3. Токи небаланса в дифференциальной цепи дифференциальной защиты в переходных режимах при внешнем кз

В переходных режимах (в начальный период времени после возникновения КЗ, при восстановлении питания силового трансформатора, в случае наброса нагрузки и др.) на величину тока небаланса в дифференциальной цепи измерительного органа дифференциальной защиты большое влияние оказывает апериодическая слагающая первичного тока .

Известно, что при включении или отключении элементов электрической цепи токи во всех её участках принимают новые установившиеся значения постепенно (не мгновенно). Процесс изменения электрических параметров () электрической сети при переходе её от одного состояния к другому называется переходным процессом. Причиной возникновения переходного процесса является наличие реактивного сопротивления в полном сопротивлении элементов сети (ЛЭП, обмотки генераторов, трансформаторов, реакторов, компенсаторов и др.).

Рассмотрим переходный процесс в цепи, состоящей из индуктивного и активного сопротивлений (рисунок 2.15). Полный (результирующий ) ток переходного процесса при замыкании цепи с состоит из двух слагающих:

- синусоидального периодического тока ;

- постепенно затухающего апериодического тока .

Так как ток в цепи с элементами R и L не может измениться скачком, а до замыкания ключа он был равен нулю, то ток в цепи должен изменяться до своего первого максимума от нуля. Поэтому первоначальное значение апериодического тока по абсолютной величине равно начальному значению периодического тока , но противоположное по знаку. При этом в начальный момент времени

Во все последующие моменты времени полный ток представляет собой алгебраическую сумму (с учетом знака) периодической и апериодической слагающих. По окончании переходного процесса апериодический ток затухает и полный ток достигает установившегося значения.

Рисунок 2.15 Характер изменения тока в – цепи во время переходного процесса

Примечание. Апериодический ток , протекая по виткам дросселя L , насыщает его сердечник медленно изменяющимся магнитным потоком . Это приводит к увеличению магнитного сопротивления сердечника, и, следовательно, к уменьшению и Z дросселя. Таким образом, во время переходного режима полное сопротивление – цепи оказывается несколько меньше, чем в установившемся режиме. По окончании переходного процесса апериодический поток рассеивается и параметры дросселя восстанавливаются. Поэтому значение периодического тока в установившемся режиме несколько меньше, чем в переходном.

Действующее значение апериодического тока определяется значением напряжения источника питания и полным сопротивлением – цепи.

Амплитудное значение периодического тока в установившемся режимеравно .

А также .

Аналогичный процесс изменения тока происходит при возникновении КЗ в защищаемом электрооборудовании. Разница заключается лишь в том, что:

1. В первичных цепях в момент возникновения КЗ ток, как правило, не равен нулю, - он равен текущему (мгновенному)значению тока нагрузки.

2. В момент возникновения КЗ в сети фазные и междуфазные напряжения могут проходить через любой фазовый угол в пределах от до .

Последнее обстоятельство в решающей степени накладывает свой отпечаток на протекание переходного процесса. Так, если на момент возникновения КЗ напряжение проходило через фазу , то переходный процесс протекает наиболее «мягко» практически без апериодического тока, т.е. сразу после возникновения КЗ в сети сразу наступает установившейся режим короткого замыкания (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 Характер изменения тока КЗ при возникновении КЗ в момент

прохождения напряжения сети через фазу

При возникновении КЗ в тот момент времени, когда фаза напряжения проходит через , наряду с периодической составляющей тока КЗ появляются (почти) равная ей по величине и противоположная по знаку апериодическая слагающая .

Приближенно они равны :

где - – постоянная времени первичной цепи, где возникло КЗ, определяемая соотношением активного и реактивного сопротивлений участка сети, по которому проходит ток КЗ.

Мгновенное значение первичного тока КЗ равно алгебраической сумме (с учетом знаков) периодической и апериодической слагающих

Кроме того,

где - – мгновенное значение тока в сети в момент возникновения КЗ в сети.

Так как обе составляющие тока КЗ изменяются во времени, то они трансформируются во вторичные цепи измерительных ТТ, распределяясь в схеме замещения ТТ между ветвью намагничивания и вторичной цепью () .

Для периодической составляющей сопротивление вторичной цепи много меньше чем сопротивление ветви намагничивания, т.е.

Рисунок 2.17 Временные диаграммы переходного процесса в измерительном

трансформаторе тока при КЗ в защищаемой сети

Поэтому в схеме замещения первичный периодический приведенный ток КЗ протекает, главным образом, по вторичной цепи и в ветвь намагничивания ответвляется лишь небольшая его часть. Эта часть первичного приведенного тока, «ушедшая» в ветвь намагничивания представляет собой полную погрешность () измерительного ТТ без учета апериодической слагающей. Значение тока () зависит от величины сопротивления вторичной цепи и кратности первичного тока КЗ. Чем больше и чем больше , тем больше ( тем больше погрешность в работе ТТ) и наоборот. Периодическая слагающая тока намагничивания приведена на рисунке 2.17. Следует заметить, что в силу подмагничивания сердечника ТТ апериодическим магнитным потоком полная погрешность в работе ТТ во время переходного процесса больше чем в установившемся режиме.

Для апериодической слагающей сопротивление ветви намагничивания оказывается много меньше, чем сопротивление вторичной цепи, т.е.

Примечание. Для постоянного тока сопротивление , равно бесконечности, - постоянный ток не трансформируется во вторичную цепь. Энергия постоянного тока, проходящего по первичной обмотке ТТ, расходуется на преодоление омического сопротивления первичной обмотки и на создание магнитного потока в сердечнике ТТ.

Поэтому большая часть апериодического тока, содержащегося в полном первичном токе КЗ, замыкается через ветвь намагничивания, насыщая сердечник апериодическим магнитным потоком, меньшая его часть трансформируется во вторичную цепь.

Так как в индуктивном сопротивлении ветви намагничивания апериодический ток намагничивания (рисунок 2.17б) скачком измениться не может, то для компенсации вынужденной слагающей в начальный момент времени возникает свободная апериодическая слагающая тока намагничивания по величине равная (вынужденной слагающей) но с обратным знаком.

Свободная слагающая апериодического тока намагничивания затухает с постоянной времени вторичной цепи измерительного ТТ (реально ). Поэтому затухает медленнее чем вынужденная слагающая .

Вследствие того, что затухает медленнее чем результирующий апериодический ток намагничивания через несколько (2-3) периодов промышленной частоты достигает максимального значения (рисунок 2.17 б и в). Результирующий апериодический ток намагничивания (кривая 1 на рисунке 2.17, в) можно рассматривать как апериодическую слагающую тока небаланса дифференциальной защиты.

Полный ток небаланса дифференциальной защиты (его первая составляющая) содержит в своем составе помимо апериодической слагающей, также периодическую слагающую. Другими словами , ток небаланса дифференциальной защиты (его первая составляющая ) представляет собой алгебраическую сумму с учетом знаков периодической и апериодической слагающих (рисунок 2.17, в, кривая 2).Следует ещё раз подчеркнуть, что во время переходного процесса первая составляющая тока небаланса (его периодическая слагающая) больше (в 2-3 раза) тока небаланса установившегося режима внешнего КЗ (рисунок 2.17, в). Значительный ток небаланса переходного режима может привести к излишнему срабатыванию дифференциальной защиты, от чего она теряет свое такое положительное качество, как селективность. Поэтому в дифференциальных защитах используют реле, чувствительность которых к току небаланса загрубляется тем или иным способом.

При расчете уставок измерительного органа дифференциальной защиты повышенные значения максимального тока небаланса переходного режима оценивают коэффициентом смещения , который показывает степень смещения периодического тока небаланса , относительно оси времени (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 Ток небаланса в цепях дифференциальной защиты при внешнем КЗ.

Рассчитывая уставки по току срабатывания дифференциальной защиты максимальное значение первой составляющей тока небаланса определяют по следующему выражению:

где - - значение первичного тока внешнего трехфазного КЗ, определяется расчётом токов КЗ в конкретной схеме защищаемого электрооборудования.

- - полная погрешность (относительная)в работе измерительного ТТ, в расчётах применяют ;

- – коэффициент однотипности измерительных ТТ применяемых в плечах дифференциальной защиты; в расчётах .

- – коэффициент апериодичности. Значение в расчётной формуле определяется не столько смещением кривой тока небаланса относительно оси времени (рисунок 2.18), сколько типом реле, применяемым в дифференциальной защите в качестве измерительного органа. Например, если использовать в качестве дифференциального реле РТ-40 то значение в расчётной формуле следует принять больше (2-3), так как реле РТ-40 никак не отстроено от тока небаланса. Если применяется специальное дифференциальное реле серии РНТ или реле ДЗТ-21, то принимают равным 1. В этих и других дифференциальных реле обеспечивается загрубление чувствительности к току небаланса. При использовании в дифференциальной защите реле серии ДЗТ-10 принимают .