- •Курс лекций по релейной защите
- •1. Общие сведения о релейной защите
- •Назначение релейной защиты
- •Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках
- •Требования, предъявляемые к релейной защите.
- •Основные органы релейной защиты.
- •Изображение реле и схем релейной защиты на чертежах.
- •Оперативный ток
- •Измерительные преобразователи
- •2.1. Трансформаторы тока
- •Схемы соединений трансформаторов тока и цепей тока реле токовых защит
- •Трансформаторы напряжения
- •Токовые защиты линий
- •Токовая защита с использованием предохранителей
- •Iоткл.Мах Iк.Мах
- •Токовая защита с использованием расцепителей встроенных в автоматические воздушные выключатели до 1 кВ.
- •Iуст.1 (1,31,5) Iраб. Макс.
- •Максимальная токовая защита линий
- •Токовая отсечка
- •Токовая защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени
- •Токовые направленные защиты линий
- •Максимальная токовая направленная защита
- •Защиты линий от замыканий на землю
- •Защиты от замыканий на землю в сетях с большими токами замыкания на землю.
- •Защиты от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания на землю.
- •Дистанционные защиты линий
- •Назначение и принцип действия дистанционной защиты
- •Характеристика измерительных органов дистанционной защиты
- •Схемы включения реле сопротивления
- •Упрощённая схема дистанционной защиты.
- •Выбор уставок дистанционной защиты.
- •Дифференциальные токовые защиты линий
- •Продольные дифференциальные защиты.
- •Поперечные дифференциальные защиты.
- •Дифференциально-фазная высокочастотная защита.
- •Часть 2: Защиты генераторов трансформаторов, блоков генератор-трансформатор, электродвига-телей и сборных шин.
- •Защиты генераторов
- •Повреждения и ненормальные режимы работы генераторов. Требования к защитам генераторов.
- •Продольная дифференциальная защита
- •Поперечная дифференциальная защита
- •Защита от однофазных замыканий на землю в цепи статора генератора
- •Токовые защиты генератора от внешних к.З. И перегрузок
- •Защита от повышения напряжения
- •Защиты ротора
- •Защиты трансформаторов
- •Повреждения, ненормальные режимы работы. Назначение и основные виды защит.
- •Дифференциальная защита
- •Газовая защита
- •Защиты от сверхтоков внешних к.З.
- •Токовая отсечка
- •Защита от перегрузок
- •Особенности выполнения защит блоков генератор-трансформатор
- •Продольные дифференциальные защиты
- •Защита от сверхтоков при внешних к.З. И перегрузках
- •Защита от повышения напряжения.
- •Защита генераторов блока от замыканий на землю
- •Защита от повреждения вводов напряжением 500 кВ и выше блочных трансформаторов.
- •Защиты электродвигателей
- •Повреждения и ненормальные режимы работы электродвигателей. Основные виды защит.
- •Защиты от междуфазных к.З.
- •Защита от перегрузки
- •Защита от однофазных замыканий на землю
- •Защита от понижения напряжения
- •Защиты электродвигателей напряжением до 1 кВ
- •Особенности защиты синхронных электродвигателей
- •Защиты сборных шин
- •Продольная дифференциальная защита шин
- •Разновидности схем дифференциальной защиты шин
- •Защита шин генераторного напряжения
- •Список литературы
Дифференциальная защита
Продольная дифференциальная защита является основной быстродействующей защитой мощных трансформаторов и автотрансформаторов от внутренних повреждений (от междуфазных к.з., замыканий на землю и от витковых замыканий).
Для выполнения диф.защиты трансформатора устанавливаются трансформаторы тока со стороны всех его обмоток. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в дифференциальную схему и параллельно к ним подключается реле защиты. Аналогично выполняется диф. защита автотрансформатора.
Принцип действия
Принцип действия диф. защиты трансформатора показан на рис. 8-1.
Рис.8-1. Принцип
действия диф. защиты трансформатора
а) токораспределение
при сквозном к.з.
б) токораспределение
при к.з. в трансформаторе
Принцип действия дифференциальной защиты трансформаторов, так же как и диф. защиты линий и генераторов, основан на сравнении величины и направления (фазы) токов по концам защищаемого элемента (трансформатора).
При рассмотрении принципа действия диф. защиты условно принимается: коэффициент трансформации силового трансформатора равен единице, соединение обмоток одинаковое и одинаковые трансформаторы тока с обеих сторон.
Если схема токовых цепей диф. защиты выполнена правильно и трансформаторы тока имеют совпадающие характеристики, то при прохождении через защищаемый трансформатор сквозного тока внешнего к.з. или тока нагрузки ток в реле диф. защиты трансформатора будет отсутствовать:
Ip=I1-I2=0 т.к. I1=I2
Практически из-за несовпадения характеристик трансформаторов тока вторичные токи не равны I1I2 и в реле протекает ток небаланса:
Ip=I1-I2=Iнб
Для того чтобы защита не действовала от тока небаланса, её ток срабатывания выбирается по условию: Iс.з.>Iнб.
При к.з. в трансформаторе или любом другом месте между трансформаторами тока (в зоне действия диф.защиты) направление тока I2 изменится на противоположное и ток в реле станет равным:
Ip=I1+I2>Iс.з.
Под влиянием этого тока защита срабатывает и производит отключение поврежденного трансформатора от источников питания.
Особенности выполнения диф. защит трансформаторов
При выполнении диф.защит трансформаторов и автотрансформаторов необходимо учитывать следующее:
Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине.
Соотношение токов определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора: , поэтому ток III на стороне НН трансформатора в режимах нагрузки и внешнего к.з. всегда больше тока II на стороне ВН: III>II.
В трансформаторах с соединением обмоток «звезда-треугольник» (/) и «треугольник-звезда» (/) первичные токи обмоток трансформатора различаются не только по величине, но и по фазе.
В трансформаторах с соединением обмоток «звезда-звезда» токи или совпадают по фазе, или сдвинуты на 1800.
Векторная диаграмма первичных и вторичных токов представлена на рис. 8-2.
Рис. 8-2. Векторная
диаграмма первичных и вторичных токов
а)
при соединении обмоток /
б)
при соединении обмоток /
При наиболее распространенной 11-ой группе соединения обмоток силового трансформатора линейный ток на стороне «треугольника» опережает линейный ток со стороны «звезды» на 300.
Таким образом, чтобы поступающие в реле диф. защиты трансформатора токи были равны, необходимо применять специальные меры по выравниванию вторичных токов трансформаторов тока как по величине так и по фазе.
Выравнивание величин вторичных токов в плечах диф.защиты выполняется подбором соответствующих коэффициентов трансформаторов тока диф. защиты или применением специальных трансформаторов (автотрансформаторов) компенсирующих различие во вторичных токах трансформаторов тока (рис. 8-3). Уравнительные обмотки диф. реле.
Рис.
8-3. Выравнивание вторичных токов в схеме
диф. защиты трансформатора
а) с помощью
промежуточного автотрансформатора АТ
б) с помощью
промежуточного трансформатора ТК
Для компенсации сдвига фаз токов силовых трансформаторов, соединенных по схеме / или /, необходимо трансформаторы тока на стороне «звезды» силового трансформатора соединять в «треугольник», а на стороне «треугольника» силового трансформатора – «в звезду» (рис. 8-4).
Рис. 8-4. Компенсация
углового сдвига токов в схеме диф.защиты
трансформатора
с соединением обмоток «звезда-треугольник»
(Как правило, вторичные обмотки со стороны «звезды» обмотки ВН силового трансформатора соединяются в такой же «треугольник» как и обмотка НН силового трансформатора, а вторичные обмотки ТТ со стороны «треугольника» обмотки НН силового трансформатора, соединяются в такую же «звезду», как и обмотка ВН силового трансформатора).
Токи небаланса в дифференциальных защитах трансформаторов
Таки небаланса в диф. защитах трансформаторов определяются большим числом факторов, чем в защитах генераторов и имеют повышенные значения.
Во-первых, трансформаторы тока диф. защиты трансформаторов устанавливаются на сторонах силового трансформатора, имеющих различные напряжения, поэтому они отличаются друг от друга по типам, нагрузкам и кратностям токов внешнего к.з. Всё это обуславливает наличие разных погрешностей у разных групп ТТ, что приводит к появлению повышенных токов небаланса в дифференциальной цепи защиты при внешних к.з.
Во-вторых, при регулировании коэффициента трансформации силового трансформатора соотношения между первичными, а следовательно, и между вторичными токами ТТ, установленных в разных плечах диф. защиты, изменяется, что также приводит к появлению тока небаланса в диф. защите .
Кроме того, диф. защиту трансформатора необходимо отстраивать от броска тока намагничивания который появляется при включении трансформатора под напряжение, а также при восстановлении напряжения на нём после отключения внешнего к.з.
В нормальном режиме (силовой трансформатор под напряжением) ток намагничивания имеет незначительную величину: Iнам=(0,020,03)Iт.ном.
В режимах включения силового трансформатора под напряжение и после отключения внешнего к.з. бросок тока намагничивания (значительно превышает номинальный ток трансформатора): Iбр.нам=(67)Iт.ном.
Резкое возрастание тока намагничивание объясняется насыщением магнитопровода силового трансформатора. Характер изменения тока намагничивания во времени показан на рис. 8-5,а.
Рис. 8-5. Характер
изменения намагничивающего тока (а) и
магнитные потоки в сердечнике
трансформатора при включении его под
напряжение (б).
При включении силового трансформатора под напряжение возникает переходной процесс, сопровождающийся появлением двух магнитных потоков (рис. 8-5, б), установившегося ФУ и свободного затухающего апериодического ФСВ. Результирующий магнитный поток ФТ=ФУ+ФСВ в момент включения ФТО=0 и поэтому ФСВО=-ФУО. Во втором полупериоде знаки обоих потоков совпадают и результирующий поток достигает максимальной величины ФТ.мак.
Наибольшее значение ФТ макс и следовательно Iбр.нам имеет место при включении трансформатора в момент когда мгновенное значение напряжения на трансформаторе равно нулю. В этом случае магнитный поток ФТ в сердечнике трансформатора в начальный момент содержит большую апериодическую составляющую ФСВО и превышает при переходном процессе установившееся значение ФУСТ в 2 раза. Зависимость Ф=f (Iнам) нелинейна и поэтому ток намагничивания увеличивается по отношению к установившемуся значению в сотни раз. Бросок тока намагничивания, как правило, имеет большую апериодическую слагающую и значительный процент высших гармоник. В результате кривая Iнам может оказаться смещённой в одну сторону от оси времени.
В общем случае суммарный расчётный ток небаланса имеет несколько слагающих:
Iнб=IнбТТ+Iнб.рег.+Iнб.выр.+Iнб.нам.
Ток Iнб.ТТ определяется наличием неодинаковых токов намагничивания у ТТ (наличием погрешностей ТТ) и вычисляется по формуле:
Iнб.ТТ=КаКоднfIк.макс.
где: |
|
|
| |
Ка |
- |
коэффициент апериодичности, для реле с БНТ принимаемый равным 1, а для реле тока РТ-40 – 0,5 | ||
Кодн |
- |
коэффициент однотипности ТТ равный 0,51. (При существенном различии погрешности ТТ Кодн достигает максимального значения Кодн=1) | ||
f=0,1 |
- |
погрешность ТТ, удовлетворяющая 10%-ной кратности | ||
Iк.макс |
- |
наибольший ток сквозного к.з. |
Ток Iнб.рег появляется при изменении (регулировании) коэффициента трансформации N силового трансформатора и вычисляется по формуле:
Iнб.рег=UрегIк.макс
На трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой (с РПН) возможны Uрег 0,150,2. При регулировании на отключённом трансформаторе Uрег 0,05.
Ток Iнб.выр=fвырIвн определяется неточностью выравнивания величины вторичных токов ТТ плеч защиты.
Ток Iнб.нам представляет собой ток намагничивания защищаемого силового трансформатора, который может достигать значений намного больших Iном трансформатора в виде броска тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение.
Полный ток небаланса будет равен:
Iнб=(КаКоднf+Uрег+fвыр)Iк.макс+Iнам
Для предотвращения работы диф. защиты от токов небаланса ток срабатывания защиты выбирают из условия:
Iс.з.>Iнб.
Очевидно, что для повышения чувствительности диф. защиты необходимо принимать меры по снижению величины тока небаланса.
Для уменьшения составляющей Iнб.ТТ тока небаланса коэффициенты трансформации ТТ подбирают так, чтобы обеспечивались равные токи в плечах диф. защиты.
Кроме того, ТТ выбирают по кривым предельной кратности так, чтобы их погрешность не превышала 10%.
Для отстройки диф. защиты от токов небаланса при внешних к.з. и от бросков тока намагничивания применяют специальные диф. реле с БНТ (реле типа РНТ) и диф. реле с торможением (реле типа ДЗТ).
Схемы дифференциальных защит трансформатора
На практике применяют схемы диф. защиты различной сложности и с использованием разных способов отстройки от внешних к.з. и от бросков намагничивающих токов.
В простейшем случае в защите используют обычные реле тока (типа РТ-40) без замедления. Такую защиту называют дифференциальной отсечкой. Принципиальная схема диф. отсечки 2-х обмоточного трансформатора приведена на рис. 8-6.
Рис. 8-6. Принципиальная
схема дифференциальной отсечки 2-х
обмоточного трансформатора.
Ток срабатывания диф. отсечки отстраивается от броска намагничивающего тока:
Iс.з.=КнIном.Т
где: |
|
|
| ||
Iном.Т |
- |
номинальный ток трансформатора | |||
Кн=35 |
- |
коэффициент надёжности. |
Для облегчения отстройки Iс.з. от броска намагничивающего тока, который быстро затухает, в схеме диф. отсечки устанавливают промежуточное реле с временем действия 0,040,06с.
При условии выбора ТТ диф. отсечки по кривым предельной кратности (полная погрешность ТТ не должна превышать 10%), отстройка тока срабатывания от броска тока намагничивания обеспечивает отстройку защиты и от токов небаланса при внешних к.з.
Основным достоинством диф. отсечки является простота схемы и быстродействие. Недостатком является большой ток срабатывания, вследствие чего защита оказывается, в ряде случаев нечувствительна (например, к витковым замыканиям).
При использовании диф. отсечки в качестве основной защиты от внутренних повреждений в трансформаторе, коэффициент чувствительности должен быть: Кч2.
Упрощённая схема диф. отсечки (рис. 8-6) выполняется в 2-х фазном исполнении (на стороне треугольника силового трансформатора устанавливаются ТТ в 2-х фазах «А» и «С» и на двух реле тока). Упрощённая схема не действует при двойных замыканиях на землю на стороне НН силового трансформатора в тех случаях, когда земля в трансформаторе возникает на фазе, не имеющей ТТ (на фазе «В»). Это повреждение должно отключаться другими защитами трансформатора (например, МТЗ).
Диф. отсечка из-за недостаточной её чувствительности применяется на трансформаторах малой мощности (до 25 МВА).
На трансформаторах средней и большой мощности (25 МВА и более) применяют трехфазные схемы продольных дифференциальных защит с использованием диф. реле типа РНТ и реле с торможением типа ДЗТ.
Принципиальная схема диф. защиты двухобмоточного трансформатора с использованием БНТ приведена на рис. 8-7.
Наличие быстронасыщающихся трансформаторов (TLA на рис. 8‑7) позволяет эффективно отстраиваться от бросков намагничивающего тока и токов небаланса при внешних к.з. (БНТ практически запирает защиту при наличии аредиодической составляющей в токе дифференциальной цепи – в реле КА-1КА3. Поэтому отстройка диф. защиты может осуществляться от установившегося значения периодической составляющей тока небаланса, что значительно повышает чувствительность защиты.
При существенной разнице между токами в плечах диф. защиты используются выравнивающие (уравнительные) обмотки TLA.
Рис. 8-7. Схема диф.
защиты двухобмоточного трансформатора
с БНТ.
а) принципиальная
б) развернутая
Практически ток срабатывания диф. защиты трансформаторов без РПН выбирают равным:
Iс.з.=(12)Iном.Т.
Ток к.з., как и ток намагничивания, содержит апериодическую составляющую, которая затухает значительно быстрее, чем периодическая составляющая. Наличие БНТ замеляет работу диф. защиты при к.з. в трансформаторе на время 0,010,03с, что является допустимым.
На трансформаторах с РПН ток срабатывания диф. защиты с БНТ получается равным:
Iс.з.=(3-4)IТ.ном.
Достаточно высокая чувствительность диф. защиты сохраняется при использовании реле типа ДЗТ с магнитным торможением, однолинейная схема включения которого приведена на рис. 8-8. Применение реле ДЗТ целесообразно в случаях необходимости отстройки диф. защиты от токов небаланса, вызванных внешними к.з.
При внешних к.з токи тормозных обмоток создают магнитный поток насыщающий крайние стержни магнитопровода, и ток срабатывания возрастает пропорционально току в тормозных обмотках. При к.з. в зоне диф. защиты ток в рабочей обмотке Iр (вт.к) имеет большую величину и защита, несмотря на подмагничивание тормозным током, срабатывает .
Рис. 8-8. Реле с
магнитным торможением (ДЗТ)
а) схема включения
реле
б) сравнительная
характеристика реле.
Реле ДЗТ с несколькими тормозными обмотками используется в диф. защитах многообмоточных трансформаторов.
Диф. защита действует и при витковых замыканиях в трансформаторе, однако её чувствительность зависит от доли замкнувшихся витков.
В настоящее время промышленностью выпускается полупроводниковая дифференциальная защита для использования на мощных трансформаторах типа ДЗТ-21, ток срабатывания которой равен (0,2-0,3) Uном.Т.
Выводы:
Продольная дифференциальная защита является основной быстродействующей защитой трансформаторов и автотрансформаторов от повреждений как внутри баков, так и вне их, в зоне, ограниченной трансформаторами тока схемы защиты.
Принцип действия продольной диф. защиты трансформаторов (автотрансформаторов), так же как и диф. защит ВЛ и генераторов, основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемого элемента.
Недостатком диф. защиты является недостаточная её чувствительность при к.з. внутри обмоток (в том числе при витковых замыканиях) при применении достаточно грубых защит с током срабатывания больше номинального тока трансформатора (Iс.з.>Iном.Т).
Ток срабатывания диф. защиты трансформатора необходимо отстраивать от токов небаланса при сквозных (внешних) к.з., а также от бросков тока намагничивания силового трансформатора при включении и отключении его от сети.
Для повышения чувствительности диф. защиты трансформатора применяют специальные диф. реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) типа РНТ и реле с магнитным торможением типа ДЗТ.
Дифференциальную защиту рекомендуется применять на трансформаторах мощностью 6,3 МВА и выше, а также на трансформаторах собственных нужд электростанций мощностью 4 МВА и выше.
На трансформаторах малой мощности (до 25 МВА) применяются дифференциальные отсечки (без БНТ).
На трансформаторах средней и большой мощности применяются дифференциальные защиты с БНТ с использованием реле РНТ, а на трансформаторах с регулировкой напряжения под нагрузкой и на многообмоточных трансформаторах – дифференциальные защиты с использованием реле ДЗТ.
На мощных трансформаторах в настоящее время широко используется высокочувствительная полупроводниковая диф. защита типа ДЗТ‑21, ток срабатывания которой не более 0,3Iном.Т.