8.5.3. Способи виконання диференційних захистів трансформаторів (автотрансформаторів)

Для виконання диференційного захисту трансформатора використовують спеціальні реле серій РНТ-560, ДЗТ-11, ДЗТ-20.

Реле серії РНТ-560 (РНТ-565, РНТ-566) має проміжний швидконасичуваний трансформатор, що дозволяє відлагодити роботу захисту від хибного спрацювання під час увімкнення трансформатора без навантаження на номінальну напругу, коли виникає кидок струму намагнічення. Реле цієї серії використовують, як правило, для трансформаторів потужністю до 25 МВА, за умови відсутності регулювання напруги в широких межах без вимикання трансформатора пристроєм РПН.

Реле серії ДЗТ-11, як і реле серії РНТ-560, має проміжний швидконасичуваний трансформатор. Крім цього реле має гальмівну обмотку, що дозволяє виконати загрублення чутливості реле (гальмування) і тим самим відлагодити роботу захисту від хибного спрацювання під час зовнішніх к.з. Ці реле використовують для трансформаторів потужністю до 25 МВА, якщо не забезпечується чутливість захисту з реле РНТ, та для трансформаторів потужністю до 100 МВА.

Реле серії ДЗТ-20 (ДЗТ-21, ДЗТ-23) виконані з використанням напівпровідникових елементів. Вони дозволяють відлагодити роботу захисту від хибного спрацювання в разі виникнення кидків струму намагнечення під час увімкнення трансформаторів без навантаження на номінальну напругу або в разі виникнення зовнішніх наскрізних к.з.. Їх використовують у схемах диференційних захистів потужних трансформаторів (потужністю більше 100 МВА), а також у випадках, коли захисти, виконані на реле ДЗТ-11, не задовільняють вимогам чутливості. Захист, виконаний на основі цього реле, є більш чутливим та має вищу швидкодію.

Диференційний захист трансформатора (автотрансформатора) з використанням реле серії рнт

Диференційні реле типу РНТ з швидконасичуваним трансформатором використовують у схемах диференційного захисту трансформаторів, автотрансформаторів та збірних шин. В експлуатації використовують наступні модифікації реле типу РНТ: РНТ-565, РНТ-566, РНТ-567. Розглянемо більш детально особливості виконання диференційного реле РНТ-565. Інші модифікації відрізняються кількістю витків окремих обмоток реле.

Принципова схема реле наведена на рис. 8.11. Реле складається з тристрижневого швидконасичуваного трансформатора (1) та виконавчого реле КА (2) типу РТ-40/0.2.

Рис. 8.11. Принципова схема реле РНТ-565

На середньому стрижні швидконасичуваного трансформатора розміщені диференційна (робоча) обмотка , дві зрівноважувальні обмотки _, та одна секція короткозамкненої обмотки . На правому стрижні розміщена друга секція короткозамкненої обмотки . На лівому стрижні розміщена вторинна обмотка , до якої під'єднано виконавчий орган (реле КА), паралельно з яким приєднаний змінний резистор .

Як відомо, диференційний захист працює за принципом балансу струмів у вузлі електричної схеми (в трансформаторі, генераторі, на шинах тощо), тобто за першим законом Кірхгофа. Однак, у зв'язку з застосуванням в плечах диференційного захисту трансформаторів струму з стандартними коефіцієнтами трансформації, у вторинних колах трансформаторів струму баланс струмів не зберігається навіть в нормальному режимі роботи. Тому зрівноважувальні обмотки та , під'єднують до окремих плеч захисту і вони служать для вирівнювання магнітних потоків, обумовлених різними за величиною струмами в плечах захисту в нормальному режимі.

Для захисту двообмоткового трансформатора використовують, як правило, одну зрівнювальну обмотку, для захисту триобмоткового трансформатора ‑ дві зрівноважувальні обмотки. На рис. 8.12 наведена схема під'єднання диференційної та зрівноважувальних обмоток реле для диференційного захисту триобмоткового трансформатора. Схема показана в однолінійному вигляді.

Рис. 8.12. Однолінійна схема приєднання реле РНТ для диференційного захисту триобмоткового трансформатора

В диференційній обмотці протікає сума струмів від усіх плеч захисту.

Для вибору необхідної кількості витків диференційної обмотки (з умови забезпечення спрацювання реле під час пошкодження в зоні захисту) та кількості витків зрівнювальних обмоток (з умови неспрацювання реле в нормальному режимі або під час зовнішнього к.з.), обмотки мають відгалуження та секційне виконання (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Схема внутрішніх з'єднань реле РНТ-565

Зміну кількості витків здійснюють гвинтами на клемних пластинах, розміщених на лицевій панелі реле. Гвинти закручують у відповідні штепсельні гнізда. Число, вибите біля гнізда, відповідає кількості витків обмотки.

Розглянемо як працює реле під час протікання по його диференційній обмотці струму синусоїдного струму та струму з значним рівнем аперіодичної складової.

Під час протікання по диференційній обмотці синусоїдного струму він трансформується у вторинну обмотку та в короткозамкнену півобмотку , яка електрично зв'язана з другою короткозамкненою півобмоткою , розміщеній на правому стрижні. Потоки, створені ампервитками обмоток правого та середнього стрижнів сумуються під деяким кутом у лівому стрижні, де розміщена вторинна обмотка, до якої підєднане реле КА. Таким чином, у вторинну обмотку струм з диференційної обмотки передається шляхом подвійної трансформації – безпосередньо з диференційної та з другої короткозамкненої півобмотки .

Трансформація струму з короткозамкненої півобмотки у вторинну регулюється за допомогою змінного опору , який послідовно увімкнений з короткозамкненими півобмотками. У випадку його збільшення зменшується струм в короткозамкнених півобмотках та збільшується кут між складовими потоку в лівому стрижні, що ще більше зменшує вплив короткозамкненої обмотки на трансформацію струму диференційної обмотки у вторинну.

Під час протікання по диференційній обмотці струму з значною аперіодичною складовою, остання створює потік, який розгалужується в правий та лівий стрижні проміжного трансформатора та нисичує їх. Крім того, аперіодична складова майже не трансформується в короткозамкнену півобмотку , що також зменшує її вплив на трансформацію струму з диференційної обмотки у вторинну . Таким чином, трансформація періодичної складової з диференційної оботки у вторинну різко погіршується – виконавчий орган реле КА працювати не буде.

Пояснення цього явища наведено на рис. 8.14.

Під час проходження в диференційній та зрівноважувальних обмотках струму з аперіодичною складовою ( ) зміна індуктивності в магнетопроводі ( ) буде здійснюватися за частковим циклом, заштрихованим у верхній частині гістерезисної характеристики намагнічування, тобто від максимального значення до залишкової індукції ( ). Отже, зміна індукції є незначною. Струм лише з періодичною складовою ( ) створює індукцію в магнітопроводі за симетричною петлею (заштрихована по всій гістерезисній характеристиці на рис. 8.13) і тоді зміна індукції ( ) є набагато більшою, ніж у першому випадку, хоча амплітудне значення струму є меншим від .

Рис. 8.14. Процеси перемагнечування осердя магнетопроводу швидконасичуваного трансформатора

Значення е.р.с. в вторинній обмотці визначається за виразом:

де – потокозчеплення вторинної обмотки , – індукція в лівому стрижні магнітопроводу, – кількість витків вторинної обмотки; – площа поперечного перерізу магнітопроводу, на якому знаходиться вторинна обмотка . Отже, для режиму одностороннього насичення лівого стрижня магнітопроводу зміна індукції і відповідно е.р.с. у місці розташування вторинної обмотки незначна ( ), а коли у лівому стрижні аперіодична складова стане порівняно малою, е.р.с. у вторинні обмотці різко зросте. Тому реле КА, яке безпосередньо приєднане до вторинної обмотки , у випадку наявності в струмі значної аперіодичної складової не буде працювати і диференційний захист, виконаний на цьому реле в режимі увімкнення трансформатора на холостий хід хибно спрацьовувати не буде.

Під час внутрішнього к.з. в перший момент часу в струмі є також аперіодична складова і тому в перший момент часу реле працювати не буде. Таким чином, реле має затримку спрацювання на час 0.04¸0.05 сек. навіть в режимі внутрішнього к.з., що є негативним для цього реле

Регуювання чутливості та часу спрацювання реле можна здійснювати опором , який ввімкнено послідовно з двома півобмотками короткозамкненої обмотки. Зі збільшенням опору збільшується час спрацювання реле в режимі к.з. в зоні дії захисту, тому що погіршується подвійна трансформація з диференційної обмотки у вторинну. Тому значення опору у колі короткозамкненої обмотки є регламентованим. Якщо використовують реле РНТ-565 для захисту генераторів, двигунів, збірних шин, то рекомендують приймати =10 Ом; для захисту потужних трансформаторів (автотрансформаторів) =3¸4 Ом, а для захисту трансформаторів власних потреб електростанцій =1,5¸3 Ом. В таких випадках час спрацювання реле не повинен перевищувати 0,04¸0,05 с.

Регулювання струму спрацювання реле здійснюють зміною кількості витків диференційної обмотки. Намагнічувальна сила спрацювання реле регламентується заводом-виготовлювачем і становить (ампервитків). Намагнічувальну силу спрацювання реле можна змінювати опором , який під'єднаний паралельно до струмового реле типу РТ-40/0,2 (рис. 8.11, рис. 8.13).

Заземлення струмових кіл диференційного захисту здійснюють в одній точці, біля реле РНТ, щоб не було обхідних кіл під час виникнення замикань на землю у вторинних колах трансформаторів струму. В останньому режимі можливе виникнення небалансу вторинних струмів та хибна робота захисту. Небаланс струмів диференційного захисту періодично перевіряють під час експлуатації релейного захисту.

Вибір кількості витків зрівнювальних та диференційної обмоток здійснюють за умови забезпечення рівності намагнічувальних сил від усіх сторін захисту в нормальному режимі, а також забезпечення намагнічувальної сили спрацювання не менше 100 ампервитків під час виникнення пошкодження в зоні спрацювання захисту. Так, для схеми захисту триобмоткового трансформатора (рис. 8.12), кількість витків диференційної та зрівнювальних обмоток вибирають з умов забезпечення рівностей, намагнічувальних сил у випадку к.з. за зоною та спрацювання реле у випадку пошкодження в зоні захисту.

Перша умова реалізується рівнянням:

(8.31а)

де – вторинні струми трансформаторів струми з високої, середньої та низької напруг трансформатора.

За основну сторону приймають ту, що має найбільший вторинний струм трансформаторів струму в режимі номінальних навантажень.

Згідно другої умови (забезпечення намагнічувальної сили спрацювання не менше 100 ампервитків під час виникнення пошкодження в зоні спрацювання захисту) рівняння має наступний вигляд:

(8.31б)

де – струм спрацювання реле, значення якого визначається згідно (8.28), (8.29).

Приклад П.8.1. Розрахувати поздовжній диференційний захист трансформатора 115/6,6 кВ потужністю 16 МВА, виконаного на реле РНТ-565, рис. П8.1.1,

Рис. П8.1.1. Розрахунок диференційного захисту трансформатора

Визначаємо струми в обмотках трансформатора під час трифазного к.з. в точці в режимах максимального та мінімального струмів к.з. Розрахункова схема для обчислень струмів к.з. наведена на рис. П8.1.2.

Суттєве значення для розрахунку струмів к.з. і, як наслідок, для розрахунку уставок релейного захисту трансформатора має визначення величини опору трансформатора. Тому більш детально розглянемо особливості виконання розрахунку опору трансформатора.

В залежності від положення РПН значення опору трансфоматора може суттєво відрізнятися. Загальний вираз, за яким можна визначити опір трансформатора, має вигляд:

,

(П8.1.1)

де ‑ опір трансформатора, який відповідає середньому положенню пристрою РПН трансформатора; ‑ половина повного діапазону регулювання напруги трансформатора пристроєм РПН;. n – показник степеня.

Значення показника степеня n у виразі П8.1.1 раніше приймали 2. Але враховуючи проведені дослідження, а також параметри, наведені в паспортних даних трансформаторів, доведено, що значення n знаходиться в широких межах: від 0 до 4. Це залежить від конструкції трансформатора, виконання пристрою РПН, його розташування.

Найменше знчення характерним є для трансформаторів та автотрансформаторів напругою 330 кВ. Це значить, що опір цих трансформаторів практично не залежить від положення пристрою РПН. Тому для розрахунку максимального та мінімального струмів к.з. значення опору трансформатора в розрахункових схемах можна приймати одинаковим.

Для трансформаторів невеликої потужності (до 2,5 МВА) напругою 35 кВ, в яких пристрій РПН знаходиться на стороні низької напруги, значення . Для таких трансформаторів з невеликим діапазоном регулювання напруги пристроєм РПН значення опорів для крайніх положень РПН відрізняються між собою незначно. Тому для розрахунку максимального та мінімального струмів к.з. значення опору трансформатора в розрахункових схемах, як і в попередньому випадку, можна також приймати одинаковим.

Найбільше значння n є для трансформаторів напругою 35 кВ потужністю 4 та 6,3 МВА: , а також для трансформаторів напругою 110 кВ та деяких трансформаторів напругою 220 кВ: . Тому різниця між значеннями опорів цих трансформаторів в залежності від положення РПН є значною і це потрібно враховувати під час розрахунку максимального та мінімалього значень струмів к.з.

Для визначення опорів таких трансформаторів бажано користуватись значеннями напруг короткого замикання для крайніх та середнього положень пристрою РПН, які наведені в паспортних даних трансформатора. Напруги короткого замикання зняті зі сторони високої напруги трансформатора. Це наступні значення напруг: ‑ напруга короткого замикання, яка відповідає мінімальному положенню пристрою РПН; ‑ напруга короткого замикання, яка відповідає максимальному положенню пристрою РПН; ‑ напруга короткого замикання, яка відповідає середньому положенню пристрою РПН.

На основі напруг короткого замикання та значень напруг тарнсформатора, які їм відповідають, здійснюється розрахунок опорів трансформатора:

,

(П8.1.2)

де ‑ мінімальне, середнє та масксимальне значення напруг трансформатора, яким відповідають значення напруг короткого замикання: відповідно , ; ‑ номінальна потужність трансформатора.

Слід пам’ятати, якщо мінімальна чи максимальна напруги виходять за межі допустимих напруг мережі, то необхідно здійснити перерахунок напруг короткого замикання , які повинні відповідати допустимим напругам мережі. Наприклад, для мережі 110 кВ, максимальна допустима напруга становить 126 кВ, а значення з досліду короткого замикання може відповідати більшому значенню напруги. Для здійснення перерахунку необхідно побудувати залежність за відомими значеннями напруг трансформатора з досліду короткого замикання та напруг короткого замикання, які їм відповідають. По цій залежності можна графічно визначити значення напруг короткого замикання, які відповідають дійсним значенням напруги мережі.

Згідно (П8.1.2) визначаємо опір трансформатора для двох крайніх положень РПН, для яких визначені напруги короткого замикання 9,8% та 11,71%. Цим напругам короткого замикання відповідають напруги зі сторони первинної обмотки трансформатора відповідно 110 кВ та 126 кВ.

(П.8.1.3)

де ‑ номінальна напруга мережі зі сторони первинної обмотки трансформатора (табл. П8.1.1).

Значення максимального струму трифазного к.з. в точці на основі розрахункової схеми мережі (рис. П8.1.2) знаходимо з виразу

(П8.1.4)

де ‑ номінальна напруга мережі зі сторони первинної обмотки трансформатора з табл. П8.1.1.

Оскільки мінімальне значення опору трансформатора відповідає найменшому значенню напруги, яка визначається мінімальним положенням РПН, то варто приймати і відповідне значення е.р.с. системи . Але необхідно враховувати струм від навантаження, який накладається на струм к.з., а також створити відповідний розрахунковий запас. Тому рекомендується мінімальне значення е.р.с. системи приймати рівним найближчому загальноприйнятому значенню напруги мережі, а саме номінальній напрузі, яка для даного випадку складає 110 кВ.

Рис. П8.1.2. Розрахункова схема для обчислень струмів к.з.

Таблиця П8.1.1

Напруги мережі

Номінальна , кВ	Найбільша , кВ	Середня , кВ
6	7,2	6,6
10	11,5	10,5
35	40,5	37,5
110	126	115
150	172	154
220	252	230
330	363	347

Значення мінімального струму трифазного к.з. в точці знаходимо як

(П8.1.5)

де ‑ найбільша напруга мережі, визначається з табл. П.8.1.1. Ця напруга відповідає максимальному положенню пристрою РПН трансформатора.

Знаходимо первинний струм спрацювання захисту з умови відлагодження від стрибка струму намагнічення згідно (8.28):

Згідно (8.29) визначаємо первинний струм спрацювання захисту з умови відлагодження від струму небалансу, попередньо прийнявши :

З двох значень приймаємо більше

Попередньо перевіряємо чутливість захисту під час двофазного к.з. на стороні низької напруги трансформатора в режимі найменших струмів к.з.

де ‑ струм двофазного к.з. на стороні низької напруги трансформатора, який визначаємо як

Перевірку чутливості захисту здійснють для випадку протікання в обмотці основної сторони найменших значень струмів під час двофазного к.з. Розрахунковою точкою к.з. є точка на стороні низької напруги трансформатора за умови відсутності протікання струму зі сторони низької напруги. Це відповідає режиму вимкненого положення вимикача на стороні низької напруги трансформатора.

Оскільки , продовжимо розрахунок захисту з використанням реле РНТ-565. Якщо , то диференційний захист трансформатора необхідно виконати з використанням реле ДЗТ-11.

Розраховуємо номінальні струми диференційного захисту (табл. П.8.1.2).

Таблиця П8.1.2