Защита трансформаторов предохранителями

Предохранители на стороне высшего напряжения слу­жат для защиты от токов КЗ самого трансформатора и его ошиновки.

Номинальный ток вставок этих предохранителей должен выбираться по условию селективности с предохранителя­ми на стороне низшего напряжения. Кратность номи­нального тока вставки предохранителя высшего напря­жения к номинальному току защищаемого трансформа­тора должна быть равна 2…3 для трансформаторов до 160 кВАи 1,5…2 для трансформаторов до 630 кВА.

При выборе плавких вставок желательно обеспечить селективность всех последовательно включенных предо­хранителей во всем возможном диапазоне токов КЗ. Если это не удается, необходимо обеспечить селектив­ность между предохранителями высшего напряжения и защитой питающей линии как минимум при КЗ на сто­роне высшего напряжения трансформатора.

Не допускается увеличивать номинальный ток вставки главного предохранителя на стороне низшего напряже­ния (например, для селективности с предохранителями линий 0,4 кв).При необходимости можно уменьшать но­минальный ток плавкой вставки предохранителя выс­шего напряжения (например, для селективности с защи­той питающей линии), сохраняя по возможности селек­тивность с предохранителями низшего напряжения.

Про­верка селективности предохранителей, защищающих понижающие трансформаторы со стороны высшего и низ­шего напряжения, производится так же, как и для пре­дохранителей, установленных в сети одного напряжения. Но при этом необходимо учитывать, что по предохрани­телям протекают токи разной величины.

Чувствительность защиты трансформатора следует определять при минимальных токах однофаз­ного КЗ для трансформа­тором. Соотношения токов, проходящих при этом по обе­им сторонам трансформатора в зависимости от схемы соединения обмоток, определя­ется следующим выражением:

где: К_Т – коэффициент трансформации трансформатора;

К_р – коэффициент токораспределения между обмотками НН и ВН, равный:

для трансформатора Δ /Y-0  и для трансформатора Y/Y-0  .

При однофазном КЗ на стороне обмотки, соединенной в звезду с нулем, величина тока  для трансформатора Δ /Y-0 численно равна току трехфазного КЗ, а для трансформатора Y/Y-0 можно с достаточной для практики точностью определить по уравнению, рекомендованному [1]:

где: U_Y—O — фазное напряжение обмотки, соединенной в Y-0;

Z⁽¹⁾_Т / 3 — величина сопротивления трансформатора при однофазном КЗ (табл.П1.10).

Селективность предохранителей, установленных на сторонах высшего и низшего напряжения, должна проверяться при наиболее неблагоприятных условиях. У трансформаторов со схемой соединения Y/ Δ селектив­ность должна проверяться при двухфазном КЗ, а со схемой Y/Y-0 — по трехфазному КЗ.

Длительность протекания через трансформатор тока внешнего КЗ ограничена. Она определяется по выражению (12.7), но не должна превышать 5 с:

где: К — отношение тока КЗ к номинальному току трансформатора.

Для трансформаторов малой мощности выражение (12.7) можно привести к более удобному виду:

где: и_к — напряжение короткого замыкания трансформа­тора.

Преобразование выполнено на основании требований: для трехфазных трансформаторов мощностью до 2000 кВАвключительно с алюминиевой обмоткой и до 5000 кВАвключительно с медной обмоткой кратность К вуравнении (12.8) определяется без учета сопротивления питающей сети. Пользуясь этим уравнением, можно определить допу­стимую длительность протекания тока КЗ для трансформаторов: при и_к — 4,5% t_д =1,82 с;при и_к = 5,5% t_д =2,72 с.

На основании расчетов и опыта эксплуатации предохранителей можно сделать следующие вы­воды:

1. Предохранители на стороне низшего напряженияпрактически всегда обеспечивают термическую устойчивость трансформаторов. Так же обеспечивается и термическая устойчивость трансформаторов при КЗ на
стороне низшего напряжения до предохранителей.

2. Предохранители типа ПК (ПКТ), установленные на стороне6 или 10кВ,в большинстве случаев обеспечивают селективность с предохранителями типа ПН2 и ПР-3 установленными со стороны 0,4 кв,

3.Селективность предохранителей ПСН, установленных на стороне высшего напряжения, с предохранителя­ми низшего напряжения ПР и ПН2 обеспечивается толь­ко для самых малых трансформаторов. Поскольку по условиям чувствительности увеличивать номинальный ток вставки ПСН нельзя, для защиты трансформаторов 6-10/0,4 кВ следует применять предохранители типа ПКТ.

4. При значительном сопротивлении питающей сети время сгорания предохранителей 6 и 10 кВпри КЗ на стороне низшего напряжения до предохранителей низшего напряжения очень велико и может вызвать значительные увеличения размеров повреждения трансформаторов. Поэтому загрублять предохранители высшего напряже­ния нежелательно.

5. Посколькупри КЗ в трансформаторах или на сторо­не низшего напряжения время сгорания вставок пре­дохранителей ПК высшего напряжения велико, согласовать с ними время работы защиты линии, питающей трансформатор,очень сложно. Поэтому обычно ток срабатывания защиты отстраивают от КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора или согласуют ее выдержкувремени с предохранителями низшего напряжения, так как время их сгорания невелико даже при небольшихтоках. При этом допускается неселективность с предохранителями высшего напряжения при повреждениях в трансформаторах.

Какправило, хорошо согласуется с предохранителямизащита, имеющая зависимую характеристику. Защиту с независимой характеристикой согласовать с предохранителяминизшего напряжения по времени обычно не удается.

Расчетами можно показать, что предохранитель, выбранный по номинальному току трансформатора, не защищает трансформатор от не­больших перегрузок и не допускает использования зна­чительных, но допустимых кратковременных перегрузок трансформатора, например, при самозапуске двигателей.

Если предохранителя на низшей стороне нет, то защитой трансформатора от перегрузки должны служить предохранители отходящих линий. Если линия только одна и по ней передается вся мощность трансформатора, то номинальный токвставки, защищающей линию,следует выбрать по номинальному току трансформатора. Если отходящих линийдве и нагрузка на них распределяется равномерно, номинальные токи их вста­вок должны выбираться так,чтобы сумма их не превышала номинального токатрансформатора.

Для предохранителей ПСН-35 расчетами можно показать, что:

1.Существующая шкала вставок ПСН-35 позволяв подобрать вставки, удовлетворяющие всем требованиям в части термической устойчивости трансформаторов;

2. Время сгорания вставок с I_{вс.макс}при трехфазном КЗ на стороне низшего напряжения с учетом разброса по току +20% мало, что не позволяет обеспечить се­лективность предохранителей с релейной защитой отхо­дящих линий 6-10 кВ.

3. Для трансформаторов мощностью 0,63-4 МВАмож­но подобрать вставки, обеспечивающие их термическую устойчивость; для трансформатора 6,3 МВА вставка на 100 Амала и подобрать для него вставки нельзя.

4.Чувствительность вставок к КЗ на стороне 6 — 10 кВ достаточна за исключением трансформатора 0,63 МВА.

5. Время сгорания вставок даже без учета разбро­са настолько мало, что согласовать с ним релейную защиту со стороны 6 -10 кВпрактически невозможно.

Проведенный анализ плавких предохранителей позволяет сделать следующие выводы.

Основными достоинствами плавких предохранителей являются простота их конструкции, малая стоимость и возможность обслуживания персоналом невысокой ква­лификации. При тщательном расчете можно получить удовлетворительную защиту участков сетей и электро­оборудования от перегрузки и КЗ в простейших случаях при невысоких требованиях к селективности.

Существующие конструкции предохранителей имеют серьезные недостатки, ограничивающие область их при­менения. Основные из них следующие:

1. Однократность действия — после срабатывания предохранителя необходимо заменить вставку.

2. В условиях эксплуатации зачастую вместо калибро­ванных вставок устанавливают случайно оказавшиеся под рукой вставки на другие токи и просто куски прово­локи, при этом нарушаются все требования к защите.

3. Форма защитных характеристик вставок неудачна, особенно для защиты трансформаторов. Характеристики имеют большие разбросы. Во многих случаях невозможно обеспечить необходи­мые селективность и чувствительность.

Выбор уставок срабатывания предохранителей.Обобщая выше изложенное, расчеты токов срабатывания (уставок) защит в сетях до 1000В выполняются по следующим выражениям.

В предохранителе защитным элементом является его плавкая вставка, номинальный ток которой (I_вс.ном) равен уставки защиты линии, двигателя, осветительной сети и т.д.

Номинальный ток плавкой вставки выбирается по 3 условиям:

1. По условию отстройки от максимального длительного рабочего тока нагрузки:

где k_отс – коэффициент отстройки, в среднем равный 1,1…1,2.

2. По условию отстройки от кратковременного пускового (пикового) тока:

де  – коэффициент кратковременной тепловой перегрузки, который при легких условиях пуска двигателя равен 2,5, при тяжелых – 1,6-2.0, для ответственных электроприемников – 1,6:

3. По условию обеспечения достаточной чувствительности защиты при КЗ:

k_ч – коэффициент чувствительности защиты, который должен быть не ниже 10…15 для защиты электродвигателя, в управлении которого применен магнитный пускатель или контактор и не ниже 3…5 для защиты осветительной сети.

Надо отметить, что при кратности 3плавкая вставка, например предохранителя типа ПН-2, перегорает за время около 10 с, а при кратности 10 – за 0,05…0,1с.

Если время плавления превысит 0,3 с, то при КЗ от возникающего резкого провала напряжения, магнитный пускатель или контактор отпадают и разрывают большой ток КЗ, на который они не рассчитаны.

Номинальный ток плавкой вставки выбирают по условиям (12.6), (12.7), принимают ближайшим большим по шкале номинальных токов и проверяют чувствительность по условию (12.8).

Для обеспечения селективности двух последовательно включенных однотипных предохранителей необходимо выбирать их плавкие вставки с номинальными токами, отличающимися на 2 шкалы; для разнотипных предохранителей – на 3 шкалы номинальных токов.

Для согласования защитных характеристик предохранителя и автоматического выключателя необходимо построить карту селективности. При этом на карте селективности кривую плавкой вставки предохранителя строят по типовой ее время-токовой характеристике, предварительно сместив ее на 20% вправо, тем самым учитывается возможный разброс времени перегорания плавкой вставки. 12.12. Определение границ действия защиты от однофазных КЗ в сети с асинхронными двигателями

Трансформаторы 10/0,4 кВ в сельских и городских распределительных электрических сетях

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):

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 номинального тока плавкой вставки предохранителя

Высоковольтный предохранитель защищает обмотку высокого напряжения силового трансформатора не только от коротких замыканий, но и от перегрузки, поэтому при выборе плавкой вставки необходимо учитывать и номинальный рабочий ток.

При выборе номинального тока плавкой вставки нужно учитывать несколько факторов.

1. Во-первых, силовой трансформатор в процессе работы может подвергаться кратковременным перегрузкам.
2. Во-вторых, при включении трансформатора возникают броски тока намагничивания, которые превышают номинальный ток первичной обмотки.

Также нужно обеспечить селективность работы с защитой, установленной на стороне низкого напряжения (НН) и на отходящих линиях потребителей. То есть в первую очередь должны срабатывать автоматические выключатели (предохранители) на стороне низкого напряжения отходящих линий, которые идут непосредственно на нагрузку к потребителям.

Если эта защита по той или иной причине не срабатывает, то должен сработать автомат (предохранитель) ввода стороны НН силового трансформатора. Предохранители на стороне ВН в данном случае — это резервирующая защита, которая должна срабатывать в случае перегрузки обмотки низкого напряжения и отказе защит со стороны НН.

Исходя из вышеперечисленных требований, плавкая вставка выбирается по двухкратному номинальному току обмотки высокого напряжения.

Таким образом, высоковольтные предохранители, установленные на стороне ВН, защищают от повреждений участок электрической цепи до ввода трансформатора, а также от внутренних повреждений самого силового трансформатора. А предохранители (автоматические выключатели) со стороны НН силового трансформатора защищают сам трансформатор от перегрузок выше допустимого предела, а также от коротких замыканий в сети низкого напряжения.

Номинальный ток обмоток силового трансформатора указывается в его паспортных данных.

Выбор предохранителей для защиты силовых трансформаторов

Основные условия выбора плавких предохранителей силовых трансформаторов является следующие параметры.
Номинальное напряжение предохранителей и их плавких вставок должно быть равно номинальному напряжению сети:

Uном пр = Uном

Плавкие предохранители в СССР выпускались на номинальные напряжения, соответствующие ГОСТ 721—77, в том числе на 6; 10; 20; 35; 110 кВ. Номинальное напряжение указывается в наименовании предохранителя, например ПК-6, ПК-10, ПСН-10, ПСН-35 и т. п.

Установка предохранителя, предназначенного для сети более низкого напряжения, т. е. создание условия Uном пр < Uном. с не допускается во избежание к.з. из-за перекрытия изоляции предохранителя. Наряду с этим не допускается без специального указания завода-изготовителя применение предохранителя в сетях с меньшим номинальным напряжением из-за опасности возникновения перенапряжений при отключении к. з.
Номинальный ток отключения выбранного предохранителя должен быть равен или больше максимального значения тока к. з. в месте установки предохранителя:

Применительно к силовым трансформаторам ток /к. макс рассчитывается для трехфазного к. з. на выводах высшего напряжения трансформатора, т. е. там, где установлены плавкие предохранители. При этом режим питающей системы принимается максимальным, что соответствует наименьшему сопротивлению питающей системы до места подключения рассматриваемого трансформатора. Следует учитывать также подпитку места к. з. электродвигателями, включенными на той же секции, что и рассматриваемый трансформатор.
Номинальные токи отключения указаны в ГОСТ и заводских информация.

Предохранители напряжением свыше 1000 В выпускаются с номинальным током отключения от 2,5 до 40 кА (ГОСТ 2213—70). (Прежнее наименование номинального тока отключения — предельно отключаемый ток.)

Выбор плавких предохранителей 10 кВ для защиты трансформаторов

1. По номинальному напряжению: т. е. номинальное напряжение предохранителя Уном.пр дол­жно соответствовать номинальному напряжению сети: Uном = Uном.с
2. По номинальному току отключения: Iо.ном >= Iк.макс т. е. номинальный ток отключения предохранителя по его паспортным данным должен быть больше или равен максимальному значению тока к. з. в месте установки предохранителя. При расчетах токов к. з. следует учитывать подпитку места к. з. электродвигателями.
3. По номинальному току. Номинальный ток предохранителя равен номинальному току заменяемого элемента. Заменяемым, элементом предохранителя с мелкозернистым наполнителем, например типа ПК, считается патрон (один или несколько) с кварцевым песком, плавким.1 элементом, указателем срабатывания или ударным устройством, собранный в заводских условиях.

Номинальный ток предохранителей, защищающих силовые трансформаторы на сторонах 10 и 0,4 кВ, выбирается по таблице

Рекомендуемые значения номинальных токов плавких вставок 1ном вс предохранителей для трехфазных силовых трансформаторов
6/0,4 и 10/0,4 кВ

	Номинальный ток, А
Мощность трансформатора, кВ* А	трансформатора на стороне			плавкой вставки на стороне
	0,4 кВ	6 кВ	10 кВ	0,4 кВ	6 кВ	10 кВ
25	36	2,40	1,44	40	8	5
40	58	3,83	2,30	60	10	8
63	91	6,05	3,64	100	16	10
100	145	9,60	5,80	150	20	16
160	231	15,4	9,25	250	32	20
250	360	24,0	14,40	400	50	40
400	580	38,3	23,10	600	80	50
630	910	60,5	36,4	1000	160	80

Примечание Предполагается, что на стороне 0,4 кВ применены предохранители типа ПН-2, на стороне 6 кВ—типа ПК-6, на стороне 10 кВ—типа ПК-10.

Предохранители для защиты трансформатора напряжения по стороне ВН

Трансформаторы напряжения 110 кВ и выше защищают только по стороне низкого напряжения автоматами или предохранителями. Для трансформаторов напряжения 6, 10 и 35 кВ расчет тока для плавкой вставки не производится.

Предохранитель для защиты трансформатора напряжения по стороне ВН выбирается только по классу напряжения. Для каждого класса напряжения выпускают специальные предохранители типа ПКН (ПН) – 6, 10, 35 (в зависимости от класса напряжения), они применяются исключительно для защиты трансформаторов напряжения.

Недостатки защиты трансформаторов на предохранителях

Защита предохранителями конструктивно осуществляется наиболее просто, но имеет недостатки — нестабильность параметров защиты, что может привести к недопустимому увеличению времени срабатывания защиты при некоторых видах внутренних повреждений силовых трансформаторов. При защите предохранителями возникают сложности согласования защит смежных участков сети.

Видео: Предохранители высоковольтные

Рекомендуем:

• Принцип  действия дифференциальной защиты трансформатора