Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса


Принцип действия продольных защит основан на первом законе Кирхгофа.

Условная схема дифференциальной защиты

Если принять за узел защищаемый объект (рис. 1.1) и фиксировать ток на всех ветвях, связывающих защищаемый объект (узел) с внешней сетью, то при повреждении на отходящей ветви сумма токов, входящих и выходящих из узла, будет равна нулю.
Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса

Рис. 1.1. Схема дифференциальной защиты с циркулирующими токами

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса
При повреждении защищаемого объекта (КЗ в узле) сумма токов по ветвям будет равна току короткого замыкания.

По схеме на рис. 1.1 в нормальном нагрузочном режиме и при внешнем коротком замыкании (на исходящей ветви, за трансформатором тока в сторону сети) во вспомогательных проводах, соединяющих вторичные обмотки трансформаторов тока, циркулируют токи, равные вторичным токам ТТ.

Поэтому такое выполнение продольной дифференциальной защиты именуется схемой с циркулирующими токами. Другим вариантом исполнения дифференциального принципа (рис. 1.2) является схема с уравновешенными напряжениями, в которой вторичные обмотки ТТ соединяются между собой последовательно, и в эту же цепь включен реагирующий орган (дифференциальное реле). Считается, что одноименные концы первичной и вторичной обмоток ТТ расположены с одной стороны. Ток в реле будет равен:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса (1–1)

где Z – сумма сопротивлений вспомогательных проводов, обмотки реле и обмоток ТТ.

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небалансаРис. 1.2. Схема дифференциальной защиты с уравновешенными напряжениями

В нормальном режиме и коротком замыкании вне зоны действия Е1 = Е2 и направлены в противоположные стороны, ток в реле равен нулю.

При повреждении в защищаемой зоне Е1 ≠ Е2, но направлены в одну сторону, ток в реле не равен нулю и, если он превышает ток срабатывания, то защита отключит поврежденный элемент.

В схеме с уравновешенными напряжениями в нормальном режиме и внешних коротких замыканиях токи во вторичных обмотках ТТ отсутствуют, и ТТ работают в режиме холостого хода. Это может привести к недопустимому перегреву ТТ и появлению высоких напряжений во вторичных цепях, поэтому схема с уравновешенными напряжениями со стандартными трансформаторами тока по рис. 1.2 не применяется, обычно устанавливаются специальные промежуточные ТТ. Кроме того, схема требует использования максимально близких по характеристикам ТТ. Таким образом, схема с уравновешенными напряжениями получается более сложной, чем с циркулирующими токами, и поэтому она получила ограниченное применение.

В свою очередь схема с циркулирующими токами может выполняться в двух вариантах: с малым сопротивлением и с большим сопротивлением дифференциальной цепи реле.

Достоинством схемы с малым сопротивлением дифференциального реле является шунтировка измерительных ТТ, что максимально устраняет их влияние друг на друга.

Достоинством схемы с большим сопротивлением дифференциальной цепи является автоматическое загрубление защиты при насыщении какого-либо ТТ при внешнем КЗ, так как в этом случае малое сопротивление ветви намагничивания насыщенного ТТ шунтирует дифференциальную цепь, уменьшая ток (напряжение) небаланса.

Чаще всего схема с большим сопротивлением дифференциальной цепи применяется при выполнении дифференциальных защит шин, где возможно глубокое насыщение ТТ на том присоединении, где произошло внешнее для дифференциальной защиты КЗ и в чувствительных дифференциальных защитах от замыканий на землю. В настоящее время в связи с уменьшением затрат на реализацию сложных алгоритмов при переходе на электронную элементную базу изготовления реле, схема с большим сопротивлением вытесняется защитами с малым сопротивлением дифференциального реле.

При рассмотрении принципа действия дифференциальных защит было принято, что в нагрузочном режиме и в режиме внешнего короткого замыкания ток в дифференциальной цепи равен нулю. Это возможно только в том случае, если вторичные токи ТТ точно равны первичным приведенным токам, т. е.
Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса

В действительности в дифференциальной цепи в этих режимах протекает ток, называемый током небаланса.

Определим, из каких составляющих складывается ток небаланса.

Погрешность ТТ в работе диф защиты трансформатора

Эта составляющая тока небаланса характерна для всех дифференциальных защит и вызвана тем, что вторичный ток равен:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 2)

где Iвтор. – вторичный ток ТТ;
I’перв. – приведенный ко вторичной обмотке первичный ток;
I’нам. – приведенный ко вторичной обмотке ток намагничивания.
Ток в реле – ток небаланса – равен (для дифференциальной защиты с двумя ветвями):

Iр.=Iнб.=Iвтор.1 – Iвтор.2 = I’перв.1 – I’нам.1 – I’перв.2 + I’нам.2 ,(1 – 3)

где Iвтор.1, I’перв.1, I’нам.1 – вторичный, приведенный первичный и приведенный ток намагничивания ТТ первой ветви;
Iвтор.2, I’перв.2, I’нам.2 – то же для второй ветви.
При условии, что первичные токи защищаемого объекта равны первичным токам ТТ при внешнем коротком замыкании:
Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небалансаТок небаланса будет равен:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 4)

В общем случае ток небаланса равен геометрической сумме токов намагничивания всех ветвей дифференциальной защиты:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 5)

Для того чтобы выявить влияние нагрузок ТТ и сопротивления дифференциального реле на ток небаланса, составим схему замещения дифференциальной защиты [3]:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса
Рис. 1. 3. Схема замещения дифференциальной токовой защиты

На рис. 1. 3. введены следующие обозначения:
Z’перв1, Z’нам1, Zвтор1 – приведенные сопротивления первичной обмотки и ветви намагничивания,сопротивление вторичной обмотки ТТ первой ветви;
Z’перв2, Z’нам2, Zвтор1 – то же для второй ветви;
I’перв1, I’нам1, Iвтор1 – приведенные первичный ток, ток намагничивания и вторичный ток ТТ первой ветви;
I’перв2, I’нам1, Iвтор1 – то же для второй ветви;
IР, ZРО – ток в цепи дифференциального реле и сопротивление дифференциального реле;
rпр1, rпр2 – сопротивление соединительных проводов от ТТ до дифференциального реле для первой и второй ветви.

Принимая, что все сопротивления по рис. 1. 3 являются линейными элементами и составив для этой схемы уравнения по законам Кирхгофа, получим для Iнб при внешнем КЗ, когда I’перв1 = I’ перв2:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 6)

где Z2 = Zвтор2 + rпр2 ; Z1 = Zвтор1 + rпр1;
Z’нам1 • Z’нам2 = Z’ 2нам;
Z’нам1 + Z’нам2 = 2Z’нам.
Анализ формулы (1 – 6) показывает, что для снижения тока небаланса необходимо для менее мощных ТТ (имеющих меньшее сопротивление намагничивания) уменьшать внешнюю нагрузку.

К сожалению, для большинства трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник», как раз для менее мощных ТТ, на стороне «звезды» нагрузка должна быть увеличена в три раза за счет соединения ТТ в «треугольник», что приводит к большой погрешности ТТ, к увеличению тока небаланса и соответственно к увеличению тока срабатывания дифференциальной защиты.

В переходных режимах работы токи небаланса могут во много раз превосходить установившиеся значения. Проведенные исследования показали, что переходный ток небаланса может содержать значительную апериодическую составляющую, причем при равенстве сопротивления плеч и идентичности вольт-амперных характеристик ТТ ток небаланса представляет однополярный сигнал.

При неравенстве сопротивления плеч ТТ в токе небаланса появляются отрицательные полуволны [4]. На переходный процесс оказывают значительное влияние постоянные времени первичной и вторичной цепи – с их возрастанием токи небаланса увеличиваются, а сам переходный процесс затягивается.

Для обеспечения правильного функционирования дифференциальной защиты необходимо ток срабатывания защиты отстроить от токов небаланса, вызванных погрешностью ТТ в режиме максимального тока внешнего короткого замыкания.

Ввиду сложности расчетов для реальных ТТ переходных токов небаланса, ток срабатывания дифференциальных защит выбирают по условию отстройки от установившегося тока небаланса, а учет переходного режима производится введением повышающего коэффициента kпер, который определяет степень конструктивной отстройки дифференциального реле от переходного режима (реле с промежуточными насыщающимися ТТ, реле с время-импульсной схемой и т.д.).

Для дифференциальных защит, в которых объединяются ТТ нескольких сторон защищаемого объекта, ток небаланса, вызванный погрешностями ТТ, определяется в режиме, когда ТТ одной стороны работают с допустимой погрешностью, а ТТ других – без погрешности.

В этом случае разность токов сторон будет протекать в дифференциальной цепи и определять ток небаланса.

Максимальная допустимая полная погрешность ТТ для дифференциальных защит в установившемся режиме максимального тока внешнего КЗ не должна превышать 10%.

Если для дифференциальной защиты используются ТТ одинакового типа, с одним коэффициентом трансформации, работающие примерно в одинаковых условиях, то мало вероятно, чтобы погрешность, с одной стороны, была равна допустимой, а с другой – равна нулю. Для учета таких условий работы ТТ (в формуле определения тока небаланса) вводится коэффициент однотипности ТТ, равный 0,5.

Таким образом, составляющая тока небаланса, вызванная погрешностью ТТ, определяется:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 7)

где kпер – коэффициент, учитывающий переходный режим;
kодн – коэффициент однотипности ТТ, который принимается равным 1,0 или 0,5 в зависимости от условий работы ТТ;
ε – полная погрешность ТТ в установившемся режиме при расчетном токе внешнего металлического КЗ;
IКЗ макс – максимальное значение тока при установившемся внешнем металлическом КЗ.

Защита с током срабатывания, выбранным по условию отстройки от тока небаланса по (1–7), не обеспечивает требование необходимой чувствительности защиты, поэтому применяют различные способы повышения чувствительности и отстройки от тока небаланса. Традиционным способом отстройки от токов небаланса является процентное торможение, под которым понимается возрастание тока срабатывания дифференциального реле с увеличением тормозного тока. В качестве тормозного тока можно использовать фазный ток одной или нескольких сторон защиты, полусумму абсолютных значений токов сторон защиты и т.п.

Компенсация угловых сдвигов первичных токов и исключение токов нулевой чувствительности

Для силовых трансформаторов со схемой соединения «звезда−треугольник» между токами высшего и низшего напряжения существует угловой сдвиг с кратностью в 300. Без принятия мер для компенсации этого сдвига потребовалось бы значительное загрубление дифференциальной защиты по току срабатывания. Поэтому угловой сдвиг первичных токов компенсируется соответствующим поворотом вторичных токов на одной из сторон трансформатора.

Первичный поворот токов происходит из-за соединения обмоток трансформатора в «треугольник». Поэтому для компенсации фазовой погрешности трансформаторы тока тоже соединяются в треугольник.

Теоретически безразлично, на какой стороне соединить трансформаторы тока в «треугольник». Однако для силового трансформатора с заземленной нулевой точкой на стороне «звезда» при внешнем повреждении на землю со стороны нейтрали протекают токи нулевой последовательности – нейтраль «генерирует» токи нулевой последовательности. Эти токи трансформируются во вторичную цепь на стороне высшего напряжения, а на стороне «треугольника» в трансформаторах тока эти токи отсутствуют, так как первичные токи нулевой последовательности циркулируют внутри обмотки «треугольника» и не выходят во внешнюю цепь. Таким образом, весь ток нулевой последовательности со стороны «звезды» трансформатора будет протекать в дифференциальную цепь.


Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты необходимо подавить токи нулевой последовательности в дифференциальной цепи.

Соединение трансформаторов тока на стороне «звезды» силового трансформатора в «треугольник» обеспечивает, с одной стороны, компенсацию углового сдвига первичных токов и, с другой стороны, отсутствие тока нулевой последовательности в дифференциальной цепи за счет того, что токи нулевой последовательности циркулируют внутри схемы «треугольника» трансформаторов тока.

Следует заметить, что соединение трансформаторов тока в «треугольник» увеличивает нагрузку вторичной цепи в три раза, что может привести к увеличению погрешности трансформаторов тока, необходимости увеличения сечения контрольных кабелей, замены трансформаторов тока и т.д.

В современных цифровых дифференциальных защитах компенсация углового сдвига токов и исключение токов нулевой последовательности обеспечивается программными средствами, что позволяет на всех сторонах силового трансформатора соединять трансформаторы тока в «звезду».

Разные коэффициенты ТТ в ДЗТ

Для выравнивания вторичных токов с разных сторон силового трансформатора необходимо, чтобы номинальные первичные токи силового трансформатора были равны номинальным первичным токам ТТ, а при соединении ТТ в «треугольник» – номинальный первичный ток ТТ был в √3 раз меньше номинального тока этой стороны силового трансформатора.

ТТ имеют стандартную шкалу номинальных значений, поэтому для выравнивания вторичных токов с разных сторон трансформатора используются промежуточные автотрансформаторы (трансформаторы) или магнитное выравнивание с помощью подключения цепей вторичных токов к разным числам витков.

Однако все эти способы не позволяют точно сбалансировать вторичные токи (невозможность установки дробного числа витков или из-за дискретности отпаек витков обмотки и т.п.), поэтому появляется дополнительная составляющая тока небаланса. Эта составляющая определяется:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 8 )

где Wрасч – расчетное число витков;
Wуст – установленное число витков.
Расчетное число витков определяется по выражению:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 9)

где Wосн и Iном. осн – число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за основную;
Wрасч и Iном – расчетное число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за неосновную.

Следует отметить, что в современных цифровых реле удается минимизировать эту составляющую тока небаланса (до уровня ≈ 1%).

Регулировка коэффициента трансформации силовых трансформаторов

Выравнивание вторичных токов ТТ производится при одном определенном коэффициенте трансформации силового трансформатора (при номинальном или оптимальном положении регулятора). При изменении положения регулятора напряжения равенство токов (ампер-витков) нарушается.

В дифференциальной цепи появляется еще одна составляющая тока небаланса, которая определяется по формуле:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 10)

где Δu – относительное максимальное изменение коэффициента силового трансформатора от номинального (оптимального) значения.

Ток намагничивания при работе ДЗТ

Основной особенностью дифференциальных защит трансформаторов является неравенство нулю суммы МДС его обмоток из-за необходимости создания в сердечнике трансформатора основного потока, т.е. отношение токов по сторонам трансформатора не равно отношению числа витков за счет наличия тока намагничивания.

Поэтому в токе небаланса появляется еще одна составляющая – ток намагничивания. В нормальном режиме ток намагничивания не превышает 1 – 2% номинального тока и практически не учитывается при выборе тока срабатывания дифференциальной защиты.

Однако в режимах перевозбуждения его величина может возрасти до значений, соизмеримых с током срабатывания дифференциальной защиты.

Режим перевозбуждения возможен при повышении напряжения обмотки свыше номинального или при снижении частоты, этот режим можно характеризовать краткостью перевозбуждения:

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса(1 – 11)

где – Вном, uном, fном – номинальные значения индукции в сердечнике, напряжения и частоты.
При перевозбуждении увеличиваются потери в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, происходит нагрев до недопустимых температур конструктивных элементов, что приводит к нагреву изоляции и ее повреждению, поэтому режим перевозбуждения должен быть ограничен во времени.

Т а б л и ц а 1-1

Максимальное допустимое время существования режима перевозбуждения [1]

B/Bном1,151,31,581,66
t, с12002010,1

Кроме повышения напряжения или снижения частоты, которые собственно и являются причинами перевозбуждения, этот режим характеризуется появлением в дифференциальном токе пятой, седьмой, а при схеме соединения ТТ дифференциальной защиты «звезда−звезда» еще и третьей гармоник. Так как насыщение сердечников силового трансформатора происходит в оба полупериода, то в токе намагничивания отсутствует постоянная составляющая.

При подаче напряжения на трансформатор или при восстановлении напряжения после отключения короткого замыкания ток намагничивания резко возрастает и может достичь значений пяти−восьмикратных от номинального, причем большая часть броска тока намагничивания протекает со стороны подачи напряжения, а в режиме холостого хода весь ток намагничивания проходит со стороны питания, т.е. этот ток будет проходить в дифференциальную цепь.

Поэтому должны быть выявлены признаки, по которым можно отличить бросок тока намагничивания от тока короткого замыкания из-за повреждения трансформатора.

Рассмотрим физические процессы, которые происходят при включении трансформатора на примере однофазного трансформатора (рис. 1. 4). Если в момент включения напряжение питания проходит через нулевое значение, то установившееся значение магнитного потока должно быть близко к максимальному. Магнитный поток в сердечнике трансформатора не может измениться мгновенно, что приводит к возникновению свободной апериодической составляющей потока, величина которой должна быть такой величины, чтобы результирующий магнитный поток был равен нулю или остаточному потоку, если к моменту включения в магнитопроводе существовал остаточный поток. В результате кривая результирующего магнитного потока оказывается смещенной относительно нулевой линии. В пределе через половину периода результирующий магнитный поток может принять двойное значение и более при наличии остаточной индукции с неблагоприятным знаком.

Насыщение магнитопровода и вызывает появление значительных бросков тока намагничивания.

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса

Рис. 1.4. Бросок тока намагничивания однофазного трансформатора

В трехфазных трансформаторах на броски тока намагничивания каждой фазы оказывают влияние магнитные потоки в сердечниках других фаз и обмотки трансформатора, соединенные в «треугольник». В зависимости от момента подачи напряжения, режима нейтрали, групп соединения обмоток трансформатора, (трехстержневой трансформатор или состоит из однофазных трансформаторов) бросок тока намагничивания может быть двух видов.

В первом случае во всех трех фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер, причем в одной фазе бросок тока намагничивания будет максимальным, в двух других – одинаковые и противоположные по знаку первой фазы.

Во втором случае в двух фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер разного знака, а в третьей фазе – периодический характер. Периодический бросок тока намагничивания может достигать двукратного значения номинального тока трансформатора. Идеализированные формы двух видов броска тока намагничивания показаны на рис 1.5, а осциллограмма взятия под напряжение трансформатора с броском тока намагничивания второго вида приведена на рис. 1.6.
Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса

Рис. 1.5. Идеализированные формы бросков тока намагничивания первого и второго вида

Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса

Рис. 1.6. Осциллограммы токов намагничивания при взятии под напряжение силового трансформатора

При соединении ТТ дифференциальной защиты в «треугольник» при однополярных бросках тока намагничивания в дифференциальной цепи одной из фаз (где протекает разность токов) может появиться вторичный ток периодического характера.

После насыщения ТТ однополярным броском тока намагничивания во вторичном токе также появляются отрицательные полуволны.

Анализ кривых трехфазного броска тока намагничивания показывает следующие его характерные особенности:

  • бросок тока намагничивания, по крайней мере в двух фазах, носит апериодический характер;
  • апериодический бросок тока намагничивания в пределах одного периода имеет только один максимум и существенную токовую паузу в то время как ток короткого замыкания – два максимума за период;
  • в периодическом броске тока намагничивания имеется бестоковая пауза, меньшая по длительности, чем при апериодическом броске;
  • бросок тока намагничивания содержит высшие гармонические составляющие: вторую, третью и т.д., особенно велика доля второй гармоники. Даже в периодическом броске тока намагничивания доля второй гармонической составляющей велика.

К сожалению, при повреждении в зоне действия дифференциальной защиты ток короткого замыкания может иметь (как и при броске тока намагничивания) быстро затухающую апериодическую составляющую.

При насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей первичного тока во вторичном токе появятся четные гармоники. При больших кратностях тока короткого замыкания в режиме глубокого насыщения трансформаторов тока во вторичном токе могут появиться и паузы. Таким образом, все признаки броска тока намагничивания присущи и вторичному току при больших величинах тока короткого замыкания в зоне работы дифференциальной защиты. Поэтому высокочувствительные дифференциальные защиты трансформаторов, использующие для блокировки один из перечисленных признаков броска тока намагничивания, могут правильно работать только в определенном диапазоне токов.

При токах, когда погрешности трансформаторов тока могут привести (в результате блокировки) к замедлению действия защиты или ее отказу, предусматривается грубая дифференциальная защита, отстроенная по току срабатывания от броска тока намагничивания, так называемая дифференциальная отсечка.

ПУЭ допускает использование дифференциальной отсечки как основной защиты на трансформаторах мощностью до 25 МВ•А. Для дифференциальной отсечки с электромагнитным токовым и выходным промежуточным реле ток срабатывания может быть принят трех–четырехкратным номинального тока трансформатора.



Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: