1.5 Проектирование продольной дифференциальной токовой защиты трансформаторов

Продольная дифференциальная токовая защита трансформатора (ДЗТ) в данной работе применяется в качестве основной быстродействующей защиты от всех видов КЗ на трансформаторах Т3 и Т4.

Принцип действия дифференциальной защиты основан на сравнении токов по концам защищаемого объекта. Защита подключается к ТТ всех сторон силового трансформатора и реагирует на векторную сумму токов всех сторон (дифференциальный ток). Векторная сумма токов всех сторон в нагрузочных режимах работы трансформатора и при внешних КЗ в идеальных условиях равна нулю. При возникновении КЗ в зоне дифференциальной защиты сумма токов будет отличаться от нуля и равняться току короткого замыкания.

Однако дифференциальный ток имеется даже при отсутствии внутреннего замыкания. Этот ток называется током небаланса. Появление тока небаланса определяется следующими факторами:

– наличием погрешностей ТТ, включенных в дифференциальную схему;

– неравенством вторичных токов ТТ сторон силового трансформатора;

– регулированием коэффициента трансформации силового трансформатора с помощью РПН или ПБВ, приводящим к нарушению выравнивания вторичных токов ТТ защиты.

Кроме того, необходимо учитывать наличие сдвига по фазе между токами сторон силового трансформатора.

Также учитывается режим включения ненагруженного трансформатора под напряжение, когда со стороны, с которой подается питание на трансформатор, протекает ток намагничивания трансформатора. Этот ток защитой воспринимается как дифференциальный ток, и для обеспечения несрабатывания в этом режиме необходимо принимать дополнительные меры.

Для уменьшения тока небаланса и повышения чувствительности в защите предусмотрено следующее:

− компенсация фазового сдвига;

− выравнивание вторичных токов всех сторон трансформатора;

− применение характеристики с торможением;

− блокировка защиты при бросках тока намагничивания по току второй гармоники.

Компенсация фазового сдвиганеобходима, если вторичные токи сторон, подводимые к терминалу, имеют сдвиг по фазе. Сдвиг по фазе возникает, если схемы соединения обмоток сторон различны («звезда»/«треугольник»), а схемы включения ТТ сторон одинаковы.

Компенсация фазового сдвига может осуществляться либо путем соответствующей схемы включения ТТ (например, путем включения ТТ по схеме «треугольник» на стороне ВН со схемой соединения обмоток «звезда»), либо программным способом в микропроцессорном терминале.

Для учета схемы соединения обмоток силового трансформатора и схемы соединения ТТ в микропроцессорном терминале в разделе «Общая логика» задаются специальные параметры: «Схема соединения трансформатора ВН/НН».

При использовании микропроцессорных защит ТТ целесообразно включать по схеме «звезда».

Выравнивание вторичных токов всех сторон осуществляется двумя способами. Грубое выравнивание производится путем подключения измерительных ТТ сторон к различным ответвлениям промежуточных ТТ, установленных внутри терминала. Точное выравнивание осуществляется программным способом путем задания базисных токов.

Под базисным током стороны () понимается значение вторичного тока при протекании на этой стороне номинальной мощности трансформатора. Базисные токи рассчитываются на каждой стороне трансформатора.

Сначала определяются токи сторон, соответствующие полной (номинальной) мощности :

.

Используя, полученные значения номинальных первичных токов, определяются базисные токи сторон по выражению:

,

где - коэффициент, учитывающий схему соединения вторичных обмоток ТТ (для ТТ, соединенных вY, равен 1; а для ТТ, соединенных в, равен);

- коэффициент трансформации ТТ соответствующей стороны.

Расчет базисных токов сводим в таблицу 1.3

Таблица 1.3 – Расчет базисных токов сторон трансформаторов

Параметр	ВН	НН1 – НН2
, кВ	115	10.5
, А
Схема соединения обмотки	Y-0
	600/5 = 120	1000/5 = 200
Схема соединения ТТ	Y	Y
	1	1
, А

По значениям базисных токов производим выбор числа витков первичных обмоток входных ТТ терминала (грубое выравнивание) и точное (цифровое) выравнивание токов присоединений.

Переключение отводов входных ТТ осуществляется на зажимах Х1, Х2 терминала в соответствии с табл. 2.2 [10]. Таким образом, в терминале обеспечивается выравнивание токов в диапазоне от 0.251 до 16 А.

Если величина базисного тока выходит за пределы диапазона 0.251 – 16.000 А, необходима установка внешнего выравнивающего трансформатора или автотрансформатора, используемого для выравнивания значения базисного тока соответствующей стороны. В нашем случае базисные токи сторон находятся в требуемом диапазоне и установка дополнительных выравнивающих трансформаторов или автотрансформаторов не требуется.

Выбор витков входных ТТ терминала БЭ2704 043 для защиты трансформаторов сводим в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 – Выбор витков входных ТТ терминала БЭ2704 043

Терминал БЭ2704 043	Сторона
	№1 (ВН)	№3 (НН1)	№4 (НН2)
Фаза	Зажимы X1,X2
A	X2:5-X2:2	X1:5-X1:4	X1:10-X1:9
B	X2:15-X2:12	X1:15-X1:14	X1:20-X1:19
C	X2:25-X2:22	X1:25-X1:24	X1:30-X1:29

Погрешность выравнивания составляет не более 2 % от базисного тока ().

Далее устанавливаем параметры в разделе “Общая логика”. Базисный ток отсутствующей стороны СН задается по умолчанию. Сводим параметры в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 – Установка параметров раздела “Общая логика”

Общая логика
Сторона тр-ра ВН	Сторона ВН	Есть
Сторона тр-ра СН	Сторона СН	Нет
Сторона тр-ра НН1	Сторона НН1	Есть
Сторона тр-ра НН2	Сторона НН2	Есть
Схема соединения обмоток ВН/НН1	Схема ВН/НН1	Y/
Схема соединения обмоток ВН/НН2	Схема ВН/НН2	Y/
Базисный ток стороны ВН		1.05
Базисный ток стороны СН		4.001
Базисный ток стороны НН1		6.87
Базисный ток стороны НН2		6.87

Для повышения чувствительности защиты при внутренних КЗ применяют тормозную характеристику, в которой ток срабатывания возрастает при увеличении тормозного тока.

Дифференциальный ток и ток торможения рассчитываются после компенсации фазового сдвига и выравнивания фазных токов всех сторон. Вычисления для дифференциального тока и тока торможения выполняются следующим образом:

– алгоритм дифференциальной защиты выбирает из токов сторон, участвующих в формировании дифференциального и тормозного тока, наибольший и присваивает ему название , из суммы оставшихся токов сторон получается ток. При использовании всех четырех сторон имеем:

;

;

– дифференциальный ток в терминале БЭ2704 защиты трансформатора определяется по выражению:

.

В результате получается расположение векторов ,и при внешнем КЗ (рис. 1.2, а) и при КЗ в зоне действия защиты (рис. 1.2, б).

а) Внешнее КЗ ()	б) КЗ в зоне ()

Рис. 1.2 Расположение векторов , и в различных режимах КЗ

Тормозной ток в терминале БЭ 2704 защиты трансформатора в зависимости от угла между токами иопределяется по выражению:

, если ,;

, если или,

где - угол между векторами токови.

Погрешность комплектов ТТ, включенных в схему дифференциальной защиты, зависит от тока нагрузки трансформатора. Поэтому в защите используется характеристика срабатывания, которая состоит из горизонтального и наклонного участков, соединенных плавным переходом.

Характеристика срабатывания защиты формируется как функция от тормозного тока. Тормозной ток зависит от тока нагрузки защищаемого трансформатора. Функция является характеристикой срабатывания (действия на отключение). Характеристика приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Характеристика срабатывания ДЗТ

Первый участок (горизонтальный) характеристики определяется начальным током срабатывания и током начала торможения, на нем отсутствует торможение. Горизонтальный участок – наиболее чувствительная часть характеристики.

Второй участок (наклонный) определяется коэффициентом торможения . Это участок малых токов КЗ, где погрешность ТТ минимальна.

На третьем участке при тормозном токе (ток торможения блокировки) характеристика срабатывания ДЗТ изменяется:

если и– ДЗТ блокируется;

если или– наклон характеристики срабатывания ДЗТ определяется коэффициентом торможения.

В ДЗТ также имеется блокировка чувствительной ступени при бросках тока намагничивания. Она необходима в момент включения трансформатора под напряжение, а также для отстройки защиты от тока небаланса переходного режима внешнего КЗ (когда увеличенная погрешность ТТ, обусловленная насыщением, приводит к появлению второй гармонической составляющей тока) и выполняется по превышению отношения тока второй гармонической составляющей к току промышленной частоты.

Расчет параметров срабатывания выполняем для ДЗТ трансформатора Т3. Уставки защиты, установленной на трансформаторе Т4, идентичны ДЗТ трансформатора Т3. Токи, необходимые для расчета ДЗТ сведены в табл. 1.6. Расчет токов КЗ произведен на ЭВМ с помощью программы «TKZ-200», протокол расчета приведен в Приложении 6. Поясняющая схема для расчета приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4 Поясняющая схема для расчета ДЗТ

Таблица 1.6 – Результаты расчета токов КЗ для выбора уставок и оценки чувствительности ДЗТ

Место и вид КЗ по рис. 1.4	Режим по табл. 1.5	Номер узла КЗ по рис. 1.4	Обозначение тока в схеме по рис .1.4	Значение, кА	Примечание
	I	27		0.3765	Для оценки чувствительности
	I	31		0.4347	Для выбора параметров тормозной характеристики

При проектировании ДЗТ трансформатора необходимо определить следующие уставки:

– начальный ток срабатывания (задается в относительных единицах);

– начальный ток торможения (задается в относительных единицах);

– коэффициент торможения;

– ток торможения блокировки (задается в относительных единицах);

– ток срабатывания дифференциальной отсечки (задается в относительных единицах);

– уровень блокировки по второй гармонике в дифференциальном токе.

Методика расчета параметров срабатывания продольной дифференциальной токовой защиты трансформаторов приведена в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Обоснование выбора уставок ДЗТ на основе терминала БЭ2704 043

16	Параметр срабатывания	Задаваемая функция	Расчётное условие	Расчётное выражение
		Несрабатывание при внешних КЗ и в режимах без КЗ в отсутствие торможения	1. Отстройка от максимального тока небаланса при токе начала торможения	,	(1.1) (1.2)
		Несрабатывание при внешних КЗ	2. Обеспечение торможения при внешних КЗ	(0.6)	(1.3)
		Несрабатывание при внешних КЗ	3. Отстройка от максимального тока небаланса при внешних КЗ	, , ,	(1.4) (1.5) (1.6) (1.7)
		Несрабатывание при внешних КЗ в режиме насыщения ТТ	4. Отстройка от максимального тока предельной нагрузки		(1.8)
		Несрабатывание в режимах без КЗ	5. Обеспечение блокировки при превышении тока 2-ой гармоники в результате броска тока намагничивания силового трансформатора		(1.9)
		Несрабатывание в режимах без КЗ	6. Отстройка от броска тока намагничивания силового трансформатора	(о.е.)	(1.10)
		Несрабатывание при внешних КЗ	7. Отстройка от максимального тока небаланса при внешних КЗ	,	(1.11) (1.12)

В выражениях (1.1) – (1.12) таблицы 1.7 учитываются следующие коэффициенты и параметры:

определяется расчетными выражениями (1.1) – (1.2), где – коэффициент отстройки в выражении (1.1), учитывающий погрешности измерительного органа терминала, ошибки расчета и необходимый запас;

– расчетный ток небаланса в относительных единицах;

– коэффициент, учитывающий переходный процесс. Принят в соответствии с рекомендациями [10], так как на сторонах ВН и НН трансформатора используются разнотипные ТТ, соединенные по схеме “звезда”;

– коэффициент однотипности трансформатора тока, принимается равным 0,5 – 1, причем меньшее из указанных значений принимается в случаях, когда указанные ТТ обтекаются мало различающимися между собой токами и примерно одинаково загружены (для защиты трансформаторов следует принимать равным 1);

– относительное значение полной погрешности ТТ в режиме, соответствующем установившемуся КЗ, полная погрешность для ТТ 5Р составляет 0.05;

– относительная погрешность, обусловленная регулированием напряжения на сторонах защищаемого объекта, принимается равной половине используемого диапазона регулирования в относительных единицах. Для трансформаторов типа ТРДН – 25000/110 с РПН на ВН равна 0.16;

– относительная погрешность выравнивания токов в плечах защиты, определяется погрешностями входных ТТ и аналого-цифровыми преобразователями терминала. Может быть принята равной 0.02;

– относительная погрешность внешнего выравнивающего трансформатора или автотрансформатора. Так как установка таких трансформаторов не требуется, данная погрешность принимается равной нулю;

– ток начала торможения;

– максимальное значение тока внешнего металлического КЗ, приведенное к базисному току стороны;

– коэффициент отстройки в выражении (1.8);

– коэффициент, определяющий предельную нагрузочную способность трансформатора в зависимости от его мощности. Согласно [10] принят равным 1.5, так как в нашем случае на подстанции установлен трансформатор большой мощности;

При выборе коэффициент отстройки в выражении (1.11) согласно [10] следует принять равным 1.5, при определении в выражении (1.12) коэффициент, учитывающий переходный процесс, принимается равным 3, остальные коэффициенты не изменяются.

Расчёт параметров срабатывания продольной дифференциальной токовой защиты трансформатора по расчетным условиям и расчетным выражениям табл. 1.7 сводим в таблицу 1.8.

Таблица 1.8 - Расчёт параметров срабатывания ДЗТ на основе терминала БЭ2704 043

18	Параметр срабатывания	Расчетное условие по табл. 1.7	Расчетное выражение по табл. 1.7	Расчет	Принятое значение
		1	(1.2) (1.1)	;	0.308
		2	(1.3)		1.0
		3	(1.6) (1.5) (1.7) (1.4)	; ; ;	0.1
		4	(1.8)		2.3
		5	(1.9)		0.1
		6	(1.10)		6.5
		7	(1.12) (1.11)	;

Производим оценку чувствительности дифференциальной защиты трансформатора. Так как при внутренних КЗ тормозной ток отсутствует, чувствительность проверяем при минимальном токе внутреннего КЗ по выражению:

(1.13),

где - минимальный ток внутреннего КЗ в относительных единицах;

- минимально допустимый коэффициент чувствительности, согласно [1] должен быть не менее 2.

Определяем минимальный ток внутреннего КЗ в относительных единицах:

;

Оценку чувствительности ДЗТ приводим в таблице 1.9.

Таблица 1.9 – Оценка чувствительности ДЗТ

Режим, вид и место КЗ		Расчет		Примечание
I,	2.99		2	Обеспечивается

Как видно из таблицы 1.9, продольная дифференциальная токовая защита трансформатора обеспечивают требуемую чувствительность с большим запасом при внутренних КЗ на защищаемом объекте.

15