Н.В. Чернобровов Релейная защита

Величина тока небаланса в дифференциальных защитах трансформаторов оказывается обычно большей, чем в дифференциальных защитах генераторов, что объясняется наличием дополнительных составляющих в токе небаланса (Iнб.рег и Iнб.комп) и большим абсолютным значением составляющей Iнб.т.т, обусловленной погрешностями трансформаторов тока. Последнее вызывается тремя особенностями, характерными для дифференциальных защит трансформаторов.

П е р в а я из них состоит в конструктивной разнотипности трансформаторов тока, применяемых на стороне высшего, среднего и низшего напряжения силовых трансформаторов.

Эти конструктивные различия порождают различие магнитных характеристик трансформаторов тока и их токов намагничивания, что приводит к увеличению разности IIIнам — I1нам, определяющей величину Iнб.т.т .

Особенно резко отличаются характеристики трансформаторов тока, встраиваемых в вводы масляных выключателей (напряжением 35 кВ и выше), от характеристик выносных трансформаторов тока, применяемых на напряжения 10 и 6 кВ.

В т о р о й о с о б е н н о с т ь ю дифференциальной защиты трансформаторов является большое сопротивление нагрузки, присоединенной ко вторичным обмоткам трансформаторов тока, и значительное различие сопротивлений плеч.

Сопротивление нагрузки состоит из сопротивлении соединительных проводов между трансформатором тока и реле и определяется расстоянием от щита управления, где устанавливаются реле, до распределительных устройств, в которых размещаются трансформаторы тока защиты силовых трансформаторов. Очень часто эти расстояния бывают значительными и неодинаковыми по величине.

Кроме того, нужно учитывать, что сопротивление линейных проводов ложится утроенной нагрузкой на трансформаторы тока, соединенные в треугольник, благодаря чему даже при равенстве длин плеч трансформаторы тока, соединенные в треугольник, оказываются более-загруженными, чем вторая группа трансформаторов тока, соединяемая в звезду (см. § 3-7).

Т р е т ь я особенность имеет место у трехобмоточных трансформаторов, а также у двухобмоточных с двумя выключателями на стороне какой-либо обмотки.

Вэтих случаях кратности токов при внешних к. з. для различных групп трансформаторов тока дифференциальной защиты получаются неодинаковыми. Через одну группу (ТIII) протекает суммарный ток к. з., в то время как через две группы (Т1 и ТII) — лишь часть этого тока (рис. 16-24).

Врезультате первая группа трансформаторов тока ТIII намагничивается сильнее, что вызывает резкое увеличение их намагничивающих токов по сравнению с намагничивающими токами двух остальных групп.

в) Расчет Iнб

Расчетным путем ток небаланса Iнб.т.т оценивается, так же как и в дифференциальной защите генераторов, по приближенной формуле, из предположения, что при максимальном значении тока внешнего к. з. Iк.макс погрешность трансформаторов тока ε не превышает 10% (0,1). В соответствии с этим

где kодн учитывает различие в погрешности трансформаторов тока, образующих дифференци-

421

альную схему, kодн = 0,5 ÷ 1; при существенном различии условий работы и конструкций трансформаторов тока различие их погрешностей достигает максимального значения и тогда kодн принимается равным 1.

С учетом выражений (16-18) и (16-20) расчетное значение полного тока небаланса по выражению (16-19) примет вид:

г) Меры для предупреждения действия защиты от токов небаланса

Предотвращение работы защиты от токов небаланса достигается выбором тока сраба-

тывания защиты Iср > Iнб.

Очевидно, что данное условие ограничивает чувствительность защиты.

Для обеспечения достаточной чувствительности защиты принимаются меры к понижению величины Iнб. Уменьшение токов небаланса, обусловленных погрешностью трансформаторов тока Iнб.т.т, обеспечивается подбором трансформаторов тока и их вторичной нагрузки таким образом, чтобы они не насыщались при максимальном значении тока сквозного к. з. Для обес-

печения этого условия т р а н с ф о р м а т о р ы т о к а и их в т о р и ч н а я н а г р у з к а выбираются по кривым предельной кратности или по характеристикам намагничивания трансформаторов тока так, чтобы п о г р е ш н о с т ь трансформаторов тока не п р е в ы - ш а л а 10%.

Хотя указанные меры и позволяют уменьшить ток небаланса (за счет снижения Iнб.т.т ),

его значение остается все же большим. В связи с этим для повышения чувствительности дифференциальной защиты и вместе с тем для более надежной отстройки от токов небаланса применяются реле, включенные через быстронасыщающиеся вспомогательные трансформаторы, и реле с торможением.

16-7. ТОКИ НАМАГНИЧИВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ ПОД НАПРЯЖЕНИЕ

а) Характер изменения токов намагничивания

При включении силовых трансформаторов под напряжение или при восстановлении на них напряжения после отключения внешнего к. з. в обмотке, питающей трансформатор, возникает резкий бросок тока намагничивания, имеющий затухающий характер (рис. 16-25). Максимальное значение этого тока в несколько раз превосходит номинальный ток трансформатора.

Резкое возрастание тока намагничивания объясняется насыщением магнитопровода трансформатора. При включении трансформатора под напряжение оно появляется на его обмотке внезапно. Аналогичная картина имеет место на трансформаторе после отключения к. з. при восстановлении напряжения (рис.

16-26).

Во время к. з. напряжение на трансформаторе понижается в пределе до нуля (точка А на рис. 16-26, а). После отключения повреждения (точка Б) происходит скачкообразное восстановление напряжения на за-

жимах трансформатора.

422

усложнению защиты и не давали достаточно надежной отстройки от намагничивающих токов. Поэтому в Советском Союзе указанные способы не рекомендуются к применению.

На основании работ ВНИИЭ, ТЭП и опыта эксплуатации энергосистем в настоящее время в СССР приняты два способа отстройки от токов намагничивания.

П е р в ы й из них заключается в применении быстронасыщающихся трансформаторов (БНТ), через которые включаются дифференциальные реле [Л. 66, 67]. БНТ не пропускают апериодического тока, составляющего значительную часть тока намагничивания, и позволяют, таким образом, надежно отстроить дифференциальные реле от намагничивающих токов.

В т о р о й способ состоит в отстройке тока сбрасывания реле от тока намагничивания по величине. На таком принципе выполняется защита, называемая дифференциальной отсечкой.

Преимуществом обоих способов являются: простота, надежность и сохранение основного достоинства дифференциальной защиты — быстроты действия.

16-8.СХЕМЫДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХЗАЩИТ

а) Варианты схем токовых цепей защиты

провода отсутствующей фазы В используется нулевой (обратный) провод, в котором, как это следует из токораспределения на рис. 16-28, а, проходит геометрическая сумма противоположно направленных токов фаз Л и С, т. е. ток, совпадающий но величине и направлению с током отсутствующей фазы В (рис. 16-28,

б):

Поэтому при всех случаях внешних к. з. токи в реле упрощенной схемы балансируются так же, как и в полной трехфазной схеме. В этом можно убедиться, построив распределение токов в цепях защиты при всех видах внешних к. з. или, что проще, рассмотрев для этих повреждений распределение токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Упрощенная схема не действует при двойных замыканиях на землю на стороне низшего напряжения в тех случаях, когда земля в трансформаторе возникает на фазе, не име-

424

ющей трансформатора тока. Это повреждение будет отключаться другими защитами трансформатора — максимальной или газовой или защитой поврежденной линии.

На практике иногда применялась схема с третьим реле в фазе В. Такая схема обладает существенным недостатком — повышенным током небаланса в реле фазы В, поэтому она не рекомендуется к применению. В реле фазы (В) балансируются не два тока, как обычно, а три: Ib∆ со стороны треугольника и токи двух трансформаторов тока а и b со стороны неполной звезды. В результате этого Iнб равен геометрической разности трех намагничивающих токов вместо двух в трехфазной

. .

схеме ( I нам bλ- I нам b∆).

На т р а н с ф о р м а т о р а х б о л ь ш о й и с р е д н е й мощности следует применять т р е х ф а з н у ю схему как более совершенную.

б) Дифференциальная токовая отсечка

Дифференциальная токовая отсечка выполняется посредством простых токовых реле, действующих на отключение без выдержки времени. Схема защиты показана на рис. 16-29.

Основным условием правильной работы защиты является отстройка тока срабатывания реле защиты от бросков намагничивающих токов, возникающих при включении трансформатора, и токов небаланса при внешних к. з.

Для облегчения отстройки от мгновенного пика бросков намагничивающих токов на выходе защиты следует устанавливать промежуточное реле с временем действия 0,04—0,06 с. За это время величина намагничивающего тока успевает снизиться, что позволяет не отстраиваться от максимального броска намагничивающего тока.

Ток срабатывания для отстройки от токов намагничивания при наличии выходного промежуточного реле со временем действия 0,03—0,06 с принимается в пределах Iс.з = (3÷5) Iном.т Выбранный ток срабатывания должен проверяться непосредственным включением холостого трансформатора под напряжение.

Т р а н с ф о р м а т о р ы т о к а должны выбираться по кривым предельной кратности так, чтобы их полная погрешность не превышала 10%. При этих условиях отстройка от тока намагничивания одновременно обеспечивает отстройку и от токов небаланса при внешних к. з.

Из-за большой величины тока срабатывания защита недостаточно чувствительна к витковым замыканиям. Надежность действия защиты при повреждениях на выводах трансформатора с приемной стороны необходимо проверять по току к. з. Как обычно, чувствительность оценивается коэффициентом

Расчет коэффициентов трансформации трансформа торовтока и автотрансформаторов производится по § 16- 5, б. Для выравнивания токов используются авто-

трансформаторы ВУ-25Б.

Достоинством защиты являются простота и быстродействие. Недостатком следует считать ограниченную чувствительность.

Дифференциальная отсечка обычно применяется на трансформаторах малой мощности в случаях, когда необходимо обеспечить быстрое и двустороннее селективное отключение их

425

при междуфазных коротких замыканиях.

в) Дифференциальная защита с токовыми реле, включенными через быстронасыщающиеся трансформаторы

Схема и принцип действия. Применение быстронасыщающихся трансформаторов (БНТ) позволяет выполнить простую и быстродействующую дифференциальную защиту, надежно отстроенную от токов небаланса и бросков намагничивания. На рис. 16-30, а представлена схема дифференциальной защиты с реле типа РНТ-565. Как указывалось, БНТ плохо трансформирует апериодические токи (см. гл. 15). Переходные токи небаланса и броски намагничивающих токов силовых трансформаторов расположены а с и м м е т р и ч н о относительно оси времени и содержат вследствие этого значительную апериодическую составляющую, которая не трансформируется на вторичную сторону БНТ, а почти полностью идет на намагничивание его сердечника. В реле защиты попадает лишь переменная составляющая тока небаланса и броска намагничивающего тока силового трансформатора. Однако за счет насыщения сердечника БНТ, обусловленного подмагничивающим действием апериодического тока, трансформация переменной составляющей также ухудшается, что еще больше уменьшает ток в реле.

После затухания апериодической составляющей нормальные условия для трансформации периодического тока восстанавливаются. Подмагничивающее действие апериодического тока, появляющегося в первый момент к. з., приводит к замедлению защиты при по-

вреждении в ее зоне. Из-за насыщения сердечника БНТ трансформация тока в реле уменьшается настолько, что ток Iр оказывается меньше Iс.р, и реле не действует до тех пор, пока не затухнет апериодическая составляющая тока. Продолжитель ность такого замедления невелика и составляет 0,03—0,1 с. Замедление действия является н е д о - с т а т к о м схемы с БНТ. На рис. 16-31, а приведена полученная из опытов осциллограмма тока намагничивания силового трансформатора Iнам, протекающего по первичной обмотке БНТ, и соответствующего ему тока Iр во вторичной обмотке БНТ, а на рис. 16-31, б

— осциллограмма тока к. з. Iк и вызванного им тока небаланса Iнб и

426

тока I'p, протекающих по первичной и вторичной обмоткам БНТ.

Ток срабатывания защиты должен отстраиваться от переменной составляющей переходных токов намагничивания и небаланса. В результате этого чувствительность защиты с насыщающимися трансформаторами оказывается выше, чем токовой отсечки. Опыт эксплуатации показывает, что ток срабатывания можно выбирать в пределах (1 ÷ 2) Iном.т. При этом предполагается, что трансформаторы тока подобраны по кривым предельной кратности.

Выше отмечалось, что реле РНТ-565 совмещает в себе устройство для выравнивания вторичных токов защиты и БНТ, питающий реле. Схема, поясняющая его включение, показана на рис. 16-30.

Обмотки wд и w2 образуют насыщающийся трансформатор; первая из них включается по дифференциальной схеме (на разность токов), а вторая — питает токовое реле Р (типа РТ-40). Уравнительные обмотки wу включаются в плечи защит и служат для уравнивания вторичных токов. В защитах двухобмоточных трансформаторов используется одна обмотка.

Число витков уравнивающей обмотки регулируется с помощью отпаек и подбирается так, чтобы при

внешнем к. з. ток в реле, а следовательно, и в обмотке w2 отсутствовал, т. е. Iр = I2 = 0. Для обеспечения этого условия намагничивающие силы уравнительной и дифференциальной обмоток должны уравновешиваться согласно выражению (16-16), или иначе говоря поток Фд

= —Фу2.

Ток срабатывания защиты регулируется изменением числа витков обмотки wд. На магнитопроводе реле РНТ имеется короткозамкнутая обмотка wк. Она повышает отстройку реле от токов небаланса и бросков намагничивающих токов силового трансформатора особенно, когда эти токи не полностью сдвинуты относительно нулевой линии (рис. 16-30, г).

Подобные токи имеют значительную периодическую составляющую и относительно небольшую апериодическую, что понижает эффективность действия БНТ. Короткозамкнутая обмотка wк ограничивает периодический ток, возникающий во вторичной обмотке РНТ, но не изменяет подмагничивающее действие апериодической составляющей.

Ток Iд, поступающий в первичную обмотку РНТ wд (рис. 16-30, б), создает магнитодвижущую силу Fд=Iд wд, которая образует в среднем стержне магнитный поток Фд, замыкающийся по крайним стержням 2

и3 магнитопро-вода.

Вобщем случае ток Iд состоит из переменной Iд,п и апериодической Iд.а. составляющих: Iд = Iд. п + Iд.а. Соответственно этому образуются две составляющие м. д. с. Fд..п и Fд.а и два магнитных потока Фд.п и Фд.а.

Переменный поток Фд.п замыкаясь по стержню 2, наводит в обмотке w2, питающей реле Р, э. д. с. Е2. Апериодический поток Фд.а, медленно изменяющийся во времени, не создает э. д. с. в w2 и полностью затрачивается на намагничивание магнитопровода.

Магнитодвижущая сила Fк действует навстречу Fд.п и почти полностью компенсирует ее. Результирующая м. д. с. F1 = Fд.п —Fk создает остаточный поток Фп « Фд.п (где Фд.п —магнитный поток при отсутствии короткозамкнутой обмотки). Магнитодвижущая сила F'k образует поток Ф'k, замыкающийся вместе с со-

427

ставляющей потока Фп по стержню 2.

Параметры короткозамкнутой обмотки подбираются так, чтобы суммарный магнитный поток в стержне 2 Ф2 = Фп 2 + Ф'к2 был меньше потока Фд.п2. Здесь Фп2, Ф'к и Фд п2 —составляющие магнитных потоков Фп, Фк и Фд.п, замыкающиеся по стержню 2. Таким образом, к о р о т к о з а м к н у т а я обмотка у м е н ь ш а е т переменный магнитный поток, создаваемый периодическим током Iд.п , питающим обмотку wд.

На магнитодвижущую силу Fд.а, создаваемую апериодическим током Iда, короткозамкнутая обмотка wк не влияет, так как скорость изменения тока Iд. а очень мала и поэтому ток Iд.а не вызывает в ней э. д. с. Это означает, что поток Фд.а, создаваемый Fд.а = Iд.аwд, и его подмагничивающее действие практически не зависят от короткозамкнутой обмотки.

Короткозамкнутая обмотка уменьшает трансформацию периодической составляющей тока в реле и не влияет на величину и действие апериодической составляющей. Влияние обмотки wк равноценно уменьшению периодического тока в обмотке wд c Iд п до некоторой величины I'д п при сохранении неизменной Iд.а

Изменением сопротивления г меняются величины тока Iк и его фаза относительно первичного тока Iд.п. Это позволяет регулировать влияние коротко-замкнутой обмотки на работу реле.

Варианты схем включения обмоток реле РНТ (рис. 16-32). В дифференциальной за-

щите двухобмоточных трансформаторов (или автотрансформаторов) для компенсации неравенства токов в плечах защиты достаточно использовать только одну уравнительную обмотку (например, wуII), включая ее в плечо с меньшим током (рис. 16-32, а).

Для повышения точности компенсации применяются схемы с включением уравнительной обмотки в каждое плечо защиты, при этом дифференциальная обмотка, как и в предыдущей схеме, включается на разность токов плеч (рис. 16-32, б) и, наконец, возможна схема с использованием только уравнительных обмоток wуI и wуII по рис. 16-32. в.

В схемах защиты трехобмоточных трансформаторов (рис. 16-32, г) используются дифференциальная и обе уравнительные обмотки. Последние включаются в плечи II и III с меньшими токами. Плечо I с большим током подсоединяется непосредственно к дифференциальной обмотке реле.

Выбор параметров защиты: коэффициентов трансформации трансформаторов тока, тока срабатывания защиты и витков дифференциальной и уравнительных обмоток (рис. 16-30, а) [Л.5, 6, 10].

428

кание номинального тока защищаемого трансформатора (или автотрансформатора) и обеспечивать р а- венство токов в плечах защиты согласно (16-116) и (16-12).

В с х е м а х з а щ и т ы , в которых обе группы трансформаторов тока (первая и вторая) соединены в звезду, коэффициенты трансформации nт1 и nтII определяются по выражению

где IномI и IномII— номинальные токи силового трансформатора, отнесенные к напряжению той стороны, где установлены рассматриваемые трансформаторы тока.

Номинальные токи силовых трансформаторов находятся по их номиналь ной мощности SНом, а автотрансформаторов — по их проходной мощности Sпрох.

По расчетным значениям nт1 и nтII выбираются стандартные трансформаторы тока с тем же или ближайшим большим nт.

В д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы х з а щ и т а х , у которых одна группа трансформаторов тока соединена в треугольник, а вторая — в звезду, коэффициент трансформации nтII второй группы выбирается по выражению (16-21).

Первая группа, соединенная по схеме треугольника, должна длительно выдерживать номинальный ток обмотки силового трапсформатора, соединенной в звезду (Iном1). Этому условию удовлетворяет трансформатор тока с коэффициентом трансформации nт1≥ IномI/5. Однако для обеспечения равенства токов в

плечах защиты [по условию (16-12)] расчетный коэффициент nт1 принимается в 3 раз большим по выражению

Плечо с большим током называется основным, в дальнейшем будем считать, что основным является плечо I (рис. 16-30, а).

Если токи I1в и 1IIВ различаются больше чем на 5%, то предусматривается компенсация их различия с помощью уравнительных обмоток трансформатора в РНТ.

3. В ы б и р а е т с я т о к с р а б а т ы в а н и я з а щ и т ы . Он должен быть отстроен от броска намагничивающего тока защищаемого трансформатора или автотрансформатора и от максимального тока небаланса при внешнем к. з.

По п е р в о м у у с л о в и ю

429