Дифференциальная токовая защита трансформаторов

 

Предназначена для защиты от повреждений внутри трансформатора и на его выводах. Применяется:

– на одиночно работающих трансформаторах мощностью свыше 6300 кВЧА;

– на параллельно работающих трансформаторах мощностью от 4000 кВЧА и более;

– на трансформаторах мощностью более 1000 кВЧА в случае, если отсечка не обеспечивает необходимую чувствительность, а время срабатывания максимальной токовой защиты более 1 с.

Для осуществления защиты с обеих сторон трансформатора установлены трансформаторы тока, к ним по схеме с циркулирующими токами подключено реле (рис.60).

Принцип действия аналогичен принципу действия продольной дифференциальной защиты ЛЭП.

При внешнем КЗ (точка К1) ток в дифференциальном реле близок к нулю, так как вторичные токи равны и противоположны по направлению. При КЗ в зоне действия защиты (точки К2 и К3) через реле протекает ток, защита сработает и отключит выключатель.

Особенностями выполнения продольной дифференциальной защиты трансформаторов являются:

1. Необходимость компенсации сдвигов токов по фазе.

Для этого у силовых трансформаторов с группой соединения D/Y трансформаторы тока на стороне «D» силового трансформатора соединяются по схеме «Y», а на стороне «Y» силового трансформатора по схеме «D» (рис.60). Такое решение позволяет компенсировать сдвиг фаз тока в симметричном и несимметричном режимах. Если обмотки силового трансформатора соединены по схеме Y/Y, то трансформаторы тока с обеих сторон должны быть соединены по схеме «Y».

2. Необходимость компенсации неравенств токов.

Коэффициенты трансформации трансформаторов тока стараются подобрать таким образом, чтобы их вторичные токи были одинаковыми. Но коэффициенты трансформации строго стандартизированы, поэтому полностью ликвидировать токи небаланса не удается.

В случае значительной разности токов плеч применяют уравнительные трансформаторы и автотрансформаторы.

 

Рис.60. Схема продольной дифференциальной защиты трансформатора

 

Составляющие токов небаланса в дифференциальной защите трансформатора:

1. Ток небаланса обусловленные наличием РПН.

Использование РПН приводит к нарушению соотношения между первичными и вторичными токами, что обуславливает появление в цепях защиты тока небаланса. У трансформаторов с ПБВ ток небаланса имеет небольшое значение, так как пределы регулирования DU = ±5%. У трансформаторов с РПН DU = ±15%. В последнем случае необходимо учитывать ток небаланса при выборе тока срабатывания защиты.

2. Токи небаланса, возникающие из-за разнотипности трансформаторов тока, установленных на высокой и низкой сторонах силового трансформатора. Нередко на стороне высшего напряжения используются встроенные трансформаторы тока, а на стороне низшего напряжения – выносного типа (другого типа и конструкции). В таких случаях измерительные трансформаторы тока могут иметь различные номинальные параметры. В режиме внешнего КЗ кратности токов у них также неодинаковы. Эти обстоятельства обуславливают повышенное значение токов небаланса по сравнению с дифференциальной защитой линий. Поэтому при расчете тока срабатывания дифференциальной защиты трансформатора коэффициент однотипности выбирают большим.

3. Токи небаланса, обусловленные броском тока намагничивания при включении трансформатора под нагрузку. В нормальном режиме ток намагничивания невелик и его можно не учитывать. Однако при включении трансформатора под напряжение происходит бросок тока намагничивания, значение которого может достигать (6ё8)Ч I_НОМ трансформатора.

4. Токи небаланса, возникающие из-за неточной компенсации неравенства токов плеч. Точная установка расчетного значения числа витков регулировочных устройств не всегда возможна, так как число выводов уравнительных автотрансформаторов, например, ограничено.

Учет тока небаланса при выборе тока срабатывания защиты

При выборе тока срабатывания защиты из условия отстройки от токов небаланса рассматривают два случая:

1. Ток срабатывания защиты отстраивается от броска тока намагничивания при включении трансформатора под нагрузку. Другие составляющие тока небаланса при этом не учитываются

.

В зависимости от используемых реле и способа отстройки коэф­фициент

принимается равным 0,3...4,5.

2. Ток срабатывания защиты выбирается больше, чем максимальный ток небаланса, проходящий через защиту при внешнем КЗ. В этом случае бросок тока намагничивания при включении трансформатора не учитывается. Расчетный ток небаланса определяется по трем составляющими:

а) – обусловлен погрешностью трансформаторов тока:

,

где - коэффициент, учитывающий переходный режим (наличие апериодической составляющей тока; - коэффициент однотипности трансформаторов тока, установленных на стороне высшего и низшего напряжения (для расчета дифференциальной защиты трансформатора принимается =1); - относительное значение полной погрешности трансформаторов тока, принимается равным 0,1; - максимальный ток внешнего КЗ.

б) – обусловлен наличием РПН:

,

где - половине диапазона регулирования.

в) – обусловлен неточным выравниванием токов плеч защиты:

,

где - расчетное значение числа витков неосновной обмотки; -выбранное число витков обмотки.

.

Ток срабатывания принимают наибольшим из двух значений, по­лученных по этим условиям.

В большинстве случаев ток срабатывания защиты, выбранный по первому условию значительно превышает ток срабатывания защиты, выбранный по второму. Поэтому чаще производят отстройку защиты от бросков тока намагничивания.

Отстройка защиты от броска тока намагничивания достигается в основном тремя путями: загрублением защиты по току сраба­тывания; включением реле через промежуточные насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ); выявлением различия между фор­мой кривой тока КЗ и формой кривой тока намагничивания.

Если определяющим ока­зывается условие 2, а коэффициент чувствительности полу­чается недостаточным, то используют специальные реле с тормо­жением, например типа ДЗТ. Наибольшие возможности для обеспечения требуемого коэффициента чувствительности имеет диф­ференциальная защита ДЗТ-21.

Согласно требовани­ям, коэффициент чувствительности, определяемый при двухфазном коротком замыкании на выводах низшего напряжения трансфор­матора, должен быть k_ч і2,0.

Дифференциальные токовые защиты выполняют в виде дифференциальных токовых отсечек, дифференциальных токовых защит с быстронасыщающимися трансформаторами, дифференциальных защит с торможением.

Дифференциальной отсечкой называется дифференциальная защита мгновенного действия, имеющая ток срабатывания больше броска намагничивающего тока.

Ток срабатывания дифференциальной отсечки определяется условием отстройки от броска намагничивающего тока (принимается =3ё4) и отстройки от тока небаланса.

Дифференциальная защита с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) на реле тока серии РНТ-560. Основными элементами этих реле являются насыщающиеся трансформаторы тока TALT (рис.61), первичная обмотка которых включается в дифференциальную цепь защиты. К вторичной обмотке TALT подключается исполнительное реле тока KA

Для сердечника трансформатора TALT применяется сталь с широкой петлей гистерезиса. Сечение сердечника, параметры реле и обмоток подбираются таким образом, что во вторичную цепь хорошо трансформируется только синусоидальный ток. Апериодический ток практически не трансформируется и в исполнительное реле не попадает, а производит лишь подмагничивание сердечника.

Насыщающийся трансформатор тока TALT работает как обычный трансформатор, если через его первичную обмотку проходит симметричный синусоидальный ток. В этом случае магнитный поток Ф и пропорциональная ему магнитная индукция в сердечнике трансформатора В изменяются от положительного до отрицательного максимальных значений (рис.62), создавая большую э.д.с. e на вторичной обмотке TALT и достаточный для работы исполнительного реле KA ток:

,

 

Рис.61. Магнитная система реле серии РНТ-560 с БНТ

,

,

где S – сечение магнитопровода.

 

Рис.62. Изменение магнитной индукции в магнитопроводе насыщающегося трансформатора тока

 

Иначе работает насыщающийся трансформатор, если через его первичную обмотку проходит ток с несимметричной формой кривой, имеющей одностороннее смещение (рис.63). Такое смещение кривой тока относительно оси времени происходит из-за наличия апериодической составляющей. В этом случае магнитный поток и магнитная индукция в сердечнике трансформатора будут изменяться только от положительного максимального значения до значения . Несмотря на большое значение магнитной индукции, скорость ее изменения будет небольшой, поэтому на вторичной обмотке будет создаваться небольшая э.д.с. и недостаточный для работы реле ток.

При включении токовых реле через насыщающиеся трансформаторы тока они становятся нечувствительными к токам намагничивания силовых трансформаторов и токам небаланса при переходных процессах, что дает возможность повысить чувстви­тельность защиты. В то же время реле с насыщающимся трансформатором тока надежно срабатывает при коротком замыкании в зоне защиты, когда токи имеют несимметричную форму лишь в первый момент времени и по истечении нескольких периодов, когда затухает переходный процесс, становятся симметричными. Такие токи хорошо трансформируются через насыщающиеся трансформаторы тока и приводят в действие исполнительное реле КА.

 

Рис.63. Изменение магнитной индукции в магнитопроводе насыщающегося трансформатора тока

 

Для усиления или ослабления подмагничивающего действия апериодического тока, поступающего в обмотку , у реле серии РНТ используется короткозамкнутая обмотка , состоящая из двух секций, расположенных на среднем и правом стержнях насыщающегося трансформатора тока (рис. 61).

Принцип работы насыщающиеся трансформаторы тока такого типа состоит в следующем. При прохождении по рабочей обмотке симметричного синусоидального тока, магнитный поток в среднем стержне наводит в первой секции э.д.с., под действием которой протекает ток , который, проходя по второй секции , создает в правом стержне магнитный поток . Суммарный магнитный поток = + замыкаясь через левый стержень, наводит во вторичной обмотке ток , который проходит по обмотке реле КА и вызывает его сраба­тывание. Таким образом, ток из рабочей обмотки трансформируется во вторичную обмотку как непосредственно, так и путем двойной трансформации из обмотки . При этом чем больше число витков короткозамкнутых обмоток или чем меньше их сопротивление, тем больше магнитный потек и тем, следовательно, сильнее проявляется действие двойной трансформации.

При прохождении по рабочей обмотке насыщающегося трансформатора несимметричного тока, его трансформация во вторичную обмотку как непосредственная, так и особенно двойная существенно ослабляются, благодаря чему ток во вторичной обмотке не достигает значения, равного току срабатывания реле.

Ток срабатывания дифференциальной защиты с БНТ определяется условием отстройки от броска намагничивающего тока (принимается = 1,3) и отстройки от тока небаланса.

Дифференциальная защита с торможением. В ряде случаев, когда при внешних КЗ через дифференциальную защиту проходят большие токи небаланса, ток срабатывания, получается очень большими. При этом дифференциальная защита может не обеспечивать необходимой чувствительности.

Для повышения чувствительности дифференциальной защиты в таких случаях используются реле КАW с тормозным действием типа ДЗТ. У таких реле на БНТ кроме обмоток, аналогичных тем, что имеются у реле типа РНТ, расположены дополнительно одна или несколько тормозных обмоток. Включение реле с одной тормозной обмоткой типа ДЗТ-11 показано на рис. 64. Тормозная обмотка Т, включенная в плечо дифференциальной защиты, по которой проходит ток сквозного КЗ, подмагничивает сердечник БНТ, что приводит к увеличению тока срабатывания реле и обеспечивает отстройку от увеличивающихся токов небаланса.

 

Рис.64. Принципиальная схема подключения дифференциальной защиты с реле ДЗТ-11 для двухобмоточного трансформатора

 

Ток срабатывания дифференциальной защиты с ДЗТ-11 определяется только условием отстройки от броска намагничивающего тока (принимается = 1,5).

Для защиты трансформаторов и автотрансформаторов большой мощности выпускаются дифференциальной защиты с торможением типов ДЗТ-21 и ДЗТ-23, в которых применен новый принцип отстройки от бросков тока намагничивания и токов небаланса. Эта защита обладает более высокой чувствительностью, быстродействием и потребляет меньшую мощность по сравнению с другими дифференциальными защитами.

На дифференциальных защитах с реле ДЗТ-21 и ДЗТ-23 может быть выполнена минимальная уставка по току срабатывания 0,3 трансформатора. Для отстройки от бросков намагничивающего тока трансформаторов и переходных токов небаланса используется время-импульсный принцип блокирования защиты в сочетании с торможением от составляющих второй гармонической тока, содержащихся, как показывает анализ, в токах намагничивания.

Время-импульсный принцип основывается на анализе длительности пауз, появляющихся в кривой дифференциального тока (рис. 65). При апериодическом броске тока намагничивания паузы между моментами, когда мгновенные значения тока намагничивания превышают ток срабатывания реагирующего органа защиты (РО), велики (рис 65, а и б). При синусоидальном токе (режим КЗ в защищаемой зоне) паузы между мгновенными значениями выпрямленного тока КЗ, превышающими ток срабатывания РО, малы (рис.65 в и г). Таким образом, оценивая с помощью специальной схемы продолжительность пауз, защита может отличить режим броска тока намагничивания (блокировка защиты) от режима КЗ в зоне (срабатывание защиты).

 

Рис.65. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия дифференциальной защиты с реле типа ДЗТ-21:

а- выпрямленный рабочий ток в реле при броске тока намагничивания; б - то же при симметричном токе КЗ; в - импульсы и паузы на выходе органа, формирующего импульсы при броске тока намагничивания; г - то же при сим-метричном токеКЗ

 

Сочетание в ДЗТ-21 (ДЗТ-23) двух указанных способов позволяет обеспечить отстройку защиты от бросков тока намагничивания при необходимых быстродействии и чувствительности В защите предусмотрено также торможение от фазных токов в двух плечах защиты, улучшающее отстройку от установившихся и переходных токов небаланса При больших кратностях тока в защищаемой зоне, особенно при наличии апериодической составляющей, может наступить насыщение трансформаторов тока защиты При этом во вторичных токах трансформаторов появляются паузы которые могут вызвать замедление или отказ защиты Для обеспечения надежности и быстродействия защиты в этих режимах в схеме предусмотрена дополнительная отсечка.