Дифференциальная защита

Назначение и принцип дейс твия дифференциальной защиты

Для защиты трансформаторов от к.з. между фазами, на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение полу­чила дифференциальная защи­та (рис. 16-19). В соответствии с принципом действия этой защиты трансформаторы тока устанавливаются с обеих сто­рон трансформатора. Их вто­ричные обмотки соединяются так, чтобы при нагрузке и внешних к.з. в реле проте­кала разность вторичных то­ков I_p = I_Iв – I_IIв (Рис. 16-19, а). Тогда при к.з. в зоне защиты (рис. 16-19, б) ток в реле равен сумме I_p = I_Iв + I_IIв. Если I_p > I_с.р., то реле приходит в действие и отключает трансформатор.

Для того чтобы дифферен­циальная защита не работала при нагрузке и внешних к. з., необходимо уравновесить вто­ричные токи в плечах защиты так, чтобы в этих случаях ток в реле отсутствовал:

Для этого необходимо, чтобы

Особенности дифференциальной защиты трансформаторов

В дифференциальной защите линий и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, поэтому для выполнения условия селективности (16-11) достаточно иметь равенство коэффициентов трансформации трансформаторов тока. Иное положение имеет место в дифференциальной защите трансформаторов. Первичные токи разных обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.

В режиме нагрузки и внешнего к. з. ток трансформатора на стороне низшего напряжения I_II всегда больше тока на стороне высшего напряжения I_I. Их соотношение определяется коэффи­циентом трансформации силового трансформатора.

В трансформаторе с соединением обмоток звезда – треуголь­ник токи I_I и I_II различаются не только по величине, но и по фазе.

Угол сдвига фаз зависит от группы соеди­нения обмоток трансформатора. При наи­более распространенной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треуголь­ника опережает линейный ток со стороны звезды на 30° (рис. 16-20). В трансформа­торах с соединением обмоток звезда – звезда токи I_I и I_II или совпадают по фазе, или сдвинуты на 180°.

Таким образом, для выполнения условия селективности (16-11) необходимы специаль­ные меры по выравниванию вторичных токов I_Iв = I_I / n_ТI и I_IIв = I_II / n_TII как по вели­чине, так и по фазе, с тем чтобы посту­пающие в реле токи были равны.

Ком пенсация сдвига токов по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмоток трансформаторов тока, установ­ленных на стороне звезды силового трансформатора (рис. 16-21).

Соединение в треугольник обмоток трансформаторов тока должно точно соответствовать соединению в треугольник обмотки силового трансформатора.

Трансформаторы тока, расположенные на стороне треугольника-силового трансформатора, соединяются в звезду.

На рис. 16-21 изображены векторные диаграммы токов в схеме защиты при нагрузке и внешних трехфазных к. з. Векторы первич­ных и вторичных токов в трансформаторах тока и силовом транс­форматоре показаны на диаграмме совпадающими по фазе.

Из диаграммы следует, что токи в линейных проводах трансформаторов тока, соединенных в треугольник, I_АВ(2), I_ВС(2), I_СА(2), сдвигаются относительно соответствующих фазных токов во вто­ричной и первичной обмотках трансформаторов тока на угол 30°. Токи в проводах второй группы трансформаторов тока I_ab(2), I_bc(2), I _ca(2) совпадают по фазе со своими первичными токами и поэтому сдвинуты по от­ношению к первичному то­ку звезды силового транс­форматора, так же как и токи I_АВ(2), I_ВС(2), I_СА(2), на угол 30°. В результате этого токи, поступающие в реле, совпадают по фазе.

Соединение одной из групп трансформаторов то­ка в треугольник обеспе­чивает компенсацию сдвига фаз между вторичными и первичными токами сило­вого трансформатора не только при симметричной нагрузке и трехфазных к. з., но и при любом несимметричном повреждении или нагрузочном режиме.

Справедливость этого положения наиболее просто доказывается с помощью метода симметричных составляющих. Токи прямой и обратной последовательностей симметричны, и поэтому токораспределение их в схеме защит полностью соответствует токораспределению при трехфазном к. з. (рис. 16-21). Следовательно, соедине­ние одной из групп трансформаторов тока в треугольник, а дру­гой – в звезду обеспечивает компенсацию сдвига фаз первичных токов прямой и обратной последовательностей.

Токи нулевой последовательности появляются в случае к. з. на землю и могут замыкаться только через обмотку трансформатора, соединенную в звезду, при условии, что ее нулевая точка зазем­лена. Проходя по этой обмотке, токи нулевой последовательности трансформируются в фазы обмотки, соединенные треугольником (рис. 16-22).

В контуре треугольника токи I₀ каждой фазы направлены последовательно и поэтому циркулируют в нем, не выходя за его пре­делы (рис. 16-22). Это означает, что в дифференциальной защите транс форматоров с соединением обмоток звезда – треугольник токи нулевой последовательности протекают только по трансфор­маторам тока, установленным со стороны звезды силового транс­форматора.

Такое протекание первичных токов равноценно токораспределению при повреждении внутри трансформатора (при одностороннем питании) и может вызвать неправильную работу защиты. Эта опасность устраняется тем, что на стороне звезды силового трансформатора (где про­текают первичные токи I₀) трансформаторы тока соединяются в треуголь­ник, как показано на рис. 16-22. Тогда токи, транс­формируясь на вторичную сторону трансформаторов тока, замыкаются в кон­туре этого треугольника, не попадая в реле. При соединении трансформато­ров тока на стороне звезды силового трансформатора также в звезду токи нуле­вой последовательности по­лучают возможность замы­каться через реле, что при­ведет к неправильной ра­боте защиты при однофаз­ных и двухфазных к. з. на землю в сети.

Т аким образом, для ком­пенсации сдвига фаз токов трансформаторов, соеди­ненных по схеме необходимо трансформаторы тока на стороне звезды соединить в тре­угольник, а на стороне треугольника – в звезду.

Компенсация неравенства первичных токов силовых трансфор­маторов и автотрансформаторов достигается подбором коэффициен­тов трансформации n_I, n_II трансформаторов тока дифференциаль­ной защиты и параметров специально для этой цели установленных уравновешивающих автотрансформаторов (рис. 16-23, а) или транс­формат оров (рис. 16-23, б).

К оэффициенты трансформации трансформаторов тока n_I, n_II выбираются с таким расчетом, чтобы вторичные токи в плечах защиты были равны, как это требуется по условию (16-12), при нагрузке и внешних к. з.

При соединении обмоток силового транс­форматора условие (16-12) имеет вид: I_I / n_I = I_II / n_II

Отсюда находим, что для обеспечения равенства токов в плечах защиты коэффициенты трансформации трансформаторов тока защиты должны удовлетворять условию

где N – коэффициент трансформации силового трансформатора.

П ри соединении обмоток по схеме ток в плече, питающемся от трансформаторов тока, включенных в тре­угольник, равен – а в плече, питающемся от трансформаторов, соединенных в звезду, равен

С учетом этого уравне­ние (16-12) имеет вид:

отсюда

Задаваясь одним из коэффициентов трансформации, например n_II, можно найти, пользуясь выражением (16-13) или (16-14), расчетное значение второго – n_I, обеспечивающее равенство вто­ричных токов в плечах защиты. Найденный, таким образом, n_I, как правило, получается нестандартным. Поэтому используются стандартные трансформаторы с ближайшим к расчетному значению коэффициентом трансформации, а компенсация оставшегося нера­венства осуществляется с помощью выравнивающих автотрансфор­маторов или трансформаторов. В первом случае (рис. 16-23, а) в одном из плеч защиты устанавливается автотранс­форматор AT. Для выравнивания токов в плечах защиты коэффи­циент трансформации n_a автотрансформатора подбирается так, чтобы его вторичный ток I_IIa был равен току I_Iв в противоположном плече защиты:

Исходя из этого, находят:

Во втором случае (рис. 16-23, б) применяется компен­сирующий трансформатор ТК. Трансформатор ТК состоит из трех первичных обмоток. Обмотки _y1 и _y2 (уравнительные) вклю­чаются в плечи защиты, а обмотки _д (дифференциальная) – по дифференциальной схеме на разность токов I_Iв – I_IIв.

В торичная обмотка ₂ пит ает дифференциальное реле РД. Число витков урав­нительных обмоток подбирается так, чтобы геометрическая сумма намагничивающих сил всех трех обмоток в условиях сквозного тока была равна нулю:

При выполнении этого условия результирующая н. с. и магнит­ный поток Ф_рез в магнитопроводе ТК отсутствуют, поэтому ток в дифференциальном реле I_р = 0.

В рассмотренной схеме неравенство токов плеч (I_Iв  I_IIв) компенсируется магнитным способом. Этот способ компенсации удобно сочетается с дифференциальным реле, включаемым через БНТ, и получил поэтому широкое распространение.