11

7. Защиты трансформаторов (продолжение) Лекция 12.

Содержание лекции 12

7. ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) 1

7.7. Продольная дифференциальная токовая защита 1

ГИПЕРССЫЛКИ К ЛЕКЦИИ №12 21

7.7. Продольная дифференциальная токовая защита

Принцип действия дифференциальной защиты, основанный на сравнении токов на концах защищаемого участка, позволяет выполнить быстродействующую защиту трансформатора. Это объясняется тем, что не требуется согласовывать уставку срабатывания с защитами смежных элементов. Такая защита реагирует на повреждение в обмотках, на выводах и в соединении с выключателем. И только для витковых замыканий обмоток трансформатора защита не всегда обеспечивает требуемую чувствительность.

Продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени устанавливается на трансформаторах мощностью 6,3 МВА и более, а также на трансформаторах мощностью 4 МВА при параллельной работе последних с целью селективного отключения поврежденного трансформатора. Дифференциальная защита может быть предусмотрена на трансформаторах меньшей мощности, но не менее 1 МВА, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 с.

Принцип действия защиты аналогичен дифференциальной защите линий электропередачи. Однако особенности трансформатора как объекта защиты приводят к тому, что ток небаланса в дифференциальной защите трансформатора значительно больше, чем в дифференциальных защитах других элементов системы электроснабжения. Основные факторы, которые необходимо учитывать:

• ток намагничивания трансформатора в нормальном режиме работы невелик и составляет 2—3% номинального тока ;

• после отключения внешнего КЗ, как и при включении трансформатора под напряжение, возникающий бросок тока намагничивания может превышать номинальный ток в 6—8 раз.

Значение тока при броске зависит от момента включения трансформатора под напряжение. Наибольшее значение бросок тока намагничивания имеет при включении трансформатора в момент, когда мгновенное значение напряжения равно нулю. Бросок тока намагничивания может содержать большую апериодическую составляющую, а также значительный процент высших гармоник (прежде всего второй). Затухание броска тока происходит медленнее, чем тока КЗ, что используется при выполнении защиты.

Принцип действия продольной дифференциальной токовой защиты трансформатора показан на рис. 12.1.

а) расчетная схема; б) векторные диаграммы.

Схема включения реле дифференциальной токовой защиты при неодинаковых схемах соединений обмоток защищаемого трансформатора приведена на рис. 12.2.

Если обмотки высшего и низшего напряжения трансформатора имеют схемы соединения Y/ -11, то между токами фаз трансформатора на сторонах высшего и низшего напряжения существует фазовый сдвиг 30 эл. град. Поэтому, если применить одинаковые схемы соединения трансформаторов тока, то даже при равенстве их вторичных токов при отсутствии повреждения будет протекать существенный ток небаланса.

Для выравнивания фазового сдвига вторичные обмотки группы I ТТ соединяются в треугольник, а группы II ТТ — в звезду. Такая схема предотвращает возможное неправильное срабатывание дифференциальной защиты при внешних однофазных КЗ (когда нейтраль трансформатора заземлена), поскольку соединение трансформаторов тока в треугольник на стороне питания предотвращает попадание токов нулевой последовательности в реле защиты. С учетом того, что линейные токи в схеме треугольника для симметричных режимов больше фазных в коэффициент трансформации I ТТ выбирается по соотношению для этого трансформатора тока.

Вследствие того, что трансформаторы тока имеют дискретный ряд коэффициентов трансформации, подобрать их таким образом, чтобы получить равенство токов в плечах защит низкой и высокой стороны не удается. Кроме того, трансформаторы тока высокой и низкой стороны имеют различия в конструкциях, а характеристики намагничивания трансформаторов тока практически никогда не совпадают. Указанные обстоятельства приводят к тому, что для режима нормальной нагрузки или симметричного трехфазного внешнего короткого замыкания возникает неравенство токов плеч защит высокой и низкой стороны. Это означает, что по дифференциальному реле идет некий ток I_р, который принято называть током небаланса. При определении уставки срабатывания защиты руководствуются соотношением:

где - наибольший (расчетный) ток небаланса, А;

К_н – коэффициент надежности отстройки от тока небаланса, принимается в зависимости от типа применяемого реле от 1,2 до 1,5.

Наибольший (расчетный) ток небаланса в дифференциальной цепи защиты может иметь место при включении трансформатора под напряжение или при внешнем КЗ. Поэтому ток небаланса должен определяться в обоих случаях.

При внешнем КЗ, сопровождающемся прохождением через ТТ дифференциальной защиты наибольших токов КЗ, ток небаланса:

где — токи небаланса, обусловленные соответственно погрешностями ТТ, регулированием коэффициента трансформации трансформатора и неравенством токов в цепи циркуляции от различных групп ТТ.

Раскрывая выражения для отдельных составляющих тока небаланса, можно записать:

где — коэффициент однотипности, для отличающихся напряжений первичной и вторичной обмоток защищаемого трансформатора ;

— коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей в первичном токе ТТ при внешнем КЗ;

 = 0,1 — принимаемая допустимая относительная погрешность ТТ;

— относительный диапазон изменения напряжения на вторичной стороне трансформатора при регулировании коэффициента трансформации под нагрузкой устройством регулирования под напряжением (РПН), ;

— относительное значение тока небаланса в дифференциальной цепи защиты, обусловленное несоответствием расчетных и фактических коэффициентов трансформации ТТ, ;

— наибольший ток при сквозном КЗ.

Значения коэффициента, учитывающего наличие апериодической составляющей в первичном токе ТТ при внешнем КЗ, и коэффициента, учитывающего отстройку от броска тока намагничивания, выбираются разными в зависимости от типа применяемого реле.

Схемы и расчет дифференциальной защиты:

Дифференциальная отсечка (рис. 12.3) – дифференциальная защита мгновенного действия, отстроенная от броска тока намагничивания. Для дифференциальной отсечки ток срабатывания определяется по формулам:

(*)

(**)

При этом в (**) , а выражение (*) с учетом некоторого затухания переходного значения в течение собственного времени срабатывания электромеханического реле принимает вид:

и, как правило, является определяющим. Ток срабатывания реле дифференциальной токовой отсечки:

если отнесен к стороне Y трансформатора, где вторичные обмотки 1ТТ соединены в треугольник. Дифференциальная отсечка считается приемлемой, если при двухфазном КЗ на выводах низшего напряжения трансформатора . Несмотря на низкую чувствительность дифференциальной отсечки, ее достоинство заключается в обеспечении быстроты срабатывания при наибольших кратностях тока КЗ.

Типы реле, применяемых для дифференциальной защиты трансформатора.

Получили распространение два типа реле РНТ и ДЗТ. Первый тип имеет лучшую отстройку от бросков тока намагничивания, а второй от токов внешнего короткого замыкания. В настоящее время предпочтение отдается реле типа ДЗТ. Ниже кратко рассмотрены особенности реле РНТ, более подробно расчет защиты при использовании ДЗТ дан в [7].

Реле дифференциальной защиты типа РНТ

На рисунке 12.4 пояснен принцип, используемый для отличия тока броска намагничивания от тока короткого замыкания для реле РНТ. Как следует из рисунка бросок тока намагничивания, имеет апериодическую составляющую с большой постоянной времени, а магнитная цепь промежуточного трансформатора реле дифференциальной защиты имеет быстронасыщающуюся характеристику. В результате, ток броска намагничивания не производит существенного изменения магнитной индукции в сердечнике, а, следовательно, во вторичных обмотках этого трансформатора, к которым подключено измерительное реле, не наводится электродвижущая сила источника и реле не реагирует на этот ток.

За счет возможности подключения к плечам защиты различного числа витков, реле также позволяет выровнять неравенство воздействия токов от плеч защиты высокой и низкой стороны. Намагничивающая сила каждого из плеч будет зависеть от произведения тока плеча на число витков обмотки реле, включенной в плечо. Подбором различного числа витков добиваются выравнивания намагничивающих сил. Кроме того, в реле включена короткозамкнутая обмотка, вызывающая торможение (заглубление) защиты при внешних коротких замыканиях. Благодаря принятым мерам обеспечивается: .

Схемы реле РНТ 566 и РНТ 562 приведены на рис. 12.5-12.6.

Дифференциальная защита с торможением

В тех случаях, когда большие токи внешнего КЗ (токи небаланса и срабатывания защиты возрастают), требуемую чувствительность рассмотренная дифференциальная защита может не обеспечить. Поэтому используют реле с тормозным действием типа ДЗТ (серия ДЗТ-10, ДЗТ-11, ДЗТ-11/2, ДЗТ-11/5, ДЗТ-21), содержащее специальную тормозную обмотку, включение которой позволяет осуществить торможение реле при внешних КЗ и не снижать чувствительность защиты при внутренних КЗ.

При внешнем коротком замыкании тормозная обмотка реле обтекается током плеча защиты низкой стороны. Характеристика срабатывания защиты (кривая А, на рис.12.7) становится более грубой (менее чувствительной) и реле не срабатывает на внешнее КЗ. При коротком замыкании в зоне действия защиты (между трансформаторами тока низкой и высокой сторон) тормозная обмотка током не обтекается, и реле имеет параметр срабатывания (намагничивающую силу срабатывания 100 А), что при правильном расчете числа витков обеспечивает требуемую чувствительность защиты. Следует заметить, что отстройка от бросков намагничивания в этом реле осуществляется несколько хуже, чем в реле типа РНТ.

Схема включения в фазы ДЗТ-10 представлена на рис. 12.8.