Цифровые диф реле защиты трансформаторов «Siemens»: работа, наладка, схемы

Фирмой «Siemens» для дифференциальных защит двухобмоточных трансформаторов, генераторов и двигателей выпускается цифровая защита типа 7UT512, для трехобмоточных трансформаторов типа 7UT513, последняя состоит из устройства 7UT512 и дополнительного блока. Кроме функции дифференциальной защиты в устройстве 7UT512 заложена функция защиты от перегрузки. Ниже рассматривается устройство 7UT51 версии V2, в конце раздела приведены краткие сведения по устройству 7UT51 версии V3.

Аппаратная часть терминалов 7UT512/7UT513

Построение аппаратной части устройства 7UT512 аналогично другим цифровым защитам и подробно рассмотрено в, поэтому ниже приведены лишь краткие пояснения структурной схемы дифференциальной защиты типа 7UT512 (рис. 6.1), а для большей наглядности на рис. 6.2 показана лицевая панель устройства типа 7UT512 (для облегчения дальнейшего изучения устройства рисунки и условные обозначения взяты из фирменной документации).

Токи со сторон защищаемого трансформатора подаются на аналоговые входы МЕ, где производится предварительная подготовка аналоговых сигналов: гальваническая развязка, приведение входных сигналов к величинам, удобным для дальнейшей обработки, производится частотная фильтрация от высших гармонических составляющих с помощью аналоговых фильтров.

Далее аналоговые сигналы подаются на вход узла аналого-цифрового преобразования АЕ. Узел аналого-цифрового

Рис. 6.1. Структура аппаратной части дифференциальной защиты 7UT512 как трансформаторной защиты

Рис. 6.2. Устройство защиты 7UT513, вид спереди

преобразования состоит из собственно аналого-цифрового преобразователя АЦП, усилителей, мультиплексора – электронного коммутатора, который поочередно подает аналоговые сигналы на вход АЦП и запоминающих элементов для последующей передачи данных в микропроцессор мС. В 16-разрядном микропроцессоре производится комплексная цифровая обработка сигналов для выполнения функций защиты, измерения, контроля и регистрации.

Кроме аналоговых входных сигналов предусмотрены два бинарных входа для устройства 7UT512 и пять бинарных входов для устройства 7UT513, которые используются для дистанционного сброса индикаторов, сигнализации и отключения от газовой защиты, защиты бака, блокировки дифференциальной защиты и других целей внешнего воздействия.

Интегрированная пленочная клавиатура в совокупности с двухстрочным алфавитно-цифровым дисплеем LCD с 16 разрядами в каждой строке обеспечивают общение человека с устройством для установки заданных уставок срабатывания (при предварительном вводе пароля), для измерения текущих значений токов в плечах защиты и в дифференциальной цепи, чтения параметров срабатывания, событий и состояний.

На лицевой панели установлены светодиодные индикаторы (8 для 7UT512 и 16 для 7UT513), которые могут быть по желанию пользователя распределены для фиксации любого действия защиты или события.
Индикаторы могут работать с запоминанием или только на время действия соответствующей защиты или события.

Устройство 7UT512 содержит пять сигнальных реле, устройство 7UT513 – 11. Распределение функций сигнальных реле также производится пользователем. Предусмотрена возможность воздействия нескольких сигналов (обобщенный сигнал) на одно сигнальное реле или оптический индикатор.
Через последовательный интерфейс предусмотрена возможность обслуживания устройства с помощью персонального компьютера, а через второй последовательный интерфейс – с центрального устройства.

Передача данных возможна с помощью световода, для этого имеется соответствующий разъем.
Команды на отключение трансформатора, образуемые защитами или внешними командами, могут быть распределены на два (7UT512) или пять (7UT513) выходных реле с помощью матрицы отключения.
Оперативное напряжение устройство получает от аккумуляторной батареи подстанции через специальный внутренний источник питания для обеспечения гальванической развязки от цепей аккумуляторной батареи и получения необходимых уровней напряжения: для релейного выхода − +24 В, для аналоговых входов − ±15 В, для микропроцессора и его периферии − +5 В. Источник питания обеспечивает полную работоспособность устройства в течение 50 мс при исчезновении – коротком замыкании – оперативного питания.

Дифференциальная защита трансформатора, которая является предметом рассмотрения, выполнена в виде двухступенчатой защиты: первая ступень (I_diff>) – чувствительная дифференциальная защита с торможением арифметической суммой токов всех плеч защиты и с блокировками от второй гармонической составляющей дифференциального тока для отстройки от бросков тока намагничивания и от пятой гармонической составляющей для отстройки от тока небаланса в режимах перевозбуждения; вторая ступень (I_diff>>) – дифференциальная отсечка без блокировок с током срабатывания, отстроенным от максимальных токов небаланса и бросков тока намагничивания.

Рис. 6.3. Схема подключения дифференциального реле типа 7UT512

Рис. 6.4. Схема подключения дифференциального реле типа 7UT513 (схема дана в фирменных обозначениях)

Токовые входы защиты являются проходными (рис. 6.3 и 6.4), что позволяет включать в эти же цепи другие устройства. Выравнивание вторичных токов по величине и компенсация угловых сдвигов токов, связанные с группами соединения обмоток силового трансформатора Y/Δ, выполняется программным путем. Для этого необходимо задать номинальные параметры силового трансформатора: номинальные мощности, напряжения, группу соединения на каждой стороне трансформатора, номинальный первичный ток трансформатора тока каждой стороны.

Устройства 7UT51 выпускаются на один номинальный ток 5 А или 1 А, однако, если трансформаторы тока будут иметь различные номинальные вторичные  токи сторон, то возможно их согласование на входной/выходной платах путем удаления или установки перемычек

Целесообразно заказывать устройства на номинальный ток 5 А, так как для переделки одной из сторон на 1 А необходимо лишь удалить три перемычки. Для предотвращения излишней работы дифференциальной защиты при внешнем однофазном коротком замыкании из входных токов исключаются токи нулевой последовательности.

После того как входные токи освобождены от нулевых токов и выполнено выравнивание токов в соответствии с коэффициентами трансформации и векторной группой соединения из мгновенных значений токов плеч, образуются дифференциальный (I_diff) и тормозной (I_stab) токи в соответствии со следующими соотношениями:

(6 – 1)

(6 – 2)

где i₁, i₂, i₃ − мгновенные значения токов с трех сторон защищаемого трансформатора.
С помощью цифровой фильтрации на основе анализа Фурье из дифференциального тока выделяются токи первой, второй и пятой гармонических составляющих, а из тормозного тока – первая гармоническая составляющая. Первые гармонические составляющие (основные гармоники тока) используются для пуска защиты и образования тормозной характеристики реле, а вторая и пятая гармоники – для блокировки защиты.

Функции терминалов 7UT512/7UT513 и их характеристики

Тормозная характеристика реле, построенная в координатах отношения дифференциального и тормозного токов к номинальному току устройства, состоит из трех участков (рис. 6 – 5): горизонтального, где ток срабатывания не зависит от тормозного тока (начальный ток срабатывания – I_diff/I_n), первого наклонного участка с тангенсом угла наклона равным 0,25, второго наклонного участка с тангенсом угла наклона, равным 0,42. Точка перегиба наклонных участков происходит при значении тормозного тока, равного I_stab/I_n = 5,7. Первый наклонный участок исходит из начала координат и от него отрезаются части, определяемые начальным током срабатывания. Величина начального тока срабатывания регулируется в пределах от 0,15 до 2,0 А ступенями по 0,1. Углы наклона второго и третьего участков не регулируются.

Если дифференциальный ток превышает значение 75% от уставки начального тока срабатывания, устройство переводится в режим возбуждения. Рутинные программы, такие как измерения, самоконтроль закрываются, и вся вычислительная емкость используется для решения алгоритмов защиты.

Определяется, в какой зоне тормозной характеристики находится дифференциальный ток, отношение тока второй и пятой гармоник к основной частоте и эти отношения сравниваются с уставками блокировки.

В том случае, если дифференциальный ток находится в зоне срабатывания тормозной характеристики, отношения второй и пятой гармоник к основной меньше уставок блокировок, нет внешнего запрета, и после заданной выдержки времени (если введена задержка на срабатывание) подается команда на отключение. Если в течение двух периодов дифференциальный ток меньше 50% начального тока срабатывания, команда на отключение снимается либо запускается отсчет выдержки времени на возврат, по истечении которого снимается команда на отключение.

Рис. 6.5. Тормозная характеристика срабатывания дифференциальной защиты трансформатора типа 7UT51

Сравнение токов второй гармонической составляющей и первой составляющей выполняется индивидуально для каждой фазы, что позволяет дифференциальной защите подействовать при включении трансформатора на  однофазное короткое замыкание. Однако предусмотрена возможность запрета действия защиты, если хотя бы в одной фазе доля второй гармоники превышает уставку блокировки (установка функции «CROSSLOCK»).

Вторая ступень дифференциальной защиты – дифференциальная отсечка – предназначена для быстрого отключения повреждения, сопровождаемого большими токами короткого замыкания, когда из-за насыщения трансформаторов тока в переходный период возможно появление во вторичном токе большой величины токов второй гармоники, тем самым будет заблокировано действие первой ступени. Ток срабатывания второй ступени защиты регулируется в пределах (0,8 – 12)I_diff/I_n ступенями по 0,1. При больших значениях дифференциального тока вторая ступень будет реагировать на мгновенное значение тока короткого замыкания, учитывая, что даже при глубоком насыщении трансформатор тока правильно трансформирует ток в течение нескольких миллисекунд.

Кроме функции дифференциальной защиты в устройстве заложена функция защиты от перегрузки. Защита от перегрузки измеряет действующее значение большего из трех фазных токов одной из сторон защищаемого объекта, выполняет моделирование тепловых потерь, сигнализирует о перегрузке и дает импульс на отключение с выдержкой времени, которая зависит от величины перегрузки и от величины предшествующей нагрузки.

Рис. 6.6. Характеристика времени срабатывания защиты от перегрузки без предварительной нагрузки

Рис. 6.7. Характеристика времени срабатывания защиты от перегрузки с предварительной нагрузкой 90%

На рис. 6.6 и рис. 6.7 приведены характеристики срабатывания защиты от перегрузки. На этих рисунках приняты следующие обозначения:
τ − постоянная времени нагрева защищаемого объекта,
I − ток перегрузки,
I_vor − ток предшествующей нагрузки,
к = I_max/I_N, I_max − длительно допустимый ток, пересчитанный к вторичной стороне трансформатора тока,
I_N – вторичный номинальный ток трансформатора тока.
События, изменения состояния, данные случаев повреждения фиксируются светодиодными индикаторами, сигнальными реле, сохраняются в памяти устройства. Сообщения могут быть вызваны на дисплей на фронтальной плате устройства, на экран персонального компьютера через интерфейс  обслуживания, переданы через второй интерфейс к центральному устройству управления.

Вся записанная и текущая информация может быть прочитана по четырехзначному адресу. Первые две цифры обозначают обслуживаемый блок, следующие две позиции – параметр внутри блока. Блок может быть вызван либо перелистыванием блоков с помощью клавиш «⇑» и «⇓», либо прямым вызовом блока нажатием клавиш DA (рис. 6.2) и далее набором номера блока.

Блоки сообщений могут быть вызваны нажатием специальной кнопки М/S, при этом появляется 5000 – начало блоков сообщения. Перелистывание внутри блока осуществляется клавишами «↑» и «↓».
Эксплуатационные сообщения хранятся в блоке 5100 и указываются в хронологической последовательности с наиболее раннего. Время указывается в минутах. Запоминается до 30 эксплуатационных сообщений. Если имеется более 30 сообщений, исключается старейшее. Повреждение в сети указывается только лишь как срабатывание соответствующей защиты.

Подробные данные о процессе повреждения содержатся в специальном блоке «сигналов повреждения» (блоки 52 − 54).

В блоке эксплуатационных сообщений фиксируется факт срабатывания дифференциальной (I_diff> и I_diff>>) газовой защиты на сигнал, газовой защиты на отключение, отключение от бинарных входов, блокирование дифференциальной защиты от бинарного входа, неисправность оперативного напряжения 24, 15, 5, 0 В, неисправность выходных реле.

В блоках «сигнал повреждения» фиксируются пуски и возвраты дифференциальной защиты, срабатывания дифференциальных защит (I_diff> и I_diff>>), пуски бинарных сигналов, срабатывание защиты от перегрузки, величины дифференциального тока при отключении первой и второй ступеней дифференциальной защиты в процентах от номинального тока. События при повреждениях также отмечаются относительным временем. Отсчет ведется с момента достижения дифференциальным током значения, равного 0,75 начального тока срабатывания. Разрешающая способность данных времени составляет 1 мс. Устройство запоминает сообщения трех последних повреждений (блок 52 – последнее повреждение, блок 53 –  предпоследнее повреждение, блок 54 – предпредпоследнее повреждение). При четвертом повреждении первое из трех сообщений стирается. Режим повреждения начинается с узнавания повреждения через пуск защиты и кончается при возврате защиты.

В блоке 5700 могут быть измерены в процентах от номинального тока силового трансформатора текущие значения фазных токов фаз А, В, С на всех сторонах защищаемого трансформатора, а в блоке 5800 отображаются величины дифференциальных и тормозных токов фаз А, В, и С в процентах от номинального тока силового трансформатора.

В этом же блоке могут быть измерены величины второй и пятой гармонических составляющих в дифференциальном токе в процентах от номинального тока (следует иметь в виду, что если основная волна дифференциального тока меньше 3%, расчет гармоник не производится).
Кроме фиксации событий в дифференциальной защите типа 7UT51 предусмотрено осциллографирование токов фаз А, В, С в каждой трансформаторной обмотке. Токи фиксируются с интервалами 1,66 мс (при 50 Гц) и закладываются в циркуляционный буфер. При возникновении повреждения запоминаются данные в диапазоне от 5 периодов до возникновения и до 50 периодов после ликвидации повреждения. Информация считывается персональным компьютером через интерфейс обслуживания и обрабатывается при помощи программы DIGSI. Длительность хранения регулируется от 1 мин до 60 000 мин т.е. до 40 суток. Запись повреждения запускается либо командой на отключение, либо, если дифференциальный ток превышает 75% от величины начальной уставки (определяется пользователем).

Данные повреждения могут быть переданы через последовательный интерфейс в центр управления, где по специальной программе токи сравниваются с максимальными значениями, нормируются относительно номинальных значений и подготавливаются для графического представления.

В записи маркируются дополнительные сигналы: «пуск», «отключение» и «возврат защиты». При передаче в центр управления возможен процесс передачи информации после каждого возбуждения или отключения.
Регулировка заданных уставок срабатывания дифференциальной защиты производится при помощи встроенных во фронтальную плату клавиатуры и дисплея в режиме диалога «оператор – устройство». Через последовательный интерфейс обслуживания те же операции можно выполнить при помощи персонального компьютера.

Для выставления или изменения уставок срабатывания и конфигурации необходимо ввести пароль (для считывания сообщений, рабочих параметров, данных случаев повреждения или для считывания уставок пароль не требуется).

Для ввода пароля следует нажать клавишу «CW» и ввести шестизначный код и клавишей «E» подтвердить ввод (рис. 6.2). Перелистыванием блоков или адресным вызовом с помощью клавиши «DA» в соответствующих блоках выставляются необходимые параметры защит.

Имеются три разновидности блоков параметров:

1. Блок, четырехзначный номер которого заканчивается двумя нулями, обозначает начало блока, например блок 1200 – начало блока «Данные трансформатора», блок 1300 – начало блока «Данные обмотки 1» и т.д. В таком блоке в первой строке – номер блока и вертикальная черта, во второй строке − название блока. Блок данного типа не требует никаких действий оператора.

2. Блок, в котором требуется цифровой ввод параметров. Дисплей показывает в первой строке четырехзначный номер, например 1402, где 14 – номер блока, а 02 – текущий номер параметра, за вертикальной чертой – обозначение требуемого параметра, во второй строке – установленное значение (заводское при поставке, предыдущее при необходимости изменения). Вид экрана дисплея при вызове блока 1402:

Номинальная полная мощность второй обмотки силового трансформатора.

Если изменения параметра не требуется, следует с помощью клавиш «↑» и «↓» перейти к следующему параметру. Если значение должно быть изменено, то это достигается при помощи цифровых клавиш и клавишей «R» – стирание. Завершение изменений фиксируется клавишей ввода «E».

3. Блок уставок с текстовым параметром. В этом блоке во второй строке – название выставленного параметра.

Пример данного типа блока:

Введено действие дифференциальной защиты на отключение (активизировано действие).

Если представленный параметр должен быть сохранен, необходимо просто перейти к следующему параметру. Для изменения параметра необходимо нажать клавишу «N» («нет»). В результате появляется альтернативное предложение, например NICHT AKTIV – выведено действие дифференциальной защиты на отключение. Выбранное предложение подтверждается вводной клавишей «Е». В противном случае снова нажимается клавиша «N» – для вызова следующего предложения.

К этому же типу блоков относится блок 7000, в котором задается язык общения – английский, немецкий, итальянский.

После окончания параметрирования внутри блока при переходе к следующему блоку появляется надпись PARAMETER ANDERUNG ENDE? – «Изменение параметра закончено? Ответ на вопрос «да» – клавиша «J/Y» – означает окончание процесса параметрирования, и измененные параметры, находящиеся пока в текущей памяти, переходят в ППЗУ (перепрограммируемое запоминающее устройство или EEPROM), где они защищены от потери напряжения питания.

Регулировка уставок срабатывания (параметрирование функций) начинается (блок 1100) с выбора объекта защиты: трансформатор, генератор – двигатель и задания номинальной частоты сети (50 Гц или 60 Гц), а для трансформатора – количество обмоток (блок 1200).

Для выравнивания токов по величине и фазе для каждой обмотки необходимо задать: полную номинальную мощность, номинальное напряжение, номинальный ток трансформаторов тока, схему соединения обмотки и цифровое обозначение поворота тока относительно первой обмотки, которая определяется как базовая и поэтому в цифровом знаке не нуждается. Если обмотка трансформатора имеет регулирование, то за номинальное значение принимается среднее из диапазона регулирования:

(6 – 3)

где U_макс и U_мин − максимальное и минимальное значения напряжения, определяемые диапазоном регулирования.

Для трехобмоточных трансформаторов с различными номинальными мощностями обмоток для дифференциальной защиты все токи пересчитывают по отношению к самой мощной обмотке. Блоки 13, 14, 15 – данные для первой, второй и третьей обмоткам соответственно. Блок 16 – ввод векторной группы соединения обмоток, где Y − включение «звездой», D − включение «треугольником» или «зигзагом», и цифры векторной группы для второй и третьей обмоток относительно первой обмотки.

Для правильного подключения трансформаторов тока в дифференциальную защиту необходимо задать полярность групп трансформаторов тока каждой из сторон. В блоках 1306 для первой обмотки, 1406 и 1506 для второй и третьей обмоток соответственно должно быть задано образование нейтрали трансформаторов тока со стороны трансформатора (TRAFO – SEITIG) или со стороны линии или сборных шин (LTG/SS-SEITIG).
В блоке 21 выставляются собственно уставки срабатывания дифференциальной защиты: начальное значение срабатывания первой ступени I_diff> и второй ступени I_diff>>дифференциальной защиты, уставки блокировки по второй и пятой гармоническим составляющим, выдержки срабатывания и возврата дифференциальной защиты, торможение гармониками индивидуально для каждой фазы или торможение гармониками в одной фазе блокирует остальные (2109 GROSSBLOCK − да или нет).

Работы выполняемые при наладке терминала 7UT512/7UT513

При наладке устройства необходимо:
1. Произвести внешний осмотр.
2. Проверить правильность соединения устройства через последовательный интерфейс с центральным устройством.
3. Выставить необходимые уставки срабатывания защиты, распределить бинарные входы и выходы, индикаторы, сигнальные реле.
4. Измерить сопротивление изоляции мегаомметром 1000 В и электрическую прочность изоляции переменным напряжением 1000 В в течение 1 мин входных токовых цепей и цепей постоянного напряжения питания (для U_ном > 110 В).
5. Проверить точность установки начального тока срабатывания дифференциальной защиты с торможением и тока срабатывания дифференциальной отсечки. От испытательной установки подать поочередно в каждую обмотку однофазный, двухфазный и трехфазный токи. Плавным повышением тока зафиксировать ток срабатывания, проверить загорание соответствующих светодиодов и срабатывание сигнальных реле. Вызвать на дисплей или на персональный компьютер, если он подключен к устройству, блок 57, где замеряются фазные токи и блок 58, где измеряются величины дифференциального и тормозного токов. Токи в момент срабатывания дифференциальной защит, измеренные прибором испытательной установки и токи, измеренные на дисплее в фазах, в дифференциальной и тормозной цепях должны быть одинаковыми и равны начальному току срабатывания дифференциальной защиты. Плавно снизить ток и убедиться, что ток возврата защиты примерно равен 50% от тока срабатывания. Вызвать на дисплей блок эксплуатационных сообщений (блок 51) и убедиться, что появилось сообщение о срабатывании защиты, вызвать блок сигнала повреждения (блок 52), где должны быть зафиксированы пуск защиты, ее срабатывание и возврат, величина дифференциального тока в момент отключения. Величина дифференциального тока должна быть равна начальному току срабатывания.

Проверить время срабатывания защиты.
Следует напомнить, что ток срабатывания дифференциальной защиты устанавливается относительно номинального тока силового трансформатора. При однофазном и двухфазном испытаниях возможно изменение значения тока срабатывания из-за исключения тока нулевой последовательности из тока однофазного повреждения и из-за компенсации углового сдвига для нечетных групп соединения обмоток силового трансформатора при двухфазном коротком замыкании. В приведенной ниже таблице эти изменения учтены как коэффициент k= I_д/I_ср , где Iд − действительный ток срабатывания на входе защиты, I_ср – уставка начального тока срабатывания.

6. Снять тормозную характеристику реле. Так как дифференциальный и тормозной токи не могут быть поданы отдельно, то следует подать раздельно в первую и вторую обмотки совпадающие по фазе токи. Характеристика I₁/I₂ показана на рис. 6.8, где I₁ – испытательный ток, протекающий по обмотке 1, I₂ – испытательный ток, протекающий по обмотке 2. Токи более четырехкратных от номинального тока реле подавать кратковременно с последующей охлаждающей паузой.
7. Проверить ток срабатывания дифференциальной отсечки. Подать от  испытательной установки в одну из обмоток двухфазный ток, равный току срабатывания дифференциальной отсечки, снизить ток до тока возврата, отключить ток. Вызвать блоки 51 и 52 и проверить фиксацию срабатывания и возврата защиты, величину тока в момент отключения, убедиться, что ток, измеренный по прибору испытательной установки, ток по дисплею равны току срабатывания дифференциальной отсечки.
8. Провести опробование действия защиты на выключатель.
9. Проверить правильность подключения токовых цепей дифференциальной защиты от постороннего источника, используя блок 58 как прибор, измеряющий ток небаланса.
10. Проверить действие дифференциальной защиты при включении трансформатора на холостой ход.

Подключить персональный компьютер ко второму интерфейсу обслуживания. В блоке 2802 установить пуск записи повреждения по факту возбуждения, т.е. при превышении дифференциального тока выше 75% величины уставки начального тока срабатывания. Произвести три взятия трансформатора на холостой ход. После каждого включения по записи дифференциального тока и составляющей второй гармоники можно сделать вывод об эффективности блокировки при включении.

Текущее профилактическое обслуживание производится в сроки, предусмотренные в приложениях к РЭ. Поскольку устройство в большой степени себя контролирует, аппаратные и программные нарушения автоматически выявляются и сигнализируются, то не требуются текущие проверки характеристик срабатывания. При текущем профилактическом  обслуживании необходимо произвести внешний осмотр соединения устройства с трансформаторами тока и источником питания оперативным током, проверить сопротивление изоляции внешних цепей устройства, проверить аналоговые входы путем считывания рабочих измеряемых величин (блок 5700) и сравнение их с действительными величинами на входе устройства, замерить токи небаланса в дифференциальной цепи, произвести имитацию внутреннего короткого замыкания с током, равным четырехкратному току срабатывания для контроля аналоговых вводов при больших токах с воздействием на отключение выключателя.

Рис. 6.8. Характеристика дифференциальной защиты I₂ = f(I₁) для трансформаторной дифференциальной защиты

Расчет уставок срабатывания дифференциальной защиты

Расчет уставок срабатывания дифференциальной защиты заключается в определении четырех значений: начального тока срабатывания защиты с торможением, тока срабатывания дифференциальной отсечки и уставок блокировок от второй и пятой гармонических составляющих. Замедление на срабатывание и на возврат обычно в дифференциальных защитах не используют. Начальный ток срабатывания можно определить, исходя  из следующих соображений: тормозная характеристика дифференциальной защиты имеет линейный характер, перегиб характеристики происходит при токе внешнего короткого замыкания, равном примерно трехкратному номинальному току силового трансформатора (5,7/2 ≅ 3,0). Принимаем, что при этом токе погрешность трансформаторов тока с учетом переходного режима не превышает 2 •10%, максимально возможное регулирование напряжения в трехобмоточном трансформаторе может быть ±16% на стороне высшего напряжения и ± 5% на стороне среднего напряжения, т.е. суммарный диапазон регулирования напряжения ΔU_Σ = ± 21%, дополнительную погрешность − за счет погрешности АЦП, неточности выравнивания и т.п. можно принять 4%. Таким образом, максимальный ток небаланса на первом участке тормозной характеристики определяется с учетом (1 − 7, 1 − 10):

(6 – 4)

где k_пер − коэффициент, учитывающий переходный режим трансформаторов тока, k_пер = 2,0;
k_одн − коэффициент однотипности трансформаторов тока, для дифференциальной защиты трансформаторов, включенных на каждой стороне через один выключатель k_одн = 1,0;
ΔU_Σ − максимальный диапазон регулировки напряжения;
I_кз − ток внешнего короткого замыкания.
Максимально возможный относительный ток небаланса при внешнем коротком замыкании с током, равным I_кз∗ = 3,0:

I_нбΣ∗ = (2,0 • 1,0 • 0,1 + 0,21 + 0,04)3,0 = 1,35.

При этом же токе определяем ток срабатывания защиты по тормозной характеристике, учитывая, что тангенс угла наклона характеристики равен 0,25:

I_c.з∗= I_торм∗ • tg α,

а I_торм∗ равен с учетом погрешности трансформаторов тока:

I_торм∗ = 3 + 0,8 • 3 = 5,4, тогда Ic.з∗ = 5,4 • 0,25 = 1,35,

определяем коэффициент отстройки как k_отс = I_c.з/ I_нб∗

k_отс = 1,35/1,35 = 1,0.

Следовательно, защита не отстроена от тока небаланса, поэтому при таком большом диапазоне регулирования необходимо расчет тока небаланса вести по оптимальному положению регулятора напряжения, что дает уменьшение тока небаланса, а следовательно, увеличение отстройки защиты. В информации фирмы указывается, что от насыщения трансформаторов тока защита отстроена с помощью дополнительного критерия, а кроме того, при насыщении трансформаторов тока следует ожидать появления в дифференциальном токе небаланса второй гармоники и, следовательно, вывода из работы дифференциальной защиты блокировкой (для улучшения отстройки от тока небаланса в этом случае можно принять уставку блокировки от второй гармоники минимальной, равной 10%).

Учитывая выше изложенное, дифференциальная защита трехобмоточного трансформатора в особо утяжеленных условиях работать излишне не будет при токах внешнего короткого замыкания до 3I_ном трансформатора. При больших токах происходит перегиб тормозной характеристики с увеличением тангенса угла наклона тормозной характеристики и резкое увеличение тока срабатывания.

Проверим возможность отстройки дифференциальной защиты от тока небаланса в переходном режиме для двухобмоточного трансформатора только с помощью тормозной характеристики без выбора тока срабатывания по оптимальному положению регулятора напряжения. Используя те же выражения что и для расчета дифференциальной защиты трехобмоточного трансформатора, но с учетом, что ΔU = 16% получим:

I_нбΣ = (2,0 • 1,0 • 0,1 + 0,16 + 0,04)3 = 1,2.

Ток срабатывания дифференциальной защиты по тормозной характеристике

Ток срабатывания дифференциальной защиты по тормозной характеристике определен ранее I_с.з∗ = 1,35.
Коэффициент отстройки от тока небаланса: k_отс = 1,35/1,2 = 1,12 с учетом вышеизложенных дополнительных соображений по отстройке от тока небаланса при насыщении ТТ можно считать, что даже без выбора тока срабатывания по оптимальному положению регулятора дифференциальная защиты двухобмоточного трансформатора не будет работать излишне при внешнем коротком замыкании в пределах токов короткого замыкания до 3I_ном трансформатора.

При больших токах внешнего короткого замыкания на втором наклонном участке тормозной характеристики при токе внешнего короткого замыкания равном, например, пятикратному значению номинального Iкз = 5 ток небаланса по (6 – 4): I_нбΣ = (2,0 • 0,1 + 0,21 + 0,04)5 = 2,25.

При этом тормозной ток будет равен с учетом повышенной погрешности трансформаторов тока Iторм∗ = 5 + (1 − 0,2)5 = 9, где коэффициент 0,2 учитывает снижения тормозного тока одного плеча защиты за счет погрешности трансформатора тока.

Ток срабатывания защиты для второго наклонного участка тормозной характеристики с углом наклона 0,42 будет равен: I_c.з∗ = (9 − 2,5) • 0,42 = 2,73,  где 2,5 – точка пересечения второго наклонного участка тормозной  характеристики с осью тормозного тока, ISTAB/IN (рис. 6.5).

Коэффициент отстройки k_отс = 2,73/2,25 = 1,21.
Необходимо еще раз заметить, что в переходном режиме больших токов внешнего короткого замыкания следует ожидать появления во вторичном токе составляющей второй гармоники и блокировки действия дифференциальной защиты с торможением, а также увеличения торможения за счет дополнительного критерия при насыщении ТТ.

Таким образом, во всем диапазоне токов внешнего короткого замыкания обеспечивается недействие дифференциальной защиты.

Начальный ток срабатывания дифференциальной защиты с торможением выбираем по условию обеспечения отстройки от тока небаланса из-за увеличения погрешности измерения, особенно в случае большого отличия номинального тока силового трансформатора от номинального тока  трансформаторов тока. По этому требованию начальный ток срабатывания защиты может быть принят 0,2 – 0,3 номинального тока.

Ток срабатывания дифференциальной отсечки

Ток срабатывания дифференциальной отсечки выбираем по двум условиям: отстройки по току от броска тока намагничивания и отстройки от максимального тока небаланса в переходном режиме внешнего короткого замыкания. Этот ток срабатывания может быть принят равным,

где U_КЗ – напряжение короткого замыкания трансформатора в процентах от номинального напряжения при среднем положении регулятора напряжения, k_н = 1,2.

Чувствительность защиты всегда обеспечивается, так как угол наклона тормозной характеристики более чем в два раза меньше угла наклона линии повреждения в зоне (линия повреждения соответствует I_раб = I_торм, рис. 6.5).

Уставка блокировки от второй гармонической составляющей может быть принята I_2fn/I_fn = 15%.
Уставки блокировки от пятой гармонической составляющей выбираем из следующих соображений: в соответствии с ПУЭ допустимое время режима перевозбуждения с кратностью В_м/В_ном = 1,3 равно 20 с, а В_м/В_ном = 1,58 равно 1 с. Принимаем, что при перевозбуждении с кратностью 1,3 – 1,5 при отсутствии специальной защиты от перевозбуждения излишнее действие дифференциальной защиты даже желательно. Определяем отношение пятой гармоники к первой при значении максимальной индукции В_м/В_ном = 1,5. Согласно [2] при Вм/Вном = 1,5 отношение пятой гармоники к первой равно 30%, принимаем I_5fn/ If_n = 30 − 40%.

В новой версии дифференциальной защиты 7UT51 V.3  для улучшения отстройки дифференциальной защиты от токов небаланса предусматривается возможность регулировки наклона первого и второго наклонных участков тормозной характеристики. Диапазоны регулирования наклона первого участка от 0,1 до 0,5, а второго – от 0,25 до 0,95. Как и в версии V.2, первый наклонный участок исходит из начала координат и от этой характеристики отсекается горизонтальный участок – начальный ток срабатывания. Начало второго наклонного участка, т.е. пересечение продолжения прямой второго наклонного участка с осью тормозного тока (I_Stab/I_N), также регулируется в пределах от 0 до 10 I_N. Все уставки дифференциальной защиты приведены к номинальному току силового трансформатора.

Конкретизировано понятие «дополнительное торможение» при насыщении трансформаторов тока. Дополнительное торможение представляет собой подъем тормозной характеристики при достижении тормозного тока заданного значения (регулируется в пределах от 5 до 15I_N). Тормозная характеристика увеличивается на величину, соответствующую дифференциальному току, полученному умножением тормозного тока на половину наклона первого наклонного участка.

Тормозная характеристика дифференциальной защиты устройства 7UT51 версии V.3 приведена на рис. 6.9. Четырехзначные цифры на характеристике обозначают номера блоков, в которых устанавливается соответствующий параметр.

Рис. 6.9. Тормозная характеристика дифференциальной защиты устройства 7UT51 V.3

Ток срабатывания дифференциальной защиты устройства 7UT51 версии V.3

Ток срабатывания дифференциальной защиты устройства 7UT51 версии V.3 определяем, используя рекомендации по выбору тока срабатывания дифференциальной защиты типа SPAD 346C (см. раздел 8, с. 150). Для повышения чувствительности защиты при малых токах повреждения, когда по трансформатору будет протекать сквозной (тормозной) ток нагрузки, наклон первого наклонного участка тормозной характеристики должен быть минимальным. Для этого, считая, что до тока, равного 1,5 Iном силового трансформатора, трансформаторы тока не будут насыщаться, будем производить выбор наклона тормозной характеристики по условию отстройки от тока небаланса в условиях установившегося режима, т.е. k_пер = 1,0. В точке, соответствующей 1,5 I_ном силового трансформатора принимаем перегиб тормозной характеристики, т.е. переход на второй наклонный участок, тангенс наклона которого будет определять по условию отстройки от тока небаланса уже в переходном режиме работы трансформаторов тока (т.е. k_пер = 2,0−2,5) при сквозном токе, равном 2,5 I_ном. Так как тормозной ток в защите равен арифметической сумме токов, то сквозным токам 1,5 и 2,5 I_ном соответствуют тормозные токи 3,0 и 5 I_ном.

Ток срабатывания дифференциальной защиты при сквозном токе, равном 1,5 Iном определяем по выражению (6-4), принимая k_н = 1,2:
I_с.з.∗ = 1,2 (1,0 • 1,0 • 0,1 + 0,21 + 0,04) • 1,5 = 0,63, принимая, что защита установлена на трехобмоточном трансформаторе с регулировкой напряжения на одной стороне Δu = ± 16%, на другой Δu = ± 5%.
Чтобы обеспечить такой ток срабатывания при тормозном токе, равном 3I_ном, необходимо, чтобы наклон тормозной характеристики был не менее:
S₁ ≥ I_c.з∗/I_торм∗ = 0,63/3 = 0,21.
Наклон второго наклонного участка тормозной характеристики определяем по условию отстройки от тока небаланса при токе 2,5 I_ном при k_пер = 2,0:
I_c.з∗ = 1,2(2,0 • 1,0 • 0,1 + 0,21 + 0,04) 2,5 = 1,35.
Наклон второго наклонного участка тормозной характеристики будет определяться:

Принимаем к уставке наклон второго наклонного участка тормозной характеристики S₂ = 0,4.
Тормозной ток, при котором произойдет пересечение продолжения второго наклонного участка тормозной характеристики с осью тормозного тока (I_stab/I_N), определяем по точке пересечения двух наклонных участков с координатами I_торм∗ = 3,0 и I_c.з∗= 0,63 и выбранному наклону S₂ = 0,4.
Величина тока, отсекаемая по тормозной характеристики и I_торм∗ = 3,0 будет равна 0,63/0,4 = 1,6. Точка пересечения продолжения второго наклонного участка тормозной характеристики с осью тормозного тока: 3,0 −1,6 = 1,4.

Для повышения надежности отстройки дифференциальной защиты от тока небаланса при насыщении трансформатора тока принимаем величину тормозного тока, при котором будет введено дополнительное торможение, равное 6,0I_N.

В устройстве предусматривается регулировка времени, в течение которого вводится дополнительное торможение (от 2,0 до 250 периодов переменного тока промышленной частоты). Ориентировочно можно принять это время – 200 периодов. Завышение этого времени не представляет опасности, так как в случае повреждения в зоне действия во время введенного дополнительного торможения через два периода промышленной частоты дополнительное торможение принудительно выводится.

Для блокировки дифференциальной защиты при броске тока намагничивания или в режиме перевозбуждения дополнительно к блокировке по второй гармонической составляющей можно использовать третью или четвертую или пятую гармоники. При броске тока намагничивания можно дополнительно использовать блокировку четвертой гармоникой, но в подавляющем случае достаточно блокировки только второй гармоникой. При перевозбуждении появляются нечетные гармоники, но следует иметь в виду, что применение третьей гармоники не эффективно при соединении трансформаторов тока в треугольник. Потому, если потребуется отстройка от перевозбуждения, то следует использовать блокировку пятой гармоникой.

Остальные уставки дифференциальной защиты (мощность, номинальные напряжения обмоток, коэффициенты трансформации трансформаторов тока, схемы соединения обмоток и т.д.) выбираются так же, как и в версии V.2.

Уставки в дифференциальной защите устройства 7VT51 версии V.3 

Таким образом, на дифференциальной защите устройства 7VT51 версии V.3 должны быть выставлены следующие уставки:

• в блоке 1603⏐I_DIFF > I/I_nT_r – 0,30 – начальный ток срабатывания дифференциальной защиты, отнесенный к номинальному току силового трансформатора;
• в блоке 1604⏐IDIFF > I/I_nT_r – 1/2 • 100/u_КЗ – ток срабатывания дифференциальной отсечки, отнесенный к номинальному току силового трансформатора;
• в блоке 1606⏐SLOPE1 – 0,21 – наклон первого наклонного участка тормозной характеристики;
• в блоке 1607⏐BASE PT2 I/I_nT_r – 1,4 – точка пересечения продолжения второго наклонного участка с осью тормозного тока;
• в блоке 1608⏐SLOPE2 – 0,4 – наклон второго наклонного участка тормозной характеристики;
• в блоке 1610⏐2nd HARMON ON – введена блокировка второй гармоникой;
• в блоке 1611⏐2nd HARMON 15% – уставка блокировки второй гармоникой;
• в блоке 1612⏐CROSS 2HM – использование блокировки дифференциальной защиты других фаз при превышении уставки блокировки хотя бы в одной фазе: при уставке в этом блоке «0» означает, что блокировка индивидуальна для каждой фазы, установка любой значащейся цифры означает число периодов, в течение которых будет введена взаимная блокировка, «∞» – означает, что взаимная блокировка введена на все время, пока существует вторая гармоника;
• в блоке 1613⏐n. HARMON 5th HARMONIC – для примера выбрана пятая гармоника для блокировки защиты;
• в блоке 1614⏐n. HARMON – 40% – уставка n гармоники в процентах от основной (в примере для 5-й гармоники);
• в блоке 1615⏐CROSS и HM – аналогично блоку 1612, но для выбранной гармоники (5-й гармоники в примере);
• в блоке 1616⏐IDIFF max n – торможение n гармоникой действует до величины дифференциального тока 0,5 – 20 I_N трансформатора. Для пятой гармоники может быть принята фирменная уставка 1,5 I/I_nT_r ;
• в блоке 1617⏐T – SAT – BLO – ≈ 3 T₁ – время ввода дополнительного торможения; в периодах промышленной частоты;
• в блоке 1618⏐T – SAT – RESTR – I/InTr – величина тормозного тока, при котором происходит ввод дополнительного торможения;
• в блоке 1625 и 1626 DELAY> и DELAY>> следует установить «0» – не вводить дополнительную выдержку времени первой и второй ступеней дифференциальной защиты;
• в блоке 1627 ⏐RESET – 0,05 с – время возврата дифференциальной защиты.

Кроме изменения тормозной характеристики дифференциальной защиты, в версии V.3 введены дополнительные защитные функции. Ниже коротко рассмотрены дополнительные возможности.
Добавлена функция дифференциальной защиты ошиновки: две ветви в устройстве 7UT512, три – в 7UT513.
Защита от перегрузки, как и в версии V.2, может быть выполнена независимо на двух обмотках трансформатора.

Введена функция двухступенчатой максимальной токовой защиты. Первая, грубая ступень, с током срабатывания от 0,1 до 30 от номинального тока той обмотки, к которой подключена защита. Выдержка времени – независимая, от 0 до 32 с или «∞» – защита выведена из работы. Вторая ступень может быть выбрана с независимой выдержкой времени или с зависимой от тока выдержкой времени. Предусмотрена возможность выбора трех зависимых характеристик: нормальной, очень зависимой и экстремально зависимой (согласно IEC 255-3). При включении выключателя (опробовании) есть возможность ускорения любой по выбору ступени до нуля.

Для устройства 7UT513 можно заказать дополнительную установку еще двух функций: корпусной защиты и ограниченной земляной защиты. Для осуществления корпусной защиты в устройстве имеется дополнительный вход с высокочувствительным реагирующим органом (ток срабатывания от 10 до 1000 мА), но защиту можно подключить и к другому входу с более грубым диапазоном уставок. Для выполнения корпусной защиты необходимо, чтобы бак трансформатора был изолирован от фундамента и в соединении бака с землей установлен трансформатор тока.

Ограниченная земляная защита

Ограниченная земляная защита представляет максимальную токовую защиту, установленную в нейтрали силового трансформатора. Для повышения чувствительности защиты при однофазных коротких замыканиях внутри обмотки трансформатора, когда чувствительность дифференциальной защиты может оказаться недостаточной, максимальная токовая защита в нейтрали трансформатора должна иметь небольшой ток срабатывания. Поэтому для предотвращения излишней работы защиты из-за погрешности трансформатора тока при повреждении вне обмотки, следует предусмотреть торможение от тока со стороны фазных выводов. С другой стороны, чтобы не загрублять защиту при повреждении внутри обмотки торможение должно быть минимальным, а в пределе равно нулю. Для выполнения этих требований тормозной ток формируется по следующему алгоритму:

где 3I’_o – ток от трансформатора тока, установленного в нейтрали силового трансформатора;
3I”_o – ток нулевой последовательности от трансформаторов тока, установленных на выводах той же обмотки, где заземлена нейтраль, т.е. 3I”_o = I_A + I_B + I_C;
K – коэффициент стабилизации, назначение которого будет объяснено далее.
Рабочий ток равен току в нейтрали трансформатора:

I_REF = ⏐I’o⏐.

В реагирующем органе происходит сравнение абсолютного значения тока в нейтрали и абсолютного значения тормозного тока. Если разность тока больше уставки срабатывания, то функция выдает сигнал на отключение. Когда значение тормозного тока получается отрицательным, то торможение полностью снимается.

Для объяснения влияния тормозного тока рассмотрим два случая повреждения: в зоне работы и вне зоны. Но предварительно необходимо определить положительные направления токов. За положительные направления токов принимаем направления токов в сторону защищаемой обмотки трансформатора. Тогда при коротком замыкании в обмотке ток в нейтрали и ток нулевой последовательности со стороны фазных выводов будут положительными, а при внешнем однофазном коротком замыкании ток в нейтрали остается положительным, а ток нулевой последовательности со стороны фазных выводов – отрицательным.

Определим величины тормозного и рабочего токов при повреждении вне зоны действия защиты при условии, что погрешность трансформаторов тока отсутствует, а следовательно, 3I’_o = – 3I”_o, принимаем К = 1,0:

т.е. тормозной ток в два раза превышает рабочий ток, и функция не будет выдавать сигнал на отключение.
Определяем величины тормозного и рабочего токов в режиме внутреннего повреждения при условии, что со стороны фазных выводов нет питания, т.е. 3I”_o = 0:

Следовательно, рабочий ток равен току в нейтрали трансформатора, а тормозной ток равен нулю.
Определим те же величины при наличии питания со стороны фазных выводов. Для примера принимаем, что ток 3I”_o = – 2 • 3I’_o :
Так как тормозной ток отрицателен, то торможение полностью снимается и в реагирующий орган подается только ток нейтрали трансформатора.

При внешнем повреждении только первичные токи нулевой последовательности в нейтрали и на фазных выводах будут равны, вторичные токи за счет погрешности трансформаторов тока могут отличаться по величине и по углу, поэтому для повышения селективности защиты предусмотрена блокировка защиты при углах между токами 3I’_o и 3I”_o, превышающих заданную уставку по углу. Можно установить пять уставок по углу: 1300, 1200, 1100, 1000, 900. Для обеспечения блокировки (тормозной ток должен быть заведомо больше рабочего) коэффициент стабилизации К в устройстве выбран следующим в зависимости от выбранного угла блокировки:

Необходимость корректировки величины коэффициента стабилизации объясняется тем, что при углах, близких к 900, тормозной ток приближается к нулю.

При углах ϕ < 90⁰ защита всегда будет иметь ток срабатывания, равный току в нейтрали трансформатора.
В отличие от версии V.2 в новой версии есть возможность установки до четырех групп уставок, которые могут переключаться либо дистанционно, либо на месте установки.

В устройстве версии V.3 помимо стандартного набора выявления неисправности в программной и аппаратной частях, которые закладываются в цифровых защитах, выполнен контроль исправности входных токовых цепей.

Контроль построен на проверке симметрии входного трехфазного тока. Для этого из трех токов выбирается максимальный и минимальный и их отношение сравнивается с заданной уставкой (SYM. Fact. I). ⏐I_min⏐⁄⏐I_max⏐< SYM. Fact. I. Величина уставки линейно увеличивается по мере возрастания тока I_max ⁄ I_N.

Технические данные

Примечание: В скобках указаны величины версии V.3, отличающиеся от величин версии V.2.