Защита трансформаторов распределительных сетей - Предварительно заряженные конденсаторы и зарядные устройства

6. Предварительно заряженные конденсаторы и зарядные устройства
Предварительно заряженный конденсатор является независимым (автономным) источником оперативного тока, т. е. он обеспечивает питание устройства защиты или электромагнита управления в любых аварийных ситуациях, в том числе при полном исчезновении напряжения и отсутствии тока к. з. на защищаемом объекте.
Энергия предварительно заряженных конденсаторов используется для срабатывания промежуточных реле, включения короткозамыкателей 35 и 110 кВ, отключения автоматических отделителей 35—110 кВ и выключателей 6—35 кВ, имеющих пружинные или грузовые приводы с малым потреблением электрической энергии. При этом на каждую логическую операцию требуется самостоятельный блок конденсаторов БК.
На рис. 4-8, а показана часть принципиальной схемы релейной защиты трансформатора, где в качестве источника оперативного тока использованы предварительно заряженные блоки конденсаторов БК\—БКг. Заряд конденсаторов осуществляется специальным зарядным устройством УЗ в течение всего периода нормальной работы подстанции. При повреждении трансформатора срабатывают измерительные реле защиты Р (дифференциальной, максимальной токовой, газовой). При замыкании любого из контактов Р (схема ИЛИ) создается замкнутая цепь разряда конденсаторов БК\ на катушку промежуточного реле РП, которое срабатывает за счет энергии, запасенной в этих конденсаторах. При срабатывании реле РП замыкаются его контакты РП\ и РП2, создавая самостоятельные цепи разряда конденсаторов БК2 и Б/Сз, соответственно, на ЭВ короткозамыкателя КЗ и ЭО выключателя В (рис. 4-8,6).

Рис. 4-8. Часть принципиальной схемы (а) оперативных цепей релейной защиты и управления трансформатора с предварительно заряженными конденсаторами БК\ — БКъ и поясняющая схема (б)
разряда конденсаторов БК\ на катушку промежуточного реле РП, которое срабатывает за счет энергии, запасенной в этих конденсаторах. При срабатывании реле РП замыкаются его контакты РП\ и РП2, создавая самостоятельные цепи разряда конденсаторов БК2 и Б/Сз, соответственно, на ЭВ короткозамыкателя КЗ и ЭО выключателя В (рис. 4-8,6).
Для уменьшения емкости и габаритов конденсаторов напряжение заряда принято равным 400 В. Тем не менее схема защиты с предварительно заряженными конденсаторами получается довольно громоздкой, поскольку на каждую операцию требуется отдельный блок конденсаторов. Но главным недостатком является быстрый разряд конденсаторов при исчезновении напряжения питания зарядного устройства. Особенно это опасно для однотрансформаторных упрощенных подстанций, теряющих напряжение при отключении в ремонт питающей линии 35— 110 кВ. Поскольку ремонт линии происходит в течение нескольких часов, а разряд конденсаторов до недопустимого уровня может произойти в течение нескольких минут, к моменту включения линии и всех подстанций под напряжение защиты всех трансформаторов оказываются лишенными оперативного тока. Если на выводах или на шинах НН какого-либо из трансформаторов произойдет короткое замыкание, защита его не сможет сработать. Зарядное устройство УЗ, получающее питание от ТСН (рис.4-8, б),в условиях, например, трехфазного к. з. не будет заряжать разряженные конденсаторы.

Рис. 4-9. Обеспечение заряда конденсаторов БК зарядными устройствами, получающими питание от трансформатора собственных нужд (УЗН) и от трансформаторов тока (УЗТ)
Отказ защиты наиболее опасен на трансформаторах небольшой мощности (до 10 MB-А на 110 кВ), обладающих большим сопротивлением.
К повреждениям за такими трансформаторами нечувствительны защиты питающих линий. Отказ собственной защиты такого трансформатора, как правило, приводит к его полному разрушению в результате длительного прохождения токов к. з.
Для устранения этого недостатка было предложено [21] применять два типа зарядных устройств (рис. 4-9):
устройства, получающие питание от ТСН (УЗН), и
устройства, получающие питание от ТТ защищаемого трансформатора (УЗТ).
Принцип сочетания этих устройств аналогичен принципу использования блоков питания (рис. 4-5,6). Действительно, при трехфазном или двухфазном к. з. между фазами В и С, на которые включено УЗн (рис. 4-9), напряжение на входе этого устройства равно нулю и оно не может осуществлять заряд конденсаторов БК. Но при этом через трансформатор Тр и трансформаторы тока ТТ идет ток к. з. /к, который трансформируется и проходит через устройство УЗТ, осуществляющее заряд конденсаторов БК в этом аварийном режиме.
Устройства типа УЗН выпускаются серийно. До недавнего времени выпускалось устройство типа УЗ-400 (УЗ-401) с одно- полупериодным выпрямителем и поляризованным реле для контроля напряжения. Это устройство не может обеспечить быстрый Заряд конденсаторов. Время заряда конденсаторов суммарной
емкостью 200 мкФ по данным Мосэнерго равняется примерно 10 с. Из-за этого приходится увеличивать время срабатывания АПВ трансформаторов [5]. В настоящее время выпускается новое зарядное устройство типа БПЗ-401 [19]. Оно обеспечивает заряд блоков конденсаторов суммарной емкостью 200 мкФ за 0,05—0,07 с, т. е. за время, меньшее, чем время срабатывания быстродействующей защиты трансформатора. Это является большим достоинством устройства БПЗ-401, поскольку срабатывание измерительных органов защиты прежде, чем произойдет полный заряд конденсаторов, может привести к отказу срабатывания электромагнитов управления и, как следствие, к полному разрушению защищаемого трансформатора.
Устройство типа БПЗ-401 может использоваться одновременно и как блок питания (§ 4-6).
Наряду с БПЗ-401 был освоен выпуск и БПЗ-402 — зарядного устройства, получающего питание от ТТ (УЗТ на рис. 4-9). Это устройство при определенных значениях тока к.з. также обеспечивает быстрый заряд конденсаторов, однако расчеты [20, 21] показывают, что БПЗ-402 практически могут включаться на встроенные трансформаторы тока типа ТВТ только на трансформаторах 110 кВ мощностью 10 MB-А и более. Это объясняется тем, что при трехфазном к.з. за трансформатором меньшей мощности ток повреждения настолько мал, что не обеспечивает надежной работы БПЗ-402.
Для обеспечения надежного заряда конденсаторов в условиях включения трансформатора на трехфазное к.з. предлагались разного рода подзарядные и зарядные устройства, источником питания которых являлся малогабаритный аккумулятор напряжением 12 В или около этого значения. Однако промышленный выпуск подобного устройства не был налажен. При этом надо заметить, что требуется стационарное зарядное устройство а не переносное, поскольку перед включением питающей линии может оказаться необходимым зарядить конденсаторы одновременно на нескольких подстанциях на ответвлениях от этой линии. В современных условиях обслуживания нескольких подстанций одной оперативно-выездной бригадой (ОВБ) это, разумеется, сделать невозможно.
Для обеспечения надежного заряда конденсаторов токами к.з. в схемах релейной защиты трансформаторов любой мощности, независимо от значений тока к. з. за трансформатором, в Ленэнерго разработан (Г. И. Керре и автором) новый блок заряда конденсаторов типа БЗК-400 (А. с. 736247 (СССР). Опубл. в Б. И., 1980, № 19). Если в существующем токовом блоке БПЗ-402 для ограничения до 400 В напряжения заряда конденсаторов используется принцип феррорезонанса, для наступления которого требуется ток не менее определенного значения [20, 21], то в блоке БЗК-400 стабилизация напряжения заряда конденсаторов осуществляется с помощью тиристора, не допускающего рост напряжения заряда выше 400 В при любом значении тока к. з.
Поскольку время заряда конденсаторов зависит от значения тока к.з. на входе устройства, а для трансформаторов 110 кВ малой мощности со встроенными трансформаторами тока этот ток может быть весьма мал (5—10 А), в устройстве БЗК-400 имеется управляющий тиристор, разрешающий разряд только полностью заряженных конденсаторов. Это означает, что в тех случаях, когда защита сработает прежде, чем полностью зарядятся конденсаторы, создается задержка на срабатывание всей схемы (промежуточного реле РП, ЭВ и ЭО на рис. 4-8, а). Для самого маломощного трансформатора 2,5 MB-А задержка при к.з. за трансформатором составляет не более 0,5 с, для трансформатора 6,3 MB-А — не более 0,2 с, что соответствует требованиям Правил [1]. Устройства БЗК-400 находятся в опытной эксплуатации с 1978 г.
Все известные токовые зарядные устройства, так же как и токовые блоки питания, требуют отдельных обмоток трансформаторов тока. В соответствии с ГОСТ на всех трансформаторах 110 и 35 кВ заводами должны устанавливаться на стороне ВН по два трансформатора тока на фазу, в том числе и на трансформаторах 110 кВ мощностью 2,5 MB-А (ГОСТ 12965—74) и на трансформаторах 35 кВ мощностью 1 MB-А и выше (ГОСТ 11920—73). Возможность питания измерительных органов и логической части защиты от одной из обмоток трансформаторов тока определяется расчетом [5].
В настоящее время на большинстве упрощенных подстанций 35 и 110 кВ заряд конденсаторов осуществляется, к сожалению, только от зарядных устройств УЗ-401 или Б,ПЗ-401, получающих питание от ТСН. Токовые блоки заряда по указанным выше причинам в типовых схемах пока что не предусмотрены.
Конденсаторы для схем защиты выпускаются промышленностью в виде блоков серии БК-400 [19]. Блок БК-401 емкостью 40 мкФ обеспечивает срабатывание промежуточных реле (РП-23, РП-252 и др.), а также отключение выключателей с приводами типов ПРБА, УГП, УПГМ, ППМ-10 и др. Блок БК-402 емкостью 80 мкФ используется для отключения выключателей с пружинными приводами типа ПП-67 и электромагнитными (соленоидными) приводами типов ПЭ-11, ПС-10 и др., а также для включения короткозамыкателей 35—220 кВ и отключения отделителей соответствующего напряжения.
В заключение следует еще раз напомнить о том, что заряженные блоки конденсаторов имеют на своих выводах напряжение 400 В, весьма опасное для обслуживающего персонала. Поэтому запрещается начинать любые работы в схемах с конденсаторами до того, как они будут разряжены. В схемах последних лет предусмотрен специальный ключ для разряда конденсаторов на стационарное сопротивление в несколько тысяч ом (рис. 10-1). При отсутствии ключа разряд производят на переносное сопротивление, смонтированное вместе с изолированными проводами с металлическими наконечниками.