Продолжаем цикл статей, посвященных оценке использования зависимых (инверсных) ступеней токовых защит в сетях 6-10 кВ
В прошлой статье мы подтвердили возможность использования выбранных уставок в части обеспечения невозгорания изоляции кабелей при отказе основной защиты. В этой поговорим при обеспечение термической стойкости трансформатора 10/0,4 кВ
Нормативные требования к обеспечению термической стойкости трансформаторов
В российских проектах эту проверку делают редко, хотя на эту тему есть ГОСТ Р 55188—2012 «ТРАНСФОРМАТОРЫ СИЛОВЫЕ. Стойкость к коротким замыканиям» (1).
Условия проверки, в данном ГОСТ, позволяют ее пройти практически при любом повреждении (считается, что стандартный трансформатор 6(10)/0,4 кВ способен пропускать предельный сквозной ток КЗ, без учета сопротивления системы, в течении 4 секунд — п.4.1.3). При использовании независимых ступеней МТЗ, время полного отключения трансформатора редко превышает 1 с
Более жесткие требования к термической (и механической) стойкости трансформаторов при КЗ предъявляют зарубежные стандарты. Например, в стандарте «IEEE Std C37.91-2000. IEEE Руководство по релейной защите силовых трансформаторов» (2) все трансформаторы делятся на 4 категории, и для каждой категории приводятся специальные предельные кривые стойкости к сквозным токам КЗ
Согласно (2) эти предельные кривые следует нанести на карту селективности и сравнить с защитной характеристикой трансформатора. Это мы и сделаем дальше
Определение типа кривой стойкости трансформатора
В нашем примере был трансформатор ТМГ-1000/10/0,4 кВ. Согласно (2, Annex A) данный трансформатор относится к Категории II (трехфазные трансформаторы мощностью от 501 до 5000 кВА). Кривые стойкости для трансформаторов категории II приведены на рисунке ниже
Рис. 1. Кривые термической стойкости трансформатора ТМГ-1000/10/0,4
Здесь я привожу уже перестроенные в Excel кривые из (2) потому, что качество исходной копии стандарта довольно низкое
Следующий шаг — решить, какая именно кривая нам подходит лучше всего
Левый график приведен для ситуации, когда за трансформатором возможны частые КЗ (10 и более раз за период службы трансформатора). Такое, например, возможно, если есть длинные открытые шинопроводы от трансформатора до вводного автомата. Также это возможно, если нет вводного автомата, а только рубильник. В этом случае защиты трансформатора будут отключать, в том числе, и короткие замыкания на шинах 0,4 кВ
При частых КЗ мы должны учитывать не только термическое, но и механическое воздействие токов КЗ на обмотки и изоляцию трансформатора. Влияние механического воздействия токов КЗ показано пунктирной линией на Рис.1. При учете механического воздействия происходит снижение кривой стойкости трансформатора в зоне больших токов КЗ
Правый график приведен для случая, если КЗ за трансформатором возможны только изредка (менее 10 раз за весь период службы). Здесь учитывается только термическое воздействие токов КЗ
Давайте для примера примем, что за наших трансформатором возможны частые КЗ и рассмотрим левую кривую подробнее
Расчет и построение кривой стойкости трансформатора
Рис. 2. Формулы и граничные точки для кривой стойкости масляного трансформатора
Кривая стойкости в общем случае состоит из трех участков (см. Рис. 2):
1. Зона перегрузки [от 2*Iн.т. до 5*Iн.т.]
Эту часть кривой можно построить по точкам из таблицы 2, приведенной в стандарте IEEE Std C57.109-2018 (3)
Рис. 3. Перегрузочная характеристика масляного трансформатора
2. Зона учета термического воздействия токов КЗ [от 5*Iн.т. до 0,7*Iмакс]
Формула для построения этого участка кривой стойкости t = 1250 / I^2
Iмакс — предельный сквозной ток через трансформатор, который вычисляется без учета сопротивления системы
В относительных единицах этот ток равен:
Iмакс = 100 / Uk% = 100 / 5,5 = 18,18 о.е.
0,7*Iмакс = 0,7 * 18,18 = 12,73 о.е.
3. Зона учета механического воздействия токов КЗ [от 0,7*Iмакс до Iмакс]
Для построения этого участка сначала нужно вычислить коэффициент К, который получается при прохождении квадратичной гиперболы вида t = K / I^2 через точку с координатами [Iмакс; tпред], где tпред = 2 с — максимально допустимое время прохождения предельного сквозного тока через трансформатор, согласно (2)
Получаем, K = tпред * Iмакс^2 = 2 * (18,18)^2 = 661
Тогда формула построения третьего участка примет вид t = 661 / I^2
Перенос кривой стойкости трансформатора на карту селективности
Для переноса кривой стойкости на карту селективности и сравнения ее с характеристикой защитного устройства трансформатора нужно умножить все токи кривой на номинальный ток трансформатора той стороны, где установлена рассматриваемая защита
В нашем примере мы рассчитывали уставки защиты трансформатора стороны ВН. Рассчитаем номинальный ток трансформатора ТМГ-1000 на напряжении 10,5 кВ:
Iн.т. = Sном / 1,73 / Uн.т. = 1000 / 1,73 / 10,5 = 55 А
Таким образом, чтобы получить значения в амперах, нам нужно умножить абсциссы точек нашей кривой стойкости на 55
Результат переноса кривой стойкости трансформатора на карту селективности представлен на Рис.4
Рис. 4. Анализ термической стойкости трансформатора к трехфазным и двухфазным сквозным токам КЗ
Из Рис. 4 видно, что характеристика защиты ВН (БМРЗ-152-КЛ) лежит ниже и левее, чем кривая стойкости трансформатора. Это значит, что стойкость обеспечена
Можно увидеть, что примерно на токе 160-180 А (3*Iн.т.) будет пересечение этих кривых, что показывает необходимость применения защиты от перегрузки. Данная защита реализована на вводном автомате 0,4 кВ (характеристика не показана)
Учет группы соединения обмоток трансформатора при анализе термической стойкости
Так как рассматриваемый трансформатор имеет группу соединения обмоток D/Yo (11), то представленная на Рис.4 кривая стойкости подходит только для анализа трехфазных и двухфазных сквозных токов КЗ!
Трехфазный ток КЗ I(3)к, стороны 0,4 кВ, трансформируется на сторону 10,5 кВ (место установки защиты ВН трансформатора) без искажений (учитываем только Кт)
Двухфазный ток КЗ на стороне 0,4 кВ равен 1,73/2 * I(3)к, однако, при трансформации на сторону 10,5 кВ, он увеличивается в 2/1,73 раза, то есть становится равен трехфазному току КЗ I(3)к
Однофазный ток КЗ на стороне 0,4 кВ примерно равен трехфазному I(3)к, однако, при трансформации на сторону 10,5 кВ, он уменьшается в 1,73 раза. Таким образом защита ВН видит только часть тока КЗ на стороне 0,4 кВ, а значит, для корректного анализа стойкости трансформатора при однофазных КЗ, нужно сдвинуть кривую стойкости влево на коэффициент 0,58 (уменьшить абсциссы точек кривой в 0,58 раз). Результат такого сдвига приведен на Рис.5
Рис. 5. Анализ термической стойкости трансформатора к однофазным сквозным токам КЗ
Из Рис.5 видно, что есть пересечение кривых на токе 180-190 А (3,3*Iн.т.), что также относится к зоне перегрузок
Диапазон возможных сквозных токов при КЗ на выводах НН трансформатора ограничен, на Рис.5, вертикальными стрелками (от I(2)кз.мин. до I(3)кз.макс.). Для этого диапазона пересечение кривых нет, а значит термическая и механическая стойкость к токам КЗ обеспечена потому, что токи КЗ с более низкими величинами будут отключаться защитными устройствами, находящимися ниже
Выводы
- Анализ термической стойкость кабелей и трансформатора показал возможность применения зависимых (инверсных) ступеней МТЗ в конкретной сети 6-10 кВ
- Анализ термической стойкости сухих трансформаторов стоит производить по кривым, которые предоставляют производители данных трансформаторов
- Использование чрезвычайно инверсной характеристики МТЗ (EXT), с квадратичной зависимостью времени от тока, позволяет использовать оборудование наиболее эффективным способом, по сравнению с независимыми характеристиками, потому, что ее форма близка к кривым стойкости проводников и оборудования (I^2*t = K)
- Несмотря на то, что применение зависимых характеристик МТЗ требует больше проверок и более высокой квалификации инженера-проектировщика, эти кривые позволяют эффективно решать задачи обеспечения селективности в современных распределительных сетях 6-10 кВ
- Для удобства пользователя, во многих программах (ETAP, PowerFactory и др.) кривые стойкости трансформаторов и проводников внесены в базу данных. В скором времени эти кривые появятся и в ПО Гридис
Список литературы
- ГОСТ Р 55188—2012 «ТРАНСФОРМАТОРЫ СИЛОВЫЕ. Стойкость к коротким замыканиям»
- IEEE Std C37.91-2000. IEEE Guide for Protective Relay Applications to Power Transformers
- IEEE Std C57.109-2018. IEEE Guide for Liquid-Immersed Transformers Trough-Fault-Current Duration