Общая защита от коротких замыканий
Общая защита конденсаторной установки от многофазных коротких замыканий обязательна при любых схемах соединения конденсаторов в батарее независимо от того, имеет ли последняя другие виды защиты. В установках напряжением выше 1 000 В эта защита выполняется как релейная. Только в небольших конденсаторных установках, коммутируемых выключателями нагрузки, общая защита от коротких замыканий осуществляется при помощи плавких предохранителей.
Релейная защита конденсаторных установок от коротких замыканий выполняется теми же способами, что и защита других видов электроустановок. Основными элементами в схемах защиты являются реле тока электромагнитной или индукционной системы. Электромагнитные реле могут быть или косвенного действия (отдельно установленные), или прямого действия (встроенные в привод выключателя). Индукционные реле должны быть снабжены отсечкой, так как защита от коротких замыканий должна действовать без выдержки времени.
Индукционные реле типа ИТ стоят дороже, чем электромагнитные реле типа ЭТ, но существенным преимуществом первых является возможность осуществить посредством их не только защиту от коротких замыканий, но и защиту от перегрузки высшими гармониками.
Защита конденсаторных установок, присоединенных к сетям с малым током замыкания на землю (условия работы отечественных конденсаторных установок напряжением до 35 кВ), выполняется как двухфазная, т. е. с двумя трансформаторами тока. Защита может осуществляться или двумя реле, или одним реле, включенным на разность токов в двух фазах. При этом для конденсаторных установок в отличие от силовых трансформаторов нет каких-либо ограничений в отношении применения однорелейной схемы защиты.
Таким образом, общую релейную защиту конденсаторных установок от многофазных коротких замыканий предпочтительно осуществлять одним из следующих способов:
посредством двух электромагнитных реле прямого действия, встроенных в привод выключателя (если не требуется защита от перегрузки);
посредством одного, или двух индукционных реле типа ИТ, осуществляющих одновременно защиту от перегрузки.
Отстройка от переходных процессов осуществляется путем выбора уставки защиты от коротких замыканий на ток, превышающий ток конденсаторной установки при установившемся режиме. Согласно Правилам технической эксплуатации [Л. 24], первый ток должен быть не (более 120% второго. Следует рассматривать это значение как ориентировочное и при наладке защиты проверять экспериментальным путем отстройку от переходных процессов. Для этого надо произвести несколько включений батареи и увеличить уставку защиты в случае хотя бы одного ее срабатывания.
В небольших конденсаторных установках напряжением выше 1 000 В, коммутируемых выключателями нагрузки, общая защита от коротких замыканий осуществляется при помощи плавких предохранителей. Их следует устанавливать на всех трех фазах присоединения батареи (см. § 1-2-33 Правил устройства электроустановок). Предохранители помещаются в схеме между сборными шинами и выключателем нагрузки, защищая, таким образом, не только конденсаторную батарею, но и выключатель нагрузки.
В СССР для защиты конденсаторных установок напряжением выше 1 000 В применяются предохранители типа ПК с заполнением кварцевым песком (ГОСТ 2213-59). Предельная мощность трехфазного короткого замыкания, отключаемого этими предохранителями для напряжений 3—10 кВ и номинальных токов 30 а и более, составляет 200 МВА. Согласно ГОСТ мгновенные значения напряжения, возникающего на зажимах предохранителей 3, 6 и 10 кВ при их срабатывании, не превышают соответственно 16, 26 и 40 кВ. Предохранители снабжены указателями срабатывания.
Для отстройки от переходных процессов номинальный ток плавких вставок предохранителей должен быть выбран с запасом, но не должен превышать 160% номинального тока батареи [Л. 24].
В конденсаторных установках напряжением до 500 В защита от коротких замыканий осуществляется при помощи плавких предохранителей или воздушных автоматических выключателей максимального тока. В сетях с заземленной нейтралью защита должна выполняться как трехфазная. Выбор плавких вставок предохранителей производится по приведенной выше норме.
Защита от перегрузки высшими гармониками
Перегрузка конденсаторов высшими гармониками тока наблюдается на сравнительно небольшом числе установок. Поэтому Правила устройства электроустановок требуют оборудования конденсаторных установок защитой от перегрузки высшими гармониками только в тех случаях, когда «возможна перегрузка конденсаторов высшими гармониками тока вследствие непосредственной близости мощных ртутновыпрямительных подстанций». Согласно Правилам защита должна отключать конденсаторы при действующем значении тока, превышающем 130% номинального.
Следует, однако, учесть, что источники высших гармоник могут появиться вблизи конденсаторной установки уже после ввода ее в эксплуатацию. Поэтому было бы целесообразным оборудование защитой от перегрузки всех вновь проектируемых конденсаторных установок, начиная от мощности 300—500 кВАр.
Защита от перегрузки высшими гармониками осуществляется посредством максимальных реле тока электромагнитной или индукционной системы. Наиболее подходит для этой цели индукционное реле типа ИТ, которым можно осуществить одновременно защиту от коротких замыканий. B любом случае защита от перегрузки должна работать с выдержкой времени для отстройки от переходных процессов.
Защита от повышения напряжения
ГОСТ 1282-58 допускает длительную работу конденсаторов при синусоидальном напряжении на зажимах, равном 110% их номинального напряжения. Поскольку уровень напряжения во многих сетях не превышает этого значения, необходимость в защите от повышения напряжения встречается не везде. Оборудование этой защитой всех конденсаторных установок было бы полезным на случай возможного впоследствии повышения уровня напряжения. Однако оно привело бы к тому, что при существующих уровнях установленные реле напряжения бездействовали бы на многих конденсаторных установках.
Поэтому Правила устройства электроустановок требуют оборудования конденсаторных установок защитой от повышения напряжения только в тех случаях, когда «известно, что уровень напряжения сети в месте -присоединения конденсаторной установки будет временами при включенных конденсаторах превышать 110% номинального напряжения установки». Для отстройки защиты от кратковременных повышений напряжения необходимо согласно Правилам, чтобы защита работала с выдержкой времени 3—5 мин.
Во избежание ненужного простоя конденсаторной установки Правила рекомендуют «обратное автоматическое включение конденсаторной установки после восстановления первоначального уровня напряжения», т. е. по существу автоматическое одноступенчатое регулирование мощности установки в зависимости от напряжения (§ 8-2). Обратное включение должно производиться, конечно, только после разряда отключенной батареи. На основании норм ΜЭΚ можно рекомендовать, чтобы конденсаторы к моменту обратного включения были разряжены до напряжения, не превышающего 10% их номинального напряжения.
Защита конденсаторных установок от повышения напряжения с обратным включением выполняется по схемам автоматического одноступенчатого регулирования в зависимости от напряжения, например по схеме рис. 8-1. Схемы защиты без обратного включения не отличаются от схем защиты от повышения напряжения, применяемых для других видов электрооборудования, но тип реле времени должен обеспечивать указанную выше выдержку времени.
Релейная защита от замыканий между обкладками
Релейная защита от замыканий между обкладками выполняется по разным схемам и применяется главным образом при соединении батарей звездой с изолированной или с заземленной нейтралью. При изолированной нейтрали замыкание между обкладками секций в конденсаторах какой-либо фазы, создавая асимметрию батареи, вызывает изменение потенциала нейтральной точки батареи (§ 7-2). Это явление может быть использовано для релейной защиты батареи, которая выполняется в двух вариантах.
Рис. 7-1. Схема защиты, реагирующей на смещение потенциала нейтральной точки батареи относительно земли.
При первом варианте между нейтральной точкой конденсаторной батареи и землей включается первичная обмотка однофазного трансформатора напряжения, а ко вторичной обмотке присоединяется реле напряжения (рис. 7-1). Если емкости всех трех фаз батареи одинаковы и все три фазы сети, к которой она присоединена, имеют одинаковые емкости относительно земли, то потенциал нейтральной точки батареи равен потенциалу земли и напряжение на зажимах трансформатора напряжения равно нулю. Неравенство фазных емкостей батареи вызывает изменение потенциала нейтральной точки, на реле появляется напряжение, и защита отключает батарею или приводит в действие сигнализацию.
Недостатком этой схемы является то, что она реагирует не только на электрическую асимметрию батареи, но и па асимметрию сети, к которой она присоединена, относительно земли. Например, при замыкании одной из фаз сети на землю напряжение между нейтральной точкой симметричной батареи и землей становится равным фазному напряжению сети, что вызывает излишнее срабатывание защиты.
Этот недостаток отсутствует во втором варианте той же схемы, при котором батарея подразделяется на две трехфазные группы примерно одинаковой мощности (рис. 7-2). Между нейтральными точками этих групп включается первичная обмотка трансформатора напряжения или трансформатора тока, а ко вторичной обмотке присоединяется реле напряжения или реле тока. При этой схеме нарушение симметрии сети относительно земли не вызывает действия реле, так как потенциалы обеих нейтральных точек смещаются одинаково. Последнюю схему называют иногда «схемой двойной звезды», а первую — «схемой одинарной звезды».
Расчет напряжения на первичных зажимах трансформатора напряжения при несимметричном режиме производится по выражениям для смещения U0 потенциала нейтрали, приведенным в § 2-3. Наиболее удобно для расчетов выражение
Рис. 7-2. Схема защиты, реагирующей на смещение потенциала нейтральной точки одной группы конденсаторов относительно нейтральной точки другой группы.
Если между нейтральными точками двух групп включен трансформатор тока, то можно считать их соединенными накоротко через первичную обмотку трансформатора. Если предполагать, кроме того, что при нормальном режиме емкости С всех фаз в обеих группах одинаковы, а при несимметричном режиме изменяется только емкость одной фазы в одной из групп и принимает значение С1, то ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора тока, выражается:
где
Iф — фазный ток в каждой из групп при нормальном режиме.
Вывод этого выражения произведен на основе общих методов расчета трехфазных цепей.
Если батарея соединена звездой с заземленной нейтралью, то защита, реагирующая на асимметрию батареи, выполняется путем заземления нейтрали через первичную обмотку трансформатора тока. Ко вторичной обмотке присоединяется реле тока, реагирующее на ток нулевой последовательности, протекающий между нейтралью и землей.
Существуют и другие схемы защиты, реагирующей на асимметрию батареи, но они встречаются значительно реже, чем описанные выше. Одна из них предназначена для конденсаторных батарей, соединенных звездой с. изолированной нейтралью. Параллельно каждой фазе батареи присоединена первичная обмотка однофазного трансформатора напряжения, а три вторичные обмотки соединены разомкнутым треугольником. Напряжение на зажимах последнего остается равным нулю до тех пор, пока емкости всех трех фаз батареи одинаковы. При нарушении симметрии срабатывает реле, присоединенное к зажимам разомкнутого треугольника.
Схема защиты батарей, соединенных треугольником, предусматривает включение трансформатора тока в цепь каждой фазы батареи. Вторичные обмотки этих трансформаторов соединены звездой, и в нейтральный провод включено реле тока. При нарушении симметрии батареи ток в нейтральном проводе отличен от нуля, что вызывает срабатывание защиты.
Другая схема защиты батарей, соединенных треугольником, требует подразделения каждой фазы батареи на две параллельные ветви одинаковой емкости. Последовательно с каждой ветвью включается трансформатор тока, что позволяет осуществить поперечную дифференциальную защиту каждой фазы батареи.
