Терминал защиты трансформатора «Сириус-Т» / «Сириус-Т3»

ЗАО «Радиус Автоматика» выпускает микропроцессорные защиты трансформаторов «Сириус-Т» для двухобмоточных трансформаторов [40] и «Сириус-Т3» для трехобмоточных трансформаторов [41] со следующими функциями защит и управления:

• двухступенчатая дифференциальная защита (подробнее будет описано далее);
• двухступенчатая трехфазная максимальная токовая защита стороны высшего напряжения с независимыми времятоковыми характеристиками.

Предусмотрена возможность внутренней сборки цепей тока в «треугольник» для предотвращения срабатывания при однофазных коротких замыканиях в питающей сети. Для подключения внешней вольтметровой блокировки со стороны обмотки низшего и среднего напряжения для трехобмоточного трансформатора по схеме «ИЛИ» предусмотрен специальный дискретный вход.

Для отстройки максимальной токовой защиты при включении силового трехобмоточного трансформатора на холостой ход может быть введена блокировка по второй гармонике из функции дифференциальной защиты, блокировка независима для каждой ступени;

• максимальная токовая защита на стороне низшего, а для трехобмоточного трансформатора и на стороне среднего напряжения с двумя независимыми выдержками времени: с первой – на отключение выключателя своей стороны, со второй − на отключение выключателя высшего напряжения. Также имеется дискретный вход для подключения вольтметровой блокировки;
• ускорение действия максимальных защит высшего и низшего напряжения при включении выключателей (только для двухобмоточных трансформаторов);
• защита от перегрузок с действием на сигнал (светодиод «Перегрузка»), контролирует ток в трех фазах на всех сторонах силового трансформатора, уставка по току независима для каждой стороны трансформатора;
• управление обдувом трансформатора контролирует ток каждой фазы со всех сторон силового трансформатора, уставки по току пуска обдува задаются отдельно для всех сторон трансформатора. Кроме контроля тока для формирования сигнала пуска и остановки обдува, предусмотрены два дискретных входа от датчиков температуры;
• блокировка РПН при превышении тока стороны высшего напряжения уровня опасного для работы РПН, контролирует токи трех фаз;
• резервирование отказа выключателей формирует сигнал с выдержкой времени на отключение смежных выключателей при срабатывании собственных защит трансформатора или при сигнале пуска УРОВ на дискретном входе устройства.
  

  Для повышения надежности предусмотрена возможность контроля тока в цепи пуска УРОВ от дискретного входа;

• дискретные входы с действием на отключение трансформатора от газовых защит трансформатора и РПН и от технологических защит, и два входа внешнего отключения, последние могут быть заблокированы током аналогичного как для пуска УРОВ;
• дискретные входы на сигнал от газовой защиты, пуска технологической защиты, перегрева;
• корректировка погрешности работы дифференциальной защиты из-за работы регулятора напряжения РПН путем контроля соотношения токов сторон в нагрузочном режиме (сравниваются только токи фазы А), однако корректировка работает только при нагрузках не менее 20% от номинальной и действует медленно.

Как у всех цифровых защит, в устройстве «Сириус» имеется внутренняя диагностика, которая при неисправностях выводит устройство из работы, два порта связи RC232С и токовая петля (RS485), регистратор событий, который привязан к астрономическому времени и фиксирует любые пуски защит, приход дискретных сигналов, внутренние неисправности, осциллографирования всех фазных и дифференциальных токов при действии защит на отключение.

Кроме программного вывода/ввода (функция − «Откл/вкл.»), имеется возможность оперативного ввода/вывода с помощью тумблеров на передней панели дифференциальной защиты, максимальных токовых защит сторон высшего, среднего и низшего напряжения, УРОВ, газовых защит трансформатора и РПН.

Два выходных реле и два светодиода на передней панели могут быть программно подключены к выбранным точкам функциональной схемы.

Функция дифференциальной защиты в “Сириус-Т”

Дифференциальная защита имеет две ступени: в заводской информации ДЗТ-1 (быстродействующая дифференциальная токовая отсечка) и ДЗТ-2 (чувствительная токовая защита с торможением от сквозного тока и отстройкой от бросков тока намагничивания). Кроме этого, предусмотрен контроль исправности токовых цепей, в заводской информации − ДЗТ-3.

Устройство контроля выполнено в виде сигнализации небаланса в плечах дифференциальной защиты.

При превышении дифференциального тока любой фазы уставки «I_диф/ I_ном» с выдержкой времени (уставка «Т» с) загорается светодиод «Небаланс ДЗТ», замыкаются контакты реле «Внешняя неисправность» и загорается светодиод «Внешняя неисправность».

Для выравнивания вторичных токов с разных сторон силового трансформатора и для компенсации углового сдвига первичных токов при соединении обмоток силового трансформатора в «треугольник» в меню раздела «Уставки» и далее «Общие ДЗТ» установить «I_ном ВНтр» – номинальный вторичный ток обмотки ВН трансформатора (на среднем или оптимальном ответвлении РПН); «I_ном СНтр» и «I_ном ННтр» – номинальные вторичные токи обмоток СН и НН силового трансформатора; «Группа ТТ ВН», «Группа ТТ СН» и «Группа ТТ НН» − группы сборки на сторонах ВН, СН и НН, собираемые цифровым путем; «Размах РПН% − размах регулировки РПН в % от среднего (оптимального) положения; «Сторона РПН» – сторона силового трансформатора, на которой установлено РПН.

Система компенсации углового сдвига первичных токов

Измерительные трансформаторы тока, к которым подключается устройство «Сириус» соединяются по схеме «звезда», а необходимое выравнивание углов вторичных токов осуществляется внутри устройства. В соответствии с заводской информацией [40] «звезда» трансформаторов тока может иметь одну из двух групп «0» или «6» согласно рис. 11.1.

При соединении в нулевую группу вторичные токи сохраняют направление, соответствующее первичным (тип 1), при соединении в шестую группу вторичные токи направлены встречно первичным (тип 2).

В качестве уставок, которые обеспечивают угловую компенсацию и исключают токи нулевой последовательности, если это требуется, устанавливается группа, собираемая в «треугольник» цифровым путем.

Рис. 11.1. Соединение ТТ в нулевую и в шестую группы

В табл. 11-1 и 11-2, взятых из [40], приводятся две разновидности групп соединения силовых трансформаторов, сборки измерительных трансформаторов тока и соответствующие им группы, собираемые цифровым путем, последние и устанавливаются  в качестве уставок в пунктах меню «Группа ТТ…».

Таблица 11-1

Группы цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов по схеме «звезда−треугольник»

Таблица 11-2

Группы цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов c четными группами соединений первичных обмоток

Трехобмоточный трансформатор можно условно разбить на два двухобмоточных трансформатора с соответствующим соединением обмоток ВН-СН и ВН-НН. Выбор групп, собираемых цифровым путем, следует производить как для пары двухобмоточных трансформаторов в соответствии с табл. 11-1 и 11-2, при этом необходимо, чтобы группа, собираемая цифровым путем, для обмотки ВН была одинакова для обоих условных двухобмоточных силовых трансформаторов.

Правильность заданных уставок можно проверить при включении силового трансформатора под нагрузку или при питании от постороннего источника. В режиме «Контроль» замеряются:

• первичные и вторичные токи фаз А, В, С на всех сторонах силового трансформатора;
• вторичные дифференциальные и тормозные токи и их относительные значения, приведенные к номинальному току стороны ВН;
• координаты трех характерных точек тормозной характеристики: конец горизонтального участка, точка перегиба наклонных участков характеристики и точка, расположенная на третьем (втором наклонном) участке;
• векторные диаграммы токов фаз А, В, С со всех сторон трансформатора в величинах и углах до поворота (на входе устройства) и после поворота, выполняемого внутри устройства.
  

  При первичных токах нагрузки более 0,1I_ном токи одноименных фаз с разных сторон силового трансформатора должны быть направлены навстречу друг другу в режиме двухобмоточного трансформатора.

Для принятого положительного направления токов в сторону силового трансформатора устройство формирует дифференциальный ток:

(11 – 1)

То же для тормозного тока:

(11 – 2)

(11 – 3)

Тормозная характеристика приведена на рис. 11.2, и она одинакова для обоих устройств. Диапазон изменения минимального тока срабатывания «I_d1/ I_ном» = 0,3÷1,0; коэффициент торможения второго участка характеристики k_торм = 10÷100%, точка перегиба тормозной характеристики в точке «С» I_m2/ I_ном» = 1÷3,0.

Рис. 11.2. Тормозная характеристика ступени ДЗТ-2

Тормозная характеристика определяется уставками:
«I_d1/ I_ном» − минимальный дифференциальный ток (отнесенный к I_ном. ВН) срабатывания;
«k_торм,%» − коэффициент торможения второго участка характеристики;
«I_m2/ I_ном» − точка второго излома характеристики.

Характеристика имеет три участка:

1. УЧАСТОК 1 (отрезок А−В): точка В (точка первого излома характеристики) получается как пересечение уставки «I_d1/ I_ном» с прямой, проходящей через начало координат и точку С. На данном участке дифференциальный ток, необходимый для отключения, постоянный;
2. УЧАСТОК 2 (между точками В и С): точка С определяется двумя уставками – наклоном прямой «k_торм,%» и «I_m2/ I_ном»;
3. УЧАСТОК 3 (правее точки С): начало лежит в точке С, наклон участка постоянен и равен 60⁰.

Следует отметить, что тормозные характеристики устройства «Сириус» похожи на ранее рассмотренные тормозные характеристики устройства SPAD 346C для устройства «Сириус-Т» и устройства RET 316 для «Сириус-Т3».

Для предотвращения ложной работы дифференциальной защиты (ДЗТ-2) от броска тока намагничивания предусматривается вывод защиты из работы, если отношение действующего значения второй гармоники к действующему значению первой гармоники дифференциального тока превышает уставку «I_d2/ I_d1» (диапазон 0,06 − 0,2 I_ном ВН). В заводской информации указывается, что предусмотрен специальный анализ дифференциального тока, позволяющий снимать блокировку по второй гармонике в случае насыщения трансформаторов тока при повреждении в трансформаторе, что должно предотвратить замедление срабатывания дифференциальной защиты.

Дифференциальная токовая отсечка (ДЗТ-1) выполнена без блокировки от второй гармоники и не имеет торможения.

Она работает при превышении действующего значения первой гармоники дифференциального тока уставки «I_диф/ I_ном» (диапазон 4 − 30 I_ном ВН). Кроме того, дифференциальная отсечка может работать, когда мгновенное значение дифференциального тока в течение 3 мс (три отсчета) превышает 2,5 Iдиф/ I ном. Контроль мгновенного тока устанавливается параметром «Мгнов. знач» − «Откл/Вкл».

Предусмотрена работа дифференциальных защит ДЗТ-1 и ДЗТ-2 с дополнительными выдержками времени (диапазон 0 − 3 с), однако нормально дифференциальные защиты должны работать без дополнительного замедления, т.е. с собственным временем срабатывания, поэтому параметр «Т» следует установить в положение «О» с.

Собственное время срабатывания, включая время срабатывания выходного реле, равно для дифференциальной отсечки – 20÷35 мс, для дифференциальной защиты с торможением – 45÷67 мс.
Если со стороны обмотки низшего напряжения установлены трансформаторы тока только на фазах А и С, то необходимо в разделе «Уставки» и далее «Уставки общие» параметр «ТТ фазы В» установить в положение «Откл.» В этом случае дифференциальная защита будет функционировать в двухфазном исполнении, хотя ток фазы В будет фиксироваться как сумма токов фаз А и С с обратным знаком.

Расчет уставок срабатывания дифференциальной защиты для терминала Ситиус-Т

Выбору подлежат следующие параметры:
– ДЗТ-2 – дифференциальная защита с торможением:
«I_d1/ I_ном» − базовая уставка защиты (ток срабатывания в горизонтальном участке тормозной характеристики);
«k_торм,%» − коэффициент торможения второго участка тормозной характеристики;
«I_m2/ I_ном» − вторая точка излома тормозной характеристики;
«I_d12/ I_d21» − уставка блокировки от второй гармоники дифференциального тока.
− ДЗТ-1 – дифференциальная токовая отсечка:
«I_диф/I_ном» − ток срабатывания дифференциальной отсечки по действующему значению.
− ДЗТ-3 − сигнализация увеличения тока небаланса:
«I_диф/ I_ном» − ток срабатывания сигнализации увеличения тока небаланса (неисправность токовых цепей дифференциальной защиты);
«Т,с» − время замедления срабатывания сигнализации.

Для двухобмоточного трансформатора

Базовую уставку «I_d1/ I_ном» можно установить 0,3 I_ном.
Точку излома тормозной характеристики «Im2/ Iном» можно принять −1,5÷2,0.
Коэффициент торможения «k_торм,%» определяем по условию отстройки действия защиты от тока небаланса при токах внешнего (сквозного) короткого замыкания до второй точки излома тормозной характеристики по известной формуле (например, 6 − 4):

(11 – 4)

где k_пер − коэффициент, учитывающий увеличение погрешности трансформаторов тока при переходных режимах;
k_пер = 2,0÷3,0 – больший коэффициент следует принимать при двигательной нагрузке превышающей 50% мощности трансформатора;
k_одн = 1,0 − коэффициент однотипности трансформаторов тока;
ε = 0,1 − погрешность трансформаторов тока в установившемся режиме;
ΔU_рег − максимальный диапазон регулировки напряжения от среднего (оптимального) положения регулятора напряжения;
fi – коэффициент, учитывающий неточности выравнивания, погрешности АЦП и т.п. f_i = 0,04.
Хотя в устройствах «Сириус-Т» и «Сириус-Т3» предусмотрена коррекция выравнивания токов при изменении положения РПН, однако эта коррекция работает медленно и только при нагрузке на трансформаторе более 20%. Поэтому при расчете тока небаланса следует учитывать полностью составляющую тока небаланса за счет регулирования напряжения.
Для отстройки от тока небаланса дифференциальная защита должна срабатывать при дифференциальном токе, равном:

(11 – 5)

где k_отстр − коэффициент отстройки, можно принять k_отстр = 1,2÷1,3.
Так как второй участок тормозной характеристики проходит через начало координат, то коэффициент торможения определяется:

(11 – 6)

где I_диф из (11− 5).
При внешнем повреждении приведенные первичные токи одинаковы, а вторичные токи отличаются на величину I_нб, поэтому в дифференциальной цепи от трансформатора тока одной стороны полный ток повреждения, а от трансформатора тока другой стороны ток повреждения, уменьшенный на ток небаланса. Поэтому тормозной ток будет равен

(11 – 7)

В формуле (11−7) принято, что ток небаланса имеет то же направление, что и ток короткого замыкания, поэтому снижение тормозного тока определяется как арифметическая разность.
Коэффициент снижения тормозного тока будет:

(11 – 8 )

Тогда с учетом (11-4), (11-5), (11-6) и (11-8) определяем коэффициент торможения:

(11 – 9)

Первая точка излома тормозной характеристики (конец горизонтальной линии) определяется автоматически по выражению:

(11 – 10)

Уставка блокировки от второй гармоники I_dr2/ I_dr1 можно принять 0,15.

Для трехобмоточного трансформатора

Дифференциальная защита трехобмоточного трансформатора отличается от дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора только формированием тормозного тока.

С целью лучшей отстройки от токов небаланса при внешнем коротком замыкании тормозной ток определяется с учетом угла между токами разных сторон трансформатора (11−3). Как и для двухобмоточного трансформатора, коэффициент торможения определяем с учетом снижения тормозного тока за счет тока небаланса. Предполагается, что вторичные токи с разных сторон силового трансформатора сдвинуты друг относительно друга на 180º, а следовательно, φ = 0 и cos φ = 1,0.

(11 – 11)

Коэффициент снижения тормозного тока:

(11 – 12)

Коэффициент торможения определяется по следующему выражению:

(11 – 13)

Остальные уставки такие же, как и для двухобмоточного трансформатора.

Следует обратить внимание, что при определении коэффициента снижения тормозного тока принималось совпадение по фазе тока небаланса с током короткого замыкания. Это приводит к некоторому увеличению k_торм, а следовательно, к загрублению дифференциальной защиты. Коэффициент, учитывающий увеличение погрешности трансформаторов тока в переходном режиме, не учитывает область применения дифференциальной защиты.

Поэтому лучше для выбора коэффициента торможения воспользоваться методикой, предложенной для устройства RET 316.

Выбор тока срабатывания дифференциальной токовой отсечки (ДЗТ-1) производят по двум условиям:

• отстройка от броска тока намагничивания силового трансформатора;
• отстройка от максимального тока небаланса в переходном режиме максимального тока внешнего короткого замыкания.

Определяющим является второе условие, по которому ток срабатывания дифференциальной токовой отсечки определяется по следующему выражению

(11 – 14)

где k_отстр = 1,2;
I_{КЗ вн макс*} − отношение максимального значения тока внешнего короткого замыкания к номинальному току трансформатора;
k_нб(1) − отношение амплитуды первой гармоники тока небаланса к приведенной амплитуде периодической составляющей тока внешнего короткого замыкания. Если со всех сторон силового трансформатора установлены трансформаторы тока с номинальным вторичным током 5 А, то k_нб(1) = 0,7. Если хотя бы с одной стороны силового трансформатора установлены трансформаторы тока с номинальным вторичным током 1 А, то kнб(1) = 1,0. Ток срабатывания сигнализации небаланса в плечах дифференциальной защиты (ДЗТ-3) принимаем I_д/I_ном = 0,1, а время срабатывания T = 10 с.