2* к.min т.ср т.min т.nom (1 ) ; 100 u U U x S  − ∆ = 2 к.max с.max т.max т.nom . 100 u Ux S = (1) В данных выражениях значения ик.min и ик.max соответствуют крайним положениям регулятора РПН (паспортные данные). При этом приняты сле- дующие допущения: максимальное напряжение обмотки ВН трансформа- тора принимается Uс.max = 126 кВ (в то же время ик.max соответствует напряжению UВН.max = 133,4 кВ), а вместо минимально возможного напря- жения в сети Uс.min = 103 кВ принимается *т.ср (1 ) 96,6 кВ.U U− ∆ = Все это связано, как показано в [2], с упрощением расчета, а ожидаемое расшире- ние диапазона изменения сопротивления трансформатора под влиянием РПН идет в запас надежности. Принятые допущения, как будет показано ниже, необоснованно зани- жают расчетный коэффициент чувствительности релейной защиты транс- форматора. Определим значения ик.min и ик.max для реального диапазона изменения напряжения в сети 110 кВ. Переключатель РПН с диапазоном регулирования ∆U = ±16 % имеет девять ответвлений в положительную сторону и девять – в отрицательную. Каждому ответвлению соответствует изменение напряжения α = 16/9 = = 1,78 %. Абсолютное значение изменения напряжения, соответствующее одной ступени регулирования, составляет 1 т.ср /100 115 1,78/100 2,047 кВ.NU U∆ = α = ⋅ = Напряжению Uс.max = 126 кВ соответствует ответвление с номером с.max т.ср 1( ) / (126 115) / 2,047 5,37.NN U U U+ = − ∆ = − = Ближайшее целое число номера положительного ответвления N+ = +5. 39 Этому ответвлению соответствует максимальное напряжение транс- форматора т.max т.ср 1 115 5 2,047 125,2 кВ.NU U N U+= + ∆ = + ⋅ = Аналогично напряжению Uс.min = 103 кВ соответствует ответвление с номером с.min т.ср 1( ) / (103 115) / 2,047 5,86.NN U U U− = − ∆ = − = − Ближайшее целое число номера отрицательного ответвления N– = –6. Ему соответствует минимальное напряжение трансформатора т.min т.ср 1 115 6 2,047 102,7 кВ.NU U N U−= + ∆ = − ⋅ = Коэффициент трансформации трансформатора изменяется в пределах: т.max т.max НН.nom/ ;К U U= т.min т.min НН.nom/ .К U U= (2) Например, при номинальном напряжении обмотки НН трансформатора UНН.nom = 6,6 кВ значения максимального и минимального коэффициентов трансформации составят: Кт.max = 125,2/6,6 = 18,97; Кт.min = 102,7/6,6 = 15,56. Отметим, что потеря напряжения в трансформаторе от токов нагрузки в приведенных расчетах не учитывается. Величина потери при нормальном режиме работы подстанции не превышает 5 %, т. е. напряжение на шинах НН держится на уровне 6,3 кВ при номинальном коэффициенте трансфор- мации Кт.nom = 115,2/6,6 = 17,42. Напряжение короткого замыкания трансформатора ик на всех промежу- точных ответвлениях N определяется исходя из линейной интерполяции между значениями ик при среднем (номинальном) и соответствующем крайнем ответвлении [4]: к. к.ср к.ср к.min кр ( );N Nu u u u N+ += − − к. к.ср к.max к.ср кр ( ),N Nu u u u N− −= + − (3) где Nкр – номер крайнего ответвления, Nкр = 9. Согласно методике [2, 4] для определения токов КЗ на низкой и высо- кой сторонах трансформатора, а также результирующих сопротивлений КЗ на шинах НН подстанции (реактансов на шинах НН) требуется выполнить вычисления по восьми формулам. Значения реактансов на шинах НН необ- ходимо знать для последующих расчетов токов КЗ на отходящих фидерах подстанции. В настоящей работе выведены обобщенные выражения для определе- ния результирующих реактансов на шинах НН подстанции: 2 т.min к.НН.nom c.max НН.min с.nom т.min т.nom ; 100 NU uU xx U U S +   = +    (4) 40 к.2 c.min НН.max НН.nom 2 т.nomт.max , 100 Nuxx U SU −   = +    (5) где xc.max, xc.min – сопротивления питающей системы соответственно в мак- симальном и минимальном режимах, Ом, причем xc.max < xc.min; Uс.nom – но- минальное напряжение системы, равное 110 кВ; Sт.nom – номинальная мощ- ность трансформатора, МВ∙А. Остальные обозначения приведены выше. Данные выражения справедливы для любого типа трансформатора, в том числе и трехобмоточного, для которого при определении реактанса на стороне среднего напряжения предварительно определяют эквивалент- ные напряжения короткого замыкания между обмотками ВН, НН, СН по известным выражениям [4]. Если применяется трансформатор с РПН ∆U = = ±10 %, то вместо Uт.min(max) подставляются напряжения Uс.min = 103 кВ и Uс.max = 126 кВ, а значения напряжений ик.min и ик.max принимаются из паспортных данных на трансформатор при крайних положениях переклю- чателя РПН. Значения токов трехфазного КЗ на шинах НН определяются по фор- мулам: (3) НН.max НН.nom НН.min/( 3 );I U x= (3) НН.min НН.nom НН.max/( 3 ).I U x= (6) Данные токи КЗ приводятся к стороне ВН при соответствующих значе- ниях коэффициента трансформации по следующим формулам [3]: (3) (3) ВН.max НН.max т.min/ ;I I К= (3) (3) ВН.min НН.min т.max/ .I I К= (7) Пример. Вычислить токи КЗ за трансформатором типа ТДН-16000/115/6,6 при следующих известных паспортных данных [4]: ∆U = ±16 %; ик.min = 9,8 %; ик.ср = 10,5 %; ик.max = 11,71 %. Сопротивление питающей системы (данные энергосистемы): xc.max = 14 Ом; xc.min = 26 Ом. Решение. 1. По (3) определяют напряжения короткого замыкания транс- форматора на ранее вычисленных ответвлениях регулятора РПН N+ = 5 и N– = 6: к. 5 10,5 (10,5 9,8) 10,1%; 9N u + = − ⋅ − = к. 6 10,5 (11,71 10,5) 11,3 %. 9N u − = + ⋅ − = 2. По выражениям (4), (5) определяют реактансы на шинах 6,6 кВ: 2 НН.min 6,6 14 102,7 10,1 0,31Ом; 110 102,7 100 16 x ⋅ = ⋅ + = ⋅  41 2 НН.max 2 26 11,36,6 0,38 Ом. 100 16125,7 x  = ⋅ + = ⋅  3. Определяют по (6) значения токов трехфазного КЗ на шинах 6,6 кВ: (3) НН.max 6600 /( 3 0,31) 12292 А;I = ⋅ = (3) НН.min 6600 /( 3 0,38) 10030 А.I = ⋅ = 4. Приводят данные токи КЗ к стороне ВН трансформатора с учетом изменения коэффициента трансформации по (7): (3) ВН.max 12292 /15,56 790 А;I = = (3) ВН.min 10030 /19,97 529 А.I = = Если этот же пример решить по известной методике [2, с. 146], то в ре- зультате получим следующие значения: (3) НН.max 13085 А;I = (3) НН.min 9775 А;I = (3) ВН.max 894 А;I = (3) ВН.min 512 А;I = т.min 96,6 / 6,6 14,64;К = = т.max 126 / 6,6 19,1.К = = Погрешность расчета по методике [2] за счет принятых допущений со- ставляет: (3) НН.max 6,5 %;I∆ = (3) ВН.min 3,2 %;I∆ = т.min 5,9 %.К∆ = Максимальный ток КЗ на шинах НН, завышенный на 6,5 %, приводит к необоснованному загрублению уставок токовых отсечек линий отходя- щих фидеров, а также увеличивает расчетный ток небаланса дифференци- альной защиты трансформатора. Приведенный к стороне ВН минимальный ток КЗ, заниженный на 3,2 %, казалось бы незначительно снизит чувстви- тельность защит. Однако с учетом погрешности на 5,9 % минимального коэффициента трансформации снижение расчетного коэффициента чув- ствительности составит около 9 %. Покажем это на примере выбора тока срабатывания максимальной то- ковой защиты данного трансформатора. Предположим, что ток срабатыва- ния МТЗ ввода 6,6 кВ, выбранный по условию несрабатывания защиты при сверхтоках после аварийных перегрузок и пусковых токов электродвигате- лей, составил 3800 А (примерно 2,7Iт.nom). После приведения этого тока к стороне ВН при минимальном коэффициенте трансформации трансфор- матора его значение составит [3]: с.з.ВВ 3800 /15,56 244 А.I = = Ток срабаты- вания МТЗ трансформатора на стороне ВН выбирается по условию согла- сования по чувствительности с защитой ввода с.з.т с.з.ВВ1,2 1,2 244 293 А.I I≥ = ⋅ = Чувствительность защиты трансформатора проверяется при минималь- ных двухфазных токах КЗ на шинах НН, приведенных к стороне ВН: (2) ч ВН.min с.з.т/ 0,866 529 / 293 1,56К I I= = ⋅ = > 1,5. 42 Если подобные расчеты выполнить для токов КЗ, полученных по из- вестной методике, то значения уставок защит будут следующие: с.з.ВВ 3800 /14,64 260 А;I = = с.з.т 1,2 260 312 А;I = ⋅ = ч 0,866 512 / 312 1,42К = ⋅ = < 1,5. Для второго варианта расчета чувствительность защиты трансформато- ра оказалась недостаточной: Кч < 1,5. В Ы В О Д Повысить расчетный коэффициент чувствительности релейной защиты трансформатора с переключателем напряжения РПН 16U∆ = ± % можно за счет применения уточненного метода расчета минимального и максималь- ного токов короткого замыкания за трансформатором при промежуточных ответвлениях переключателя РПН, соответствующих реальному диапазону изменения напряжения в сетях 110 кВ. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. П р а в и л а устройства электроустановок. – 6-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1999. 2. Ш а б а д, М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / М. А. Шабад. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. 3. Б е л я е в, А. В. Противоаварийное управление в узлах нагрузки с синхронными электродвигателями большой мощности / А. В. Беляев. – М.: НТФ «Энергопресс», 2004. 4. А в е р б у х, А. М. Релейная защита в задачах с решениями и примерами / А. М. Авербух. – Л.: Энергия, 1975. 5. Р у к о в о д я щ и е указания по релейной защите. Р85. Вып. 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов 110–500 кВ: расчеты. – М.: Энергоатомиздат, 1985. Представлена кафедрой электроснабжения Поступила 20.02.2009 УДК 621.311:658.012.011.56 РАСЧЕТ РЕСУРСА ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ В АСУ ТП ПОДСТАНЦИЙ Инженеры БУРЛЮК В. В., ЖЕРКО С. Н. УП «НИИ средств автоматизации» Трансформаторы и автотрансформаторы являются основным электро- техническим оборудованием подстанций. По своему конструктивному ис- полнению они бывают трех- и однофазными с различными системами и средами охлаждения.