Дифференциальная токовая защита шин

Дифференциальная токовая защита шин предназначена для быстрого отключения электрических цепей, включенных на сборные шины, при КЗ на сборных шинах или на любом другом оборудовании, входящем в зону действия защиты.

Зона ее действия ограничивается трансформаторами тока, к которым подключены реле защиты. В основу выполнения защиты положен принцип сравнения значений и фаз токов электрических цепей при КЗ и других режимах работы.

Для выполнения защиты дифференциальное реле РТ подключают к трансформаторам тока присоединений, как показано на рис. 1. При таком включении ток в реле всегда будет равен геометрической сумме вторичных токов присоединений.

При КЗ на шинах (рис. 1, а) вторичные токи присоединений будут иметь одно направление и через реле будет проходить сумма этих токов

При внешнем КЗ (рис. 1,б) ток в обмотке реле

реле работать не будет, если оно отстроено от тока небаланса, появляющегося вследствие погрешности трансформаторов тока.

Рис. 1. Токи в реле дифференциальной токовой защиты шин при КЗ на шинах (а) и внешнем КЗ (б)

Основанные на общем принципе, дифференциальные защиты шин могут отличаться друг от друга по схеме, что связано с приспособлением их к той или иной главной схеме подстанции. В эксплуатации находятся дифференциальные защиты шин для подстанций с одной и двумя системами шин, а также для подстанций с реактированными линиями и несколькими источниками питания.

Наибольший интерес с точки зрения обслуживания их оперативным персоналом представляют дифференциальные токовые защиты шин для подстанций с двумя системами шин с фиксированным распределением присоединений, которое часто используется как одно из средств ограничения токов КЗ в сетях 110—220 кВ. Ниже рассматривается одна из таких защит.

Отличительной особенностью защиты (рис. 2) является избирательность в отключении поврежденной системы шин, если соблюдено установленное распределение присоединений по шинам. Селективность действия обеспечивается применением в схеме двух избирательных токовых органов (комплектов реле) РТ1 и РТ2 и общего пускового органа (комплекта реле) РТЗ.

Реле каждого избирательного комплекта подключены к трансформаторам тока присоединений, зафиксированных за данной системой шин, и действуют на отключение выключателей только этих присоединений. Реле общего пускового комплекта подключены к трансформаторам тока присоединений обеих систем шин и поэтому срабатывают при КЗ на любой из систем шин. На внешние КЗ они не реагируют, даже если нарушена фиксация присоединений.

Работа дифференциальной токовой защиты шин.

При КЗ на одной из систем шин сработают токовые реле общего пускового комплекта РТЗ и подадут оперативный ток на отключение шиносоединительного выключателя (реле РПЗ) и одновременно на токовые реле избирательных комплектов РТ1 и РТ2. Отключение выключателей присоединений поврежденной системы шин произойдет в результате срабатывания промежуточного реле соответствующего избирательного комплекта.

В случае нарушения установленной фиксации присоединений оба избирательных комплекта защиты могут сработать при внешнем КЗ, так как токи в них не балансируются. Однако это не приведет к отключению присоединений, поскольку постоянный ток на реле избирательных органов подается общим пусковым комплектом, в реле которого токи будут уравновешены, и он не сработает.

Если при нарушенной фиксации присоединений КЗ возникнет на одной из рабочих систем шин, то сработают все три комплекта защиты и отключатся обе системы шин. Для сохранения селективности действия защиты в случае изменения фиксации Присоединений необходимо переключение из одного избирательного комплекта в другой токовых и оперативных цепей присоединений, переведенных на другую рабочую систему шин.

В схеме защиты (рис. 2) предусмотрен рубильник «Нарушение фиксации присоединений», шунтирующий цепи постоянного тока обоих избирательных органов. Включением этого рубильника из схемы защиты исключаются контакты токовых реле РТ1 и РТ2 избирательных комплектов, рубильник включают перед началом операций с коммутационными аппаратами, нарушающих установленную фиксацию присоединений. Он должен быть также включен, когда в работе находится одна система шин и на нее включены все присоединения.

При включенном рубильнике защита действует на отключение сразу всех выключателей. Если рубильник будет включен при работе обеих систем шин и фиксированном распределении присоединений, то в случае КЗ на одной из систем шин защита неселективно подействует на отключение выключателей обеих систем шин непосредственно от общего комплекта.

Для опробования напряжением одной из систем шин с помощью ШСВ в схеме защиты предусмотрена автоматическая блокировка, замедляющая отключение выключателей присоединений рабочей системы шин в случае включения ШСВ на КЗ. Блокировка выполнена с помощью реле ПВ7, имеющего при возврате большую выдержку времени, чем время отключения ШСВ. Именно на это время реле РП4 снимает минус оперативного тока с реле РП1 и РП2 избирательных комплектов, благодаря чему они не смогут отключать выключатели присоединений. Импульс на отключение ШСВ подается без замедления от реле РПЗ, как только подействуют реле пускового комплекта. Если отключение ШСВ по какой-либо причине затянется, по истечении времени возврата реле ПВ7 произойдет отключение рабочей системы шин.

Рис. 2. Принципиальная схема дифференциальной токовой защиты двойной системы шин: 1 — ключ управления шиносоединительного выключателя В1 (ШСВ); 2 — то же обходного включателя В2 (ОВ). Контакты 1 и 2 замкнуты только на время включения, на рисунке они условно изображены как кнопки; 3 — кнопка, шунтирующая миллиамперметр; 4 — кнопка деблокировки сигнального реле; РТ1 — токовое реле избирательного комплекта I, системы шин; РТ2 — то же II системы шин; РТЗ — токовое реле общего комплекта; РТ0 — токовое реле сигнального комплекта; РП1—РП6 — промежуточные реле; PП0 — то же сигнального комплекта: ПВ7, ПВ8 — промежуточные реле с выдержкой времени; РВ0— реле времени сигнального комплекта; БИ9—БИ14 — испытательные блоки; С — рубильник нарушения фиксации; Н — накладки (отключающие устройства)

Аналогичная блокировка (реле ПВ8) предусмотрена и на случай опробования напряжением обходной системы шин с помощью обходного выключателя. На момент опробования вторичные цепи трансформаторов тока обходного выключателя должны быть выведены из схемы защиты (вынуты крышки испытательных блоков БИ9 и БИ10). Иначе возможное КЗ на обходной системе шин окажется внешним КЗ, и защита не сработает.

В эксплуатации не исключены обрывы или шунтирование вторичных цепей трансформаторов тока, к которым подключены реле защиты. В результате баланс токов в реле нарушается и они могут сработать даже при нормальном режиме работы подстанции.

Для предупреждения неправильной работы защиты предусмотрено устройство контроля исправности токовых цепей, выполненное при помощи токового реле РТ0 и миллиамперметра mA, включенных в нулевой провод трансформаторов тока. При некотором (опасном) значении тока небаланса устройство контроля срабатывает, выводит защиту из действия и оповещает персонал о неисправности. Постепенно развивающиеся повреждения в токовых цепях выявляются периодическими измерениями тока небаланса с помощью миллиамперметра при нажатии шунтирующей его кнопки 3.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Дифференциальная защита трансформаторов

Дифференциальная защита применяется в качестве основной защиты трансформаторов при повреждениях их обмоток, на вводах и ошиновке. Ввиду ее сравнительной сложности дифференциальная защита устанавливается лишь на одиночно работающих трансформаторах 6300 кВА и выше, на параллельно работающих трансформаторах мощностью 4000 кВА и выше и на трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает защитное действие, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 1 с.

Дифференциальная защита основана на принципе сравнения величин токов в начале и в конце защищаемого участка, например и начале и конце обмоток силового трансформатора, генератора и т. п. В частности, участок между трансформаторами тока, установленными на высшей и низшей сторонах силового трансформатора, считается защищаемой зоной.

Действие дифференциальной защиты поясняется рис.1. С обеих сторон трансформатора устанавливаются трансформаторы тока TT1 и ТТ2, вторичные обмотки которых включены последовательно. Параллельно им подключается токовое реле Т. Если характеристики трансформаторов тока будут одинаковы, то в нормальном режиме, а также при внешнем коротком замыкании токи во вторичных обмотках трансформаторов тока будут равны, разность их будет равна нулю, ток через обмотку токового реле Т протекать не будет, следовательно, защита действовать не будет.

При коротком замыкании в трансформаторе и в любой точке защищаемой зоны, например в обмотке трансформатора, по обмотке реле Т будет протекать ток, и если его величина будет равна току срабатывания реле или больше его, то реле сработает и через соответствующие вспомогательные приборы произведет двустороннее отключение поврежденного участка. Эта система будет действовать при междуфазных и межвитковых замыканиях.

Рис. 1. Дифференциальная защита трансформатора: а — токораспределение при нормальном режиме, б — то же при коротком замыкании в трансформаторе

Дифференциальная защита обладает высокой чувствительностью и является быстродействующей, так как для нее не требуется выдержки времени, она может выполняться с мгновенным действием, что и является ее главным положительным свойством. Однако она не обеспечивает защиты при внешних коротких замыканиях и может вызывать ложные отключения при обрыве в соединительных проводах вторичной цепи.

Рис. 2. Дифференциальная защита двух параллельно работающих трансформаторов

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Дифференциальная защита трансформатора

Принцип действия дифференциальной защиты построен на применении первого закона Киргофа. Защищаемый объект принимается за узел, ток фиксируется полностью на всех ветвях, соединяющих объект с внешней электрической сетью. При повреждении на отходящей ветви, сумма токов, входящих и отходящих из узла, равна нулю.

При повреждении объекта, в случае КЗ, сумма токов в ветвях будет равна токам короткого замыкания.

Дифференциальная токовая защита трансформатора отличается от дифференциальной защиты высоковольтных линий и генераторов наличием неравенства первичных токов разных обмоток трансформаторов и несовпадением по фазе.

Дифференциальная защита трансформаторов применяется для предотвращения аварийных и ненормальных режимов работы при возникновении короткого замыкания между фазами, межвитковых КЗ и замыкания одной или более фаз на землю. Дифзащита применяется как основный вид автоматического отключения для мощных трансформаторов и для трансформаторов меньшей мощности, в случае если другие виды защиты не обеспечивают требуемого быстродействия.

Как работает дифзащита трансформатора

Дифференциальная защита работает на сравнении величин токов в начале и в конце защищаемого участка, например и начале и конце обмоток силового трансформатора, генератора и т. п. В частности, участок между трансформаторами тока, установленными на высшей и низшей сторонах силового трансформатора, считается защищаемой зоной.

Рис 1. Дифференциальная защита трансформатора: а — токораспределение при нормальном режиме, б — то же при коротком замыкании в трансформаторе

Действия при срабатывании дифференциальной защиты трансформатора поясняется рис.1.

С обеих сторон трансформатора устанавливаются трансформаторы тока TT1 и ТТ2, вторичные обмотки которых включены последовательно. Параллельно им подключается токовое реле Т. Если характеристики трансформаторов тока будут одинаковы, то в нормальном режиме, а также при внешнем коротком замыкании токи во вторичных обмотках трансформаторов тока будут равны, разность их будет равна нулю, ток через обмотку токового реле Т протекать не будет, следовательно, защита действовать не будет.

При коротком замыкании в трансформаторе и в любой точке защищаемой зоны, например в обмотке трансформатора, по обмотке реле Т будет протекать ток, и если его величина будет равна току срабатывания реле или больше его, то реле сработает и через соответствующие вспомогательные приборы произведет двустороннее отключение поврежденного участка. Эта система будет действовать при междуфазных и межвитковых замыканиях.

Дифференциальная защита обладает высокой чувствительностью и является быстродействующей, так как для нее не требуется выдержки времени, она может выполняться с мгновенным действием, что и является ее главным положительным свойством. Однако она не обеспечивает защиты при внешних коротких замыканиях и может вызывать ложные отключения при обрыве в соединительных проводах вторичной цепи.

Рис. 2. Дифференциальная защита двух параллельно работающих трансформаторов

Зона действия дифференциальной защиты трансформатора (ДЗТ) ограничивается местом установки трансформаторов тока, и включает в себя ошиновку СН, НН и присоединение ТСН, включённого на шинный мост НН.

Ввиду её сравнительной сложности, дифференциальная защита устанавливается в следующих случаях:

Дифференциальная защита нашла своё практическое применение в качестве наиболее важной защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Однако вследствие целого ряда недостатков:

данный вид релейной защиты находит использование лишь:

Дифференциальная защита на базе реле РНТ

Реле с насыщающим трансформатором тока (НТТ) и электромагнитным реле выполнены по схеме циркулирующих токов. При этом в функции НТТ входят:

Конструкция НТТ: трёхстержневой магнитопровод с удвоенным сечением среднего стержня по сравнению с крайними. На среднем стержне намотаны первичные обмотки; на среднем и правом – обмотки замкнутого контура; на левом стержне – вторичная обмотка, воздействующая на исполнительный орган. Всё это заключено в единый корпус, включающий в себя кожух и цоколь.

Срабатывание защиты (под воздействием тока короткого замыкания) происходит по достижении в стержнях заданной величины индукции: 0,4 Тл для правого и среднего стержней и 1,2 Тл для левого стержня.

Дифференциальная защита на базе реле ДЗТ

В тех случаях, когда отстройка от периодической составляющей токов небаланса во время коротких замыканий слишком велика, что приводит к росту порога чувствительности, на смену реле серии ДНТ приходят реле серии ДЗТ. В основу их работы положен принцип магнитного торможения, реализованный на базе насыщающегося трансформатора тока, но уже без короткозамкнутой обмотки.

Отсутствие короткозамкнутой обмотки компенсируется повышенным коэффициентом отстройки от переходных токов вследствие небаланса и бросков тока намагничивания. Конструктивно в данном случае вокруг магнитопровода среднего стержня намотаны первичные обмотки, вокруг левого и правого – катушки вторичной и тормозной обмоток. Часть витков вторичной обмотки питает исполнительный орган, получающий сигнал при возникновении коротких замыканий путём электромагнитных преобразований в системе НТТ.

Видео: Дифференциальная защита

Общие принципы работы дифференциальной защиты. Особенности выполнения защит отдельных элементов электрической сети: кабельной линии, трансформатора, генератора, сборных шин. Защиты ЛЭП-110 кВ: направленная с вч блокировкой, диффазная.

Источник

Как работает дифференциальная защита? Схемы, принцип действия, реле

Дифференциальная защита — одна из самых быстродействующих. Для нее не требуется выдержки по времени, так как при возникновении прецедента для срабатывания уже точно известно, что короткое замыкание находится в контролируемой зоне. Дифференциальная защита имеет абсолютную селективность и действует на отключение без выдержки времени.

Дифференциальная защита используется

Из-за надежности и быстродействия она является одной из основных для вышеперечисленных устройств.

Интересное видео о работе дифференциальной защиты трансформатора смотрите в видео ниже:

Принцип работы дифференциальной защиты

Основа принципа действия любой дифзащиты – контроль токов в начале и конце защищаемого участка электрической цепи. Для этого используются трансформаторы тока. При их расположении в пределах одного распределительного устройства они подключаются к устройству защиты напрямую с помощью кабелей. Если границы защищаемого участка расположены на большом удалении друг от друга, что характерно для кабельных или воздушных линий, используется два полукомплекта защиты, соединенные между собой вспомогательной кабельной линией.

Если эти токи в начале и конце защищаемого участка равны между собой и направлены в одну сторону, срабатывания не происходит. Так получается при протекании номинальных токов нагрузки или при коротком замыкании вне защищаемой зоны (токов внешнего КЗ).

Но если повреждение произошло в зоне, контролируемой защитой, мощность электрической сети протекает в точку КЗ. При одностороннем питании (для трансформаторов или генераторов) от источника в сторону защищаемого электроаппарата протекает больший ток, чем отдается им потребителю. При двухстороннем (на кабельной или воздушной линии, соединяющей между собой сети с независимыми источниками питания) токи на обоих концах линии сориентированы на точку повреждения.

Создается повод для работы защиты, которая дает команду на отключение объекта одновременно со всех сторон.

В зависимости от особенностей защищаемого объекта для реализации устройств выбираются соответствующие дифференциальные реле. Рассмотрим их особенности.

Подробно о принципе действия диф. защиты смотрите в видео:

Дифференциальная защита на реле РНТ

Реле состоит из двух элементов, объединенных в один корпус. Это быстронасыщающийся трансформатор, имеющий три стержня с обмотками, и выходное токовое реле, являющееся исполнительным органом.

Реле подключено к выводам вторичной обмотки, расположенной на крайнем стержне трансформатора. Две, а иногда и три первичные обмотки, располагаются на среднем стержне и связаны с трансформаторами тока. Имеются еще и дополнительные короткозамкнутые обмотки, предназначенные для гашения апериодической составляющей.

Настройка реле осуществляется переключением количества витков первичных обмоток, чтобы добиться равенства магнитных потоков в магнитопроводе. Также изменением сопротивлений резисторов в выходной и компенсирующей цепях выставляются требуемое торможение при переходных процессах, а также ток срабатывания выходного реле.

РНТ используется в основном для работы в составе РЗА силовых трансформаторов. В первый момент включения в сеть в их сердечнике возникают мощные намагничивающие токи. Они быстро затухают, но при этом создается прецедент для работы защиты: ведь мощность на намагничивание потребляется от источника и остается в трансформаторе.

Устройство РНТ позволяет отстроиться от намагничивающих токов. При резком броске тока сердечник трансформатора быстро намагничивается и реле перестает реагировать на подобное возмущение.

Но при этом при мощных сквозных КЗ реле может ложно сработать из-за токов небаланса. Этого недостатка лишено реле ДЗТ.

Полезное учебное пособие о расчету дифференциальной защиты для трансформаторов можно посмотреть и скачать по ссылке. (размер — 5.5Мб). Автор М.А. Александров — Санкт-Петербург, ПЭИПК.

Дифференциальная защита на реле ДЗТ

Внешне реле ДЗТ почти не отличается от РНТ. Но состав обмоток и их назначение меняется. Магнитопровод также имеет три стержня. Первичные обмотки находятся, как и у РНТ, на среднем стержне. А вот вторичная обмотка размещена одновременно на двух крайних, там же находится еще одна, выполняющая функцию тормозной.

Если КЗ произошло в зоне защиты, тока в тормозной обмотке реле нет, происходит его срабатывание. Если повреждение находится вне защищаемого участка, через трансформаторы протекает большой сквозной ток. Часть его поступает в тормозную обмотку, компенсируя в магнитопроводе потоки от обмоток на среднем его стержне.

В итоге во вторичной обмотке результирующий ток равен нулю. Защита не срабатывает.

Реле с успехом используется для защиты на линиях электропередач, но для силовых трансформаторов его использовать нежелательно. Имея лучшую отстройку от сквозных токов короткого замыкания, оно хуже отстраивается от токов намагничивания.

Ещё одно интересное видео о принципе работы диф. защиты шин:

Микропроцессорные терминалы диф защиты

Все рассмотренные выше реле относятся к электромеханическим. Их производство начато давно. Несмотря на высокую надежность, они уже морально устарели. А знаниями и навыками, необходимыми для их наладки и проверки обладают далеко не все релейщики.

Перспектива развития дифференциальной защиты подразумевает замену электромеханической техники на микропроцессорные терминалы защит, выпускаемые ведущими электротехническими фирмами: АВВ, Schneider Electric, Siprotec и другими.

Источник

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса

Условная схема дифференциальной защиты

Если принять за узел защищаемый объект (рис. 1.1) и фиксировать ток на всех ветвях, связывающих защищаемый объект (узел) с внешней сетью, то при повреждении на отходящей ветви сумма токов, входящих и выходящих из узла, будет равна нулю.

Рис. 1.1. Схема дифференциальной защиты с циркулирующими токами

При повреждении защищаемого объекта (КЗ в узле) сумма токов по ветвям будет равна току короткого замыкания.

По схеме на рис. 1.1 в нормальном нагрузочном режиме и при внешнем коротком замыкании (на исходящей ветви, за трансформатором тока в сторону сети) во вспомогательных проводах, соединяющих вторичные обмотки трансформаторов тока, циркулируют токи, равные вторичным токам ТТ.

Поэтому такое выполнение продольной дифференциальной защиты именуется схемой с циркулирующими токами. Другим вариантом исполнения дифференциального принципа (рис. 1.2) является схема с уравновешенными напряжениями, в которой вторичные обмотки ТТ соединяются между собой последовательно, и в эту же цепь включен реагирующий орган (дифференциальное реле). Считается, что одноименные концы первичной и вторичной обмоток ТТ расположены с одной стороны. Ток в реле будет равен:

(1–1)

где Z – сумма сопротивлений вспомогательных проводов, обмотки реле и обмоток ТТ.

Рис. 1.2. Схема дифференциальной защиты с уравновешенными напряжениями

В нормальном режиме и коротком замыкании вне зоны действия Е1 = Е2 и направлены в противоположные стороны, ток в реле равен нулю.

При повреждении в защищаемой зоне Е1 ≠ Е2, но направлены в одну сторону, ток в реле не равен нулю и, если он превышает ток срабатывания, то защита отключит поврежденный элемент.

В схеме с уравновешенными напряжениями в нормальном режиме и внешних коротких замыканиях токи во вторичных обмотках ТТ отсутствуют, и ТТ работают в режиме холостого хода. Это может привести к недопустимому перегреву ТТ и появлению высоких напряжений во вторичных цепях, поэтому схема с уравновешенными напряжениями со стандартными трансформаторами тока по рис. 1.2 не применяется, обычно устанавливаются специальные промежуточные ТТ. Кроме того, схема требует использования максимально близких по характеристикам ТТ. Таким образом, схема с уравновешенными напряжениями получается более сложной, чем с циркулирующими токами, и поэтому она получила ограниченное применение.

В свою очередь схема с циркулирующими токами может выполняться в двух вариантах: с малым сопротивлением и с большим сопротивлением дифференциальной цепи реле.

Достоинством схемы с малым сопротивлением дифференциального реле является шунтировка измерительных ТТ, что максимально устраняет их влияние друг на друга.

Достоинством схемы с большим сопротивлением дифференциальной цепи является автоматическое загрубление защиты при насыщении какого-либо ТТ при внешнем КЗ, так как в этом случае малое сопротивление ветви намагничивания насыщенного ТТ шунтирует дифференциальную цепь, уменьшая ток (напряжение) небаланса.

Чаще всего схема с большим сопротивлением дифференциальной цепи применяется при выполнении дифференциальных защит шин, где возможно глубокое насыщение ТТ на том присоединении, где произошло внешнее для дифференциальной защиты КЗ и в чувствительных дифференциальных защитах от замыканий на землю. В настоящее время в связи с уменьшением затрат на реализацию сложных алгоритмов при переходе на электронную элементную базу изготовления реле, схема с большим сопротивлением вытесняется защитами с малым сопротивлением дифференциального реле.

При рассмотрении принципа действия дифференциальных защит было принято, что в нагрузочном режиме и в режиме внешнего короткого замыкания ток в дифференциальной цепи равен нулю. Это возможно только в том случае, если вторичные токи ТТ точно равны первичным приведенным токам, т. е.

В действительности в дифференциальной цепи в этих режимах протекает ток, называемый током небаланса.

Определим, из каких составляющих складывается ток небаланса.

Погрешность ТТ в работе диф защиты трансформатора

Эта составляющая тока небаланса характерна для всех дифференциальных защит и вызвана тем, что вторичный ток равен:

(1 – 2)

где I_втор. – вторичный ток ТТ;
I’_перв. – приведенный ко вторичной обмотке первичный ток;
I’_нам. – приведенный ко вторичной обмотке ток намагничивания.
Ток в реле – ток небаланса – равен (для дифференциальной защиты с двумя ветвями):

где I_втор.1, I’_перв.1, I’_нам.1 – вторичный, приведенный первичный и приведенный ток намагничивания ТТ первой ветви;
I_втор.2, I’_перв.2, I’_нам.2 – то же для второй ветви.
При условии, что первичные токи защищаемого объекта равны первичным токам ТТ при внешнем коротком замыкании:
Ток небаланса будет равен:

(1 – 4)

В общем случае ток небаланса равен геометрической сумме токов намагничивания всех ветвей дифференциальной защиты:

(1 – 5)

Для того чтобы выявить влияние нагрузок ТТ и сопротивления дифференциального реле на ток небаланса, составим схему замещения дифференциальной защиты [3]:

Рис. 1. 3. Схема замещения дифференциальной токовой защиты

На рис. 1. 3. введены следующие обозначения:
Z’_перв1, Z’_нам1, Z_втор1 – приведенные сопротивления первичной обмотки и ветви намагничивания,сопротивление вторичной обмотки ТТ первой ветви;
Z’_перв2, Z’_нам2, Z_втор1 – то же для второй ветви;
I’_перв1, I’_нам1, I_втор1 – приведенные первичный ток, ток намагничивания и вторичный ток ТТ первой ветви;
I’_перв2, I’_нам1, I_втор1 – то же для второй ветви;
I_Р, Z_РО – ток в цепи дифференциального реле и сопротивление дифференциального реле;
r_пр1, r_пр2 – сопротивление соединительных проводов от ТТ до дифференциального реле для первой и второй ветви.

Принимая, что все сопротивления по рис. 1. 3 являются линейными элементами и составив для этой схемы уравнения по законам Кирхгофа, получим для I_нб при внешнем КЗ, когда I’_перв1 = I’ _перв2:

где Z₂ = Z_втор2 + r_пр2 ; Z₁ = Z_втор1 + r_пр1;
Z’_нам1 • Z’_нам2 = Z’ 2 _нам;
Z’_нам1 + Z’_нам2 = 2Z’_нам.
Анализ формулы (1 – 6) показывает, что для снижения тока небаланса необходимо для менее мощных ТТ (имеющих меньшее сопротивление намагничивания) уменьшать внешнюю нагрузку.

К сожалению, для большинства трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник», как раз для менее мощных ТТ, на стороне «звезды» нагрузка должна быть увеличена в три раза за счет соединения ТТ в «треугольник», что приводит к большой погрешности ТТ, к увеличению тока небаланса и соответственно к увеличению тока срабатывания дифференциальной защиты.

В переходных режимах работы токи небаланса могут во много раз превосходить установившиеся значения. Проведенные исследования показали, что переходный ток небаланса может содержать значительную апериодическую составляющую, причем при равенстве сопротивления плеч и идентичности вольт-амперных характеристик ТТ ток небаланса представляет однополярный сигнал.

При неравенстве сопротивления плеч ТТ в токе небаланса появляются отрицательные полуволны [4]. На переходный процесс оказывают значительное влияние постоянные времени первичной и вторичной цепи – с их возрастанием токи небаланса увеличиваются, а сам переходный процесс затягивается.

Для обеспечения правильного функционирования дифференциальной защиты необходимо ток срабатывания защиты отстроить от токов небаланса, вызванных погрешностью ТТ в режиме максимального тока внешнего короткого замыкания.

Ввиду сложности расчетов для реальных ТТ переходных токов небаланса, ток срабатывания дифференциальных защит выбирают по условию отстройки от установившегося тока небаланса, а учет переходного режима производится введением повышающего коэффициента kпер, который определяет степень конструктивной отстройки дифференциального реле от переходного режима (реле с промежуточными насыщающимися ТТ, реле с время-импульсной схемой и т.д.).

Для дифференциальных защит, в которых объединяются ТТ нескольких сторон защищаемого объекта, ток небаланса, вызванный погрешностями ТТ, определяется в режиме, когда ТТ одной стороны работают с допустимой погрешностью, а ТТ других – без погрешности.

В этом случае разность токов сторон будет протекать в дифференциальной цепи и определять ток небаланса.

Максимальная допустимая полная погрешность ТТ для дифференциальных защит в установившемся режиме максимального тока внешнего КЗ не должна превышать 10%.

Если для дифференциальной защиты используются ТТ одинакового типа, с одним коэффициентом трансформации, работающие примерно в одинаковых условиях, то мало вероятно, чтобы погрешность, с одной стороны, была равна допустимой, а с другой – равна нулю. Для учета таких условий работы ТТ (в формуле определения тока небаланса) вводится коэффициент однотипности ТТ, равный 0,5.

Таким образом, составляющая тока небаланса, вызванная погрешностью ТТ, определяется:

где k_пер – коэффициент, учитывающий переходный режим;
k_одн – коэффициент однотипности ТТ, который принимается равным 1,0 или 0,5 в зависимости от условий работы ТТ;
ε – полная погрешность ТТ в установившемся режиме при расчетном токе внешнего металлического КЗ;
I_{КЗ макс} – максимальное значение тока при установившемся внешнем металлическом КЗ.

Защита с током срабатывания, выбранным по условию отстройки от тока небаланса по (1–7), не обеспечивает требование необходимой чувствительности защиты, поэтому применяют различные способы повышения чувствительности и отстройки от тока небаланса. Традиционным способом отстройки от токов небаланса является процентное торможение, под которым понимается возрастание тока срабатывания дифференциального реле с увеличением тормозного тока. В качестве тормозного тока можно использовать фазный ток одной или нескольких сторон защиты, полусумму абсолютных значений токов сторон защиты и т.п.

Компенсация угловых сдвигов первичных токов и исключение токов нулевой чувствительности

Для силовых трансформаторов со схемой соединения «звезда−треугольник» между токами высшего и низшего напряжения существует угловой сдвиг с кратностью в 300. Без принятия мер для компенсации этого сдвига потребовалось бы значительное загрубление дифференциальной защиты по току срабатывания. Поэтому угловой сдвиг первичных токов компенсируется соответствующим поворотом вторичных токов на одной из сторон трансформатора.

Первичный поворот токов происходит из-за соединения обмоток трансформатора в «треугольник». Поэтому для компенсации фазовой погрешности трансформаторы тока тоже соединяются в треугольник.

Теоретически безразлично, на какой стороне соединить трансформаторы тока в «треугольник». Однако для силового трансформатора с заземленной нулевой точкой на стороне «звезда» при внешнем повреждении на землю со стороны нейтрали протекают токи нулевой последовательности – нейтраль «генерирует» токи нулевой последовательности. Эти токи трансформируются во вторичную цепь на стороне высшего напряжения, а на стороне «треугольника» в трансформаторах тока эти токи отсутствуют, так как первичные токи нулевой последовательности циркулируют внутри обмотки «треугольника» и не выходят во внешнюю цепь. Таким образом, весь ток нулевой последовательности со стороны «звезды» трансформатора будет протекать в дифференциальную цепь.

Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты необходимо подавить токи нулевой последовательности в дифференциальной цепи.

Соединение трансформаторов тока на стороне «звезды» силового трансформатора в «треугольник» обеспечивает, с одной стороны, компенсацию углового сдвига первичных токов и, с другой стороны, отсутствие тока нулевой последовательности в дифференциальной цепи за счет того, что токи нулевой последовательности циркулируют внутри схемы «треугольника» трансформаторов тока.

Следует заметить, что соединение трансформаторов тока в «треугольник» увеличивает нагрузку вторичной цепи в три раза, что может привести к увеличению погрешности трансформаторов тока, необходимости увеличения сечения контрольных кабелей, замены трансформаторов тока и т.д.

В современных цифровых дифференциальных защитах компенсация углового сдвига токов и исключение токов нулевой последовательности обеспечивается программными средствами, что позволяет на всех сторонах силового трансформатора соединять трансформаторы тока в «звезду».

Интересное видео о защите силового трансформатора:

Разные коэффициенты ТТ в ДЗТ

Для выравнивания вторичных токов с разных сторон силового трансформатора необходимо, чтобы номинальные первичные токи силового трансформатора были равны номинальным первичным токам ТТ, а при соединении ТТ в «треугольник» – номинальный первичный ток ТТ был в √3 раз меньше номинального тока этой стороны силового трансформатора.

ТТ имеют стандартную шкалу номинальных значений, поэтому для выравнивания вторичных токов с разных сторон трансформатора используются промежуточные автотрансформаторы (трансформаторы) или магнитное выравнивание с помощью подключения цепей вторичных токов к разным числам витков.

Однако все эти способы не позволяют точно сбалансировать вторичные токи (невозможность установки дробного числа витков или из-за дискретности отпаек витков обмотки и т.п.), поэтому появляется дополнительная составляющая тока небаланса. Эта составляющая определяется:

(1 – 8 )

где W_расч – расчетное число витков;
W_уст – установленное число витков.
Расчетное число витков определяется по выражению:

(1 – 9)

где W_осн и I_{ном. осн} – число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за основную;
W_расч и I_ном – расчетное число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за неосновную.

Следует отметить, что в современных цифровых реле удается минимизировать эту составляющую тока небаланса (до уровня ≈ 1%).

Регулировка коэффициента трансформации силовых трансформаторов

Выравнивание вторичных токов ТТ производится при одном определенном коэффициенте трансформации силового трансформатора (при номинальном или оптимальном положении регулятора). При изменении положения регулятора напряжения равенство токов (ампер-витков) нарушается.

В дифференциальной цепи появляется еще одна составляющая тока небаланса, которая определяется по формуле:

где Δu – относительное максимальное изменение коэффициента силового трансформатора от номинального (оптимального) значения.

Ток намагничивания при работе ДЗТ

Основной особенностью дифференциальных защит трансформаторов является неравенство нулю суммы МДС его обмоток из-за необходимости создания в сердечнике трансформатора основного потока, т.е. отношение токов по сторонам трансформатора не равно отношению числа витков за счет наличия тока намагничивания.

Поэтому в токе небаланса появляется еще одна составляющая – ток намагничивания. В нормальном режиме ток намагничивания не превышает 1 – 2% номинального тока и практически не учитывается при выборе тока срабатывания дифференциальной защиты.

Однако в режимах перевозбуждения его величина может возрасти до значений, соизмеримых с током срабатывания дифференциальной защиты.

Режим перевозбуждения возможен при повышении напряжения обмотки свыше номинального или при снижении частоты, этот режим можно характеризовать краткостью перевозбуждения:

(1 – 11)

где – В_ном, u_ном, f_ном – номинальные значения индукции в сердечнике, напряжения и частоты.
При перевозбуждении увеличиваются потери в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, происходит нагрев до недопустимых температур конструктивных элементов, что приводит к нагреву изоляции и ее повреждению, поэтому режим перевозбуждения должен быть ограничен во времени.

Максимальное допустимое время существования режима перевозбуждения [1]

Кроме повышения напряжения или снижения частоты, которые собственно и являются причинами перевозбуждения, этот режим характеризуется появлением в дифференциальном токе пятой, седьмой, а при схеме соединения ТТ дифференциальной защиты «звезда−звезда» еще и третьей гармоник. Так как насыщение сердечников силового трансформатора происходит в оба полупериода, то в токе намагничивания отсутствует постоянная составляющая.

При подаче напряжения на трансформатор или при восстановлении напряжения после отключения короткого замыкания ток намагничивания резко возрастает и может достичь значений пяти−восьмикратных от номинального, причем большая часть броска тока намагничивания протекает со стороны подачи напряжения, а в режиме холостого хода весь ток намагничивания проходит со стороны питания, т.е. этот ток будет проходить в дифференциальную цепь.

Поэтому должны быть выявлены признаки, по которым можно отличить бросок тока намагничивания от тока короткого замыкания из-за повреждения трансформатора.

Рассмотрим физические процессы, которые происходят при включении трансформатора на примере однофазного трансформатора (рис. 1. 4). Если в момент включения напряжение питания проходит через нулевое значение, то установившееся значение магнитного потока должно быть близко к максимальному. Магнитный поток в сердечнике трансформатора не может измениться мгновенно, что приводит к возникновению свободной апериодической составляющей потока, величина которой должна быть такой величины, чтобы результирующий магнитный поток был равен нулю или остаточному потоку, если к моменту включения в магнитопроводе существовал остаточный поток. В результате кривая результирующего магнитного потока оказывается смещенной относительно нулевой линии. В пределе через половину периода результирующий магнитный поток может принять двойное значение и более при наличии остаточной индукции с неблагоприятным знаком.

Насыщение магнитопровода и вызывает появление значительных бросков тока намагничивания.

Рис. 1.4. Бросок тока намагничивания однофазного трансформатора

В трехфазных трансформаторах на броски тока намагничивания каждой фазы оказывают влияние магнитные потоки в сердечниках других фаз и обмотки трансформатора, соединенные в «треугольник». В зависимости от момента подачи напряжения, режима нейтрали, групп соединения обмоток трансформатора, (трехстержневой трансформатор или состоит из однофазных трансформаторов) бросок тока намагничивания может быть двух видов.

В первом случае во всех трех фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер, причем в одной фазе бросок тока намагничивания будет максимальным, в двух других – одинаковые и противоположные по знаку первой фазы.

Во втором случае в двух фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер разного знака, а в третьей фазе – периодический характер. Периодический бросок тока намагничивания может достигать двукратного значения номинального тока трансформатора. Идеализированные формы двух видов броска тока намагничивания показаны на рис 1.5, а осциллограмма взятия под напряжение трансформатора с броском тока намагничивания второго вида приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.5. Идеализированные формы бросков тока намагничивания первого и второго вида

Рис. 1.6. Осциллограммы токов намагничивания при взятии под напряжение силового трансформатора

При соединении ТТ дифференциальной защиты в «треугольник» при однополярных бросках тока намагничивания в дифференциальной цепи одной из фаз (где протекает разность токов) может появиться вторичный ток периодического характера.

После насыщения ТТ однополярным броском тока намагничивания во вторичном токе также появляются отрицательные полуволны.

Анализ кривых трехфазного броска тока намагничивания показывает следующие его характерные особенности:

К сожалению, при повреждении в зоне действия дифференциальной защиты ток короткого замыкания может иметь (как и при броске тока намагничивания) быстро затухающую апериодическую составляющую.

При насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей первичного тока во вторичном токе появятся четные гармоники. При больших кратностях тока короткого замыкания в режиме глубокого насыщения трансформаторов тока во вторичном токе могут появиться и паузы. Таким образом, все признаки броска тока намагничивания присущи и вторичному току при больших величинах тока короткого замыкания в зоне работы дифференциальной защиты. Поэтому высокочувствительные дифференциальные защиты трансформаторов, использующие для блокировки один из перечисленных признаков броска тока намагничивания, могут правильно работать только в определенном диапазоне токов.

При токах, когда погрешности трансформаторов тока могут привести (в результате блокировки) к замедлению действия защиты или ее отказу, предусматривается грубая дифференциальная защита, отстроенная по току срабатывания от броска тока намагничивания, так называемая дифференциальная отсечка.

ПУЭ допускает использование дифференциальной отсечки как основной защиты на трансформаторах мощностью до 25 МВ•А. Для дифференциальной отсечки с электромагнитным токовым и выходным промежуточным реле ток срабатывания может быть принят трех–четырехкратным номинального тока трансформатора.

Источник