До середины 70-х годов в России единственными серийно выпускаемыми реле специально для дифференциальных защит были реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами. Сущность работы этих реле заключается в том, что апериодическая составляющая, присущая броску тока намагничивания и току небаланса, вызывает насыщение магнитопровода промежуточного трансформатора реле и резкое уменьшение сопротивления его ветви намагничивания и, тем самым, ухудшение трансформации в исполнительный орган реле.
Принцип действия дифференциальных реле с промежуточными трансформаторами поясняется на рис. 2.1 [5], где Bср – индукция в сердечнике трансформатора, соответствующая срабатыванию исполнительного органа; Внас и Вост – индукция насыщения и остаточная индукция.
Предположим, что вторичный ток – ток в исполнительном реле − незначителен и весь первичный ток является током намагничивания. Этому случаю соответствует ток, показанный на рисунке сплошной линией.
Пунктирной линией показан первичный ток с учетом размагничивающего действия вторичного тока, считая последний чисто индуктивным.
Рис. 2.1. Изменение индукции насыщающегося трансформатора при синусоидальном периодическом токе (а) и при броске тока намагничивания (б)
Из рис. 2.1 видно, что при подаче на вход реле синусоидального периодического тока − ЭДС на вторичной обмотке, соответствующая срабатыванию реле, будет пропорциональна изменению индукции за один период:
 |
(2 – 1) |
Подача на вход реле большего тока вызовет большее изменение индукции за период и обеспечит надежное срабатывание исполнительного реле.
При подаче на вход реле апериодического броска тока намагничивания (рис. 2.1, б), когда остаточная индукция неблагоприятна (−Bост), ЭДС на вторичной обмотке будет пропорциональна удвоенному значению индукции насыщения:
 |
(2 – 2) |
При благоприятной остаточной индукции (+Bост) и в последующие периоды ЭДС на вторичной обмотке насыщающегося трансформатора:
 |
(2 – 3) |
Для того, чтобы отстроиться от первого броска тока намагничивания при неблагоприятной остаточной индукции, необходимо:
 |
(2 – 4) |
Можно принять Bнас = 2Тл, тогда Bсраб > 1Тл
Выпускаются две разновидности реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами: усиленной отстройки серии РНТ-560 и реле с торможением серии ДЗТ. Для этих реле принята величина индукции срабатывания Bср = 1,2 Тл.
Принцип действия дифференциальных реле серии РНТ
Трансформаторы тока могут преобразовывать без заметной погрешности однополярные броски тока в течение нескольких периодов. В дальнейшем трансформаторы тока насыщаются, апериодическая составляющая полностью поглощается их ветвью намагничивания и во вторичном токе появляются отрицательные полуволны. Изменение потока в магнитопроводе насыщающегося трансформатора становится весьма значительным, что может привести к срабатыванию реле.
Для предотвращения ложной работы защиты необходимо усилить действие апериодической составляющей или ослабить действие периодической составляющей при наличии апериодической.
Последнее можно получить путем намотки на сердечник промежуточного насыщающегося трансформатора дополнительной размагничивающей обмотки. Эта обмотка будет частично ослаблять действие периодической составляющей, в результате чего результирующая кривая тока как бы смещается относительно оси времени [6]. При этом обратные полуволны уменьшаются, а изменение потока будет малым, и реле ложно не сработает (рис. 2.2). При периодическом синусоидальном токе желательно компенсировать это размагничивающее действие.
Для выполнения этих функций в реле РНТ предусмотрена короткозамкнутая обмотка, намотанная на специальном промежуточном насыщающемся трансформаторе (рис. 2.3).
Магнитопровод насыщающегося трансформатора выполнен трехстержневым, сечение его среднего стержня в два раза больше сечений крайних стержней. На среднем стержне намотана первичная обмотка W1, состоящая из уравнительных и рабочих обмоток. Обмотки имеют дополнительные отводы для выравнивания коэффициентов трансформации токов плеч защиты и для ступенчатого регулирования тока срабатывания. На среднем и правом стержнях магнитопровода расположены обмотки W’КЗ и W’’КЗ, образующие с последовательно включенным регулируемым резистором R короткозамкнутый контур. Число витков короткозамкнутой обмотки на правом стержне в два раза больше числа витков на среднем стержне.
С помощью резистора R = 0 −10 Ом меняется степень отстройки от переходного режима. Наибольшая степень отстройки будет при R = 0.
Рис. 2.2. Влияние дополнительного размагничивания
На левом стержне магнитопровода расположена вторичная обмотка, в цепи которой включен и исполнительный орган – реле РТ- 40 с регулировочном резистором R1.
Значения индукции, при которой срабатывает исполнительный орган, приняты равными 1,2 Тл для левого стержня и 0,4 Тл для среднего и правого стержней.
Рис. 2.3. Упрощенная схема реле РНТ
Принцип работы реле РНТ с усиленной отстройкой от апериодических токов может быть рассмотрен в двух режимах работы: при подаче на вход реле синусоидального тока и при подаче тока с апериодической составляющей.
При подаче синусоидального тока в первичную обмотку последний трансформируется во вторичную обмотку на левом стержне и в короткозамкнутую обмотку на среднем стержне, откуда он поступает в короткозамкнутую обмотку на правом стержне.
Магнитный поток, образованный в короткозамкнутой обмотке правого стержня, не только полностью размагничивает поток среднего стержня, но и изменяет направление потока правого стержня.
Поток правого стержня, суммируясь с магнитным потоком среднего стержня, направляется в левый стержень. Таким образом, часть первичного тока попадает во вторичную обмотку и в исполнительный орган путем двойной трансформации через короткозамкнутую обмотку.
Основные соотношения между токами и магнитными потоками могут быть получены при рассмотрении потоков в стержнях для режима, когда активное сопротивление в короткозамкнутой цепи равно нулю.
В этом случае магнитный поток от тока короткозамкнутой обмотки среднего стержня направлен примерно на 1800 к потоку в среднем стержне.
Составим уравнение МДС по замкнутому контуру среднего и правого стержней с учетом того, что в условиях срабатывания индукция в этих стержнях мала и можно пренебречь МДС намагничивания стержней:
 |
(2 – 5) |
где I1, Iкз − ток в первичной и короткозамкнутой обмотках;
W1 − число витков первичной обмотки;
W’кз,W”кз − число витков в короткозамкнутых обмотках среднего и правого стержней.
Размагничивающее действие короткозамкнутой обмотки можно оценить условным первичным током, который создал бы тот же результирующий поток среднего стержня при отсутствии короткозамкнутой обмотки:
 |
(2 – 6) |
Тогда из (2 – 5, 2– 6) при W”кз = 2W’кз получим:
 |
(2 – 7) |
Таким образом, короткозамкнутая обмотка на среднем стержне уменьшает магнитный поток на 33%.
Так как в короткозамкнутой цепи активное сопротивление принято равным нулю, то индуктируемая ЭДС в катушке с W’кз на среднем стержне будет равна ЭДС в катушке с W’’кз:
 |
или |
где Фср, Фпр − магнитные потоки в среднем и правом стержнях;
ω − угловая частота.
При W’’кз = 2W’кз получаем:
 |
(2 – 8 ) |
Потоки в магнитопроводе реле связаны уравнением:
 |
(2 – 9) |
Из (2 – 8 ) и (2 – 9) следует:
 |
(2 – 10) |
Следовательно, короткозамкнутая обмотка на правом стержне добавляет во вторичную обмотку одну третью часть магнитного потока, т.е. третья часть магнитного потока, необходимого для срабатывания реле, создается путем двойной трансформации.
При подаче в первичную обмотку тока с апериодической составляющей последняя практически не трансформируется в короткозамкнутую цепь.
Апериодический ток (рис. 2.3) создает в среднем стержне магнитный поток, который разветвляется в левый и правый стержни, насыщает их и ухудшает трансформацию из первичной обмотки непосредственно во вторичную обмотку, как в обычном промежуточном насыщающемся трансформаторе, и, кроме того, ухудшает трансформацию из первичной обмотки в короткозамкнутую цепь и из нее во вторичную обмотку, таким образом, усиленная отстройка от апериодической составляющей достигается за счет особенно сильного ослабления доли двойной трансформации.
Влияние величины активного сопротивления в короткозамкнутой цепи сказывается в основном на доле двойной трансформации.
Если принять, что ток в короткозамкнутой цепи чисто активный, то магнитный поток короткозамкнутой обмотки будет перпендикулярен результирующему потоку среднего стержня, а если чисто индуктивный, то они будут совпадать. При срабатывании реле индукция в среднем и правом стержнях мала и вне зависимости от сопротивления короткозамкнутой цепи добавочный поток из левого стержня составит по величине одну треть от потока левого стержня (2.10).
Для чисто активного тока в короткозамкнутой цепи из прямоугольного треугольника, составленного из магнитных потоков правого и среднего стержней, можно получить, что доля потока правого стержня составит всего 12% от суммарного потока в левом стержне, т.е. двойная трансформация тока будет составлять 12% общего тока и мало влиять на отстройку от апериодической составляющей.
Опытное определение доли магнитного потока правого стержня действительно составило 33% при R = 0 и 15% при R = 100 Ом.
Таким образом, уменьшение величины активного сопротивления в короткозамкнутой цепи усиливает отстройку от переходных токов с большой апериодической составляющей.
Принцип действия дифференциальных реле серии ДЗТ
Реле серии РНТ не всегда может быть выполнено достаточно чувствительным из-за необходимости отстройки от периодического тока небаланса. Этот недостаток устранен в реле серий ДЗТ, в которых использован принцип магнитного торможения в сочетании с промежуточным насыщающимся трансформатором, аналогичным реле РНТ, но без короткозамкнутой обмотки.
Исключение короткозамкнутой цепи несколько ухудшает отстройку реле от апериодической составляющей переходного режима, что учитывается в расчетах большим коэффициентом отстройки от бросков тока намагничивания и переходных токов небаланса.
Дифференциальные реле с промежуточным насыщающимся трансформатором и с торможением кроме рабочих (уравнительных) обмоток, к которым подводится ток дифференциальной цепи, имеет одну (реле серии ДЗТ-11), три (реле серии ДЗТ-13, ДЗТ-23), четыре (реле серии ДЗТ-14, ДЗТ- 24) тормозных обмотки к которым подводится фазный ток одного (ДЗТ-11) или нескольких (ДЗТ-13,14,23,24) плеч дифференциальной защиты.
Рис. 2.4. Упрощенная схема реле ДЗТ-11
Магнитопровод насыщающегося трансформатора реле серии ДЗТ-11 (рис. 2.4) – трехстержневой с сечением среднего стержня в два раза больше крайних, т.е. такой же, как и у реле РНТ.
На среднем стержне расположены рабочие и уравнительные обмотки с отпайками для выравнивания коэффициентов трансформации плеч дифференциальной защиты и для ступенчатого регулирования тока срабатывания. На крайних стержнях расположены вторичные и тормозные обмотки. Вторичные обмотки на каждом стержне имеют одинаковое число витков и намотаны таким образом, чтобы ЭДС, наводимые в них от магнитного потока среднего стержня, складывались.
При протекании тока в тормозной обмотке создается тормозной магнитный поток, который замыкается только по крайним стержням, не попадая в средний стержень.
Тормозной поток наводит во вторичных обмотках ЭДС равные по величине и противоположные по фазе.
Поэтому результирующая ЭДС во вторичной обмотке от действия тормозного тока равна нулю. Тормозные обмотки имеют отпайки для регулировки величины тормозного воздействия, переключения выполнены таким образом, чтобы числа витков тормозной обмотки на левом и правом стержнях оставались одинаковыми. Маркировка и расчет числа витков тормозной обмотки производятся по числу включенных витков одного стержня насыщающегося трансформатора.
Эффект торможения заключается в том, что при протекании тормозного тока происходит подмагничивание крайних стержней, увеличивается магнитное сопротивление потоку рабочей обмотки и для создания рабочего потока, соответствующего срабатыванию реле, требуется больший рабочий ток. Таким образом, тормозной ток ухудшает трансформацию между рабочей (уравнительной) и вторичной обмотками, автоматически увеличивая ток срабатывания.
Реле серии ДЗТ-13 [7] с тремя тормозными обмотками выполнено с тремя трехстержневыми магнитопроводами, средние стержни которых схвачены общей катушкой, содержащей рабочие обмотки. Каждый из магнитопроводов имеет на крайних стержнях отдельные катушки со вторичными и тормозными обмотками. Так же, как и в ДЗТ-11, при изменении числа тормозных витков каждый стержень охватывается одинаковым числом витков, и обмотки соединяются так, что создаваемый ими магнитный поток замыкается только по крайним стержням, подмагничивая их.
Вторичные обмотки намотаны так, что ЭДС, наводимая тормозным потоком равна нулю, а наводимая рабочим потоком складывается.
Схема расположения обмоток на магнитопроводах насыщающихся трансформаторов реле серии ДЗТ-13 показана на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Схема расположения обмоток на магнитопроводах реле серии ДЗТ-13
Каждая вторичная обмотка шунтируется регулируемыми резисторами R.
От части вторичных обмоток, соединенных параллельно, подключен исполнительный орган – реле РТ- 40. Принципиальные схемы реле серии ДЗТ приведены в [5, 7].
Для того чтобы выяснить принцип торможения для реле с несколькими тормозными обмотками, предположим, что тормозной ток протекает только по одной обмотке. Дифференциальный ток, протекая по рабочей обмотке, охватывающей средние стержни всех магнитопроводов, наводит на всех вторичных обмотках ЭДС. Однако эти ЭДС будут различны.
На вторичной обмотке магнитопровода, по тормозной обмотке которого протекает ток, ЭДС будет меньше из-за подмагничивания (насыщения) стержней магнитопровода (увеличения их магнитного сопротивления и уменьшения соответственно магнитного потока).
Под воздействием разности ЭДС часть тока от вторичной обмотки с большей ЭДС будет ответвляться в обмотку с меньшей ЭДС, не попадая в обмотку исполнительного органа. Это ответвление вторичного тока в обмотку с меньшей ЭДС приводит к увеличению тока срабатывания реле.
Если тормозной ток, протекающий по одной обмотке, распределить по нескольким тормозным обмоткам, то суммарный тормозной эффект будет меньше.
Это объясняется тем, что степень подмагничивания (насыщения) каждого магнитопровода будет меньше, чем степень подмагничивания одного суммарным тормозным током.
Поведение реле ДЗТ оценивается по так называемым тормозным характеристикам – зависимости МДС срабатывания от МДС тормозной обмотки. Тормозная характеристика определяется не только абсолютной величиной МДС торможения, но и углом между рабочей и тормозной МДС Влияние величины и угла между рабочей и тормозной МДС для реле ДЗТ-11 можно проследить на рис. 2.6 −2.9 [7], где принято, что намагничивание стали происходит не по петле гистерезиса, а по основной кривой намагничивания, формы кривых МДС магнитных потоков и ЭДС вторичных обмоток синусоидальны, магнитный поток в крайних стержнях совпадает по фазе с МДС, а вектора ЭДС вторичных обмоток отстают от них на 900.
На рисунках введены следующие обозначения:
Fр и Fт − рабочие и тормозные ЭДС;
FΣлев = Fр + Fт − суммарная ЭДС в левом стержне для рассматриваемого момента времени;
FΣпр = Fр – Fт − суммарная МДС в правом стержне для того же момента времени;
Елев, Епр − ЭДС вторичной обмотки левого, правого стержней;
EΣ = Eлев + Eпр − суммарная ЭДС вторичной обмотки.
Рис. 2.6. Изменение магнитной индукции в крайних стержнях НТТ при отсутствии тормозной МДС:
а – зависимость магнитной индукции от МДС;
б – векторная диаграмма МДС в стержнях НТТ
На рис. 2.6 при отсутствии тока в тормозной обмотке суммарная ЭДС в условиях срабатывания будет равна Е’Σ = Е’лев + Е’пр = Еср. При протекании тока по тормозной обмотке, совпадающего по фазе с рабочим током (рис. 2.7), из-за насыщения стали левого стержня Е”Σ = Е”лев + Е”пр< Е’Σ = Еср реле не срабатывает. При том же числе рабочих витков для срабатывания реле понадобится больший рабочий ток. При увеличении тормозного тока (рис. 2.8),
Рис. 2.7. Изменение магнитной индукции в крайних стержнях НТТ в зависимости от величин совпадающих по фазе МДС рабочей и тормозной обмоток:
а − в левом стержне;
б − в правом стержне;
в − суммарная ЭДС вторичной обмотки
Рис. 2.8. Изменение магнитной индукции в крайних стержнях НТТ в зависимости от совпадающих по фазе, но значительно различающихся по величине МДС рабочей и тормозных обмоток:
а – в левом стержне;
б – в правом стержне;
в – суммарная ЭДС вторичной обмотки
Например вдвое, индукция в левом стержне из-за насыщения возрастет незначительно и незначительно возрастет и ЭДС на вторичной обмотке левого стержня. В правом стержне изменится не только величина, но и знак суммарной МДС Е”Σпр и соответственно изменится знак и ЭДС, наводимой во вторичной обмотке правого стержня.
Результирующая ЭДС будет теперь определяться разностью ЭДС левого и правого стержней и заведомо будет меньше ЭДС срабатывания Еср.
Следовательно, для срабатывания реле потребуется еще больший рабочий ток. Если токи рабочей и тормозной обмоток сдвинуты по фазе на 900 (рис. 2.9), торможение оказывается меньше, чем при совпадении фаз рабочих и тормозных токов.
Рис. 2.9. Изменение магнитной индукции в крайних стержнях НТТ в зависимости от МДС рабочей и тормозной обмоток, сдвинутых по фазе на 90°:
а – в левом стержне;
б – в правом стержне;
в – МДС в левом стержне;
г – МДС в правом стержне;
д – суммарная ЭДС вторичной обмотки
Из рис. 2.6 − 2.9 можно сделать вывод, что при одинаковых значениях рабочих и тормозных МДС Е”Σ < Е”’Σ < Е’ср = Еср, т.е. максимальный эффект торможения получается при углах между рабочим и тормозным токами в пределах 0 ± 30°, а минимальный эффект – в пределах 90° ± 30°.
Таким образом, поведение реле ДЗТ определяется не одной тормозной характеристикой, а целым семейством характеристик, верхняя граница которого будет тормозная характеристика при одинаковом угле между рабочим и тормозным токами, а нижняя граница – при угле между ними в 90° (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Тормозные характеристики реле ДЗТ:
1 – зона срабатывания реле;
2 – зона срабатывания или торможения в зависимости от угла
между векторами тормозного и рабочего токов;
3 – зона торможения (не срабатывания реле)
Верхняя граничная характеристика используется для определения чувствительности реле (т.е. при условии максимального торможения), а нижняя характеристика – для выбора тормозных витков (т.е. в условиях наименьшего тормозного эффекта).
У реле с несколькими тормозными обмотками разброс тормозных характеристик зависит еще и от схемы питания тормозных обмоток.
Верхняя граничная тормозная характеристика определяется при соединении тормозных обмоток по такой схеме:
Нижняя граничная тормозная характеристика определяется при соединении обмоток по схеме:
Оценку поведения дифференциальных защит с торможением принято определять по величине коэффициента торможения kторм, представляющего собой отношение тока срабатывания к тормозному току:
 |
(2 – 11) |
При выбранном числе тормозных и рабочих витков коэффициент торможения определяется по тормозным характеристикам по следующим выражениям:
– для реле серий ДЗТ-11
 |
(2 –12) |
– для реле с несколькими тормозными обмотками
 |
(2 – 13) |
где Fср – МДС срабатывания, определяемая по тормозной характеристике;
Fторм – МДС торможения;
Wраб, Wторм – число витков рабочей, тормозной обмоток.
Для реле с несколькими тормозными обмотками в числителе введен коэффициент 2,0 в связи с тем, что при определении тормозной характеристики две тормозные обмотки с одинаковым числом витков включены последовательно.
Основные технические данные дифференциальных реле серий РНТ и ДЗТ
Реле серий РНТ и ДЗТ (при отсутствии торможения) выпускаются с МДС срабатывания, равной (100 ± 5) А (реле прежних выпусков типа РНТ-562 и ДЗТ-1, ДЗТ-3 имели МДС срабатывания 60 А). Реле имеет ступенчатое регулирование тока срабатывания. Диапазон регулирования тока срабатывания каждого реле определяется количеством витков рабочих (уравнительных) обмоток, которые можно выставить на реле.
Ток срабатывания исполнительного реле – реле РТ-40 – при синусоидальном входном токе составляет 0,16 – 0,17А, напряжение срабатывания – 3,5 – 3, 6 В.
Индукция срабатывания реле выбрана такой величины, чтобы обеспечить при двукратном токе срабатывания реле ток в исполнительном реле РТ-40 не менее 1,2 от тока срабатывания реле РТ-40 и при пятикратном токе срабатывания реле – не менее 1,35 от тока срабатывания реле РТ-40. Для реле Д3Т эти коэффициенты обеспечиваются при Кт = 0,35.
Время действия реле при токе, равном трехкратному току срабатывания, не превышает 0,04 с, а при двукратном токе – 0,05 с (для реле Д3Т при Кт = 0,35).
Разрывная мощность контакта реле в цепи постоянного тока с индуктивной нагрузкой (постоянная времени не более 5 мс) равна 60 Вт при напряжении до 250 В или токе до 2 А. Минимальное напряжение на контактах должно быть не менее 24 В.
Термическая стойкость обмоток с числом витков менее 100 находится в пределах 5 – 10 А, а с числом витков более 100 от 0,7 – 2,5 А (следует уточнять по паспортным данным).
Потребление обмоток реле определяется числом используемых витков и величиной тока, при котором необходимо определить потребление (зависимость мощности, потребляемой обмотками реле от тока в обмотке, даны в информациях завода-изготовителя).
Принцип действия дифференциальных реле серий РНТМ и ДЗТМ
Основными недостатками реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами являются замедление срабатывания при наличии апериодической составляющей в переходном токе короткого замыкания в зоне действия и невозможность по условию отстройки от периодического броска тока намагничивания выполнить ток срабатывания дифференциальной защиты меньше номинального тока силового трансформатора.
В [6] были предложены схемные решения повышения чувствительности реле РНТ. Однако эти предложения не нашли применения на практике.
Проведенные исследования [8] показали, что общей отличительной особенностью бросков тока намагничивания и токов небаланса при насыщении трансформаторов тока в переходных и установившихся режимах внешнего короткого замыкания является несинусоидальность их формы тока, что выявило возможность дополнения реле с промежуточным насыщающимся трансформатором полупроводниковым устройством детектирования искажения формы дифференциального тока.
Полупроводниковое устройство автоматически увеличивает ток срабатывания реле РНТ или ДЗТ при искажении формы кривой дифференциального тока, что позволяет значительно повысить чувствительность реле при внутреннем синусоидальном токе короткого замыкания.
Модернизированные реле РНТМ и ДЗТМ состоят из собственно реле РТН и ДЗТ и полупроводникового устройства, не требующего постороннего источника питания.
Входным элементом устройства детектирования искажения формы дифференциального тока (в дальнейшем − устройство детектирования) является трансреактор TAV, первичная обмотка которого включается в цепь дифференциального тока реле. Для реле серий РНТ и ДЗТ нет электрической дифференциальной цепи, т. к. в реле осуществляется магнитное суммирование. Однако в реле РНТ имеется цепь, по которой протекает ток, пропорциональный дифференциальному току – это цепь короткозамкнутых обмоток. Поэтому первичную обмотку трансреактора следует подключить в цепь короткозамкнутых обмоток.
В реле серий ДЗТ отсутствует цепь с дифференциальным током, поэтому формирование тока, пропорционального дифференциальному току, должно осуществляться на самом трансреакторе.
Для этого первичная обмотка трансреактора имеет ответвления для выравнивания вторичных токов, и необходимые для выравнивания числа витков трансреактора подключаются последовательно с соответствующими рабочими обмотками насыщающегося трансформатора реле ДЗТ. Для упрощения предусматривается лишь грубое выравнивание, учитывая, что отстройка от токов небаланса осуществляется магнитным торможением самого реле ДЗТ.
Единственное требование, которое предъявляется к выбору числа витков трансреактора, – это обеспечение отстройки от броска тока намагничивания при включении силового трансформатора под напряжение с любой стороны.
Устройство детектирования должно иметь ток срабатывания меньше тока срабатывания самого ДЗТ со всех сторон защиты.
Наиболее простым способом увеличения тока срабатывания реле РНТ, ДЗТ является шунтирование исполнительного органа реле РТ-40 резистором.
Подключение шунтирующего резистора осуществляется симистором управляемым устройством детектирования.
Падение напряжения на открытом симисторе в несколько раз меньше напряжения срабатывания реле РТ-40, что позволяет включить последовательно с симистором переменный резистор для регулирования степени загрубления реле.
Принцип действия устройства детектирования основан на сравнении двух напряжений: первого – безынерционного пропорционального дифференциальному току, и второго – тоже пропорционального дифференциальному току, но с небольшой задержкой (инерционный элемент). При синусоидальном входном токе первое напряжение всегда больше второго, а при искажении формы входного тока в момент появления пауз или в полупериод с резким снижением тока второе напряжение за счет задержки окажется больше первого, что приведет к срабатыванию устройства детектирования и к увеличению тока срабатывания реле.
Принципиальная схема модернизированного реле РНТМ-565 приведена на рис. 2.11, а диаграмма токов и напряжений устройства детектирования – на рис. 2.12.
Рис. 2.11. Принципиальная схема реле РНТМ-565
Рис. 2.12. Диаграмма токов и напряжений устройства детектирования реле РНТМ ДЗТМ:
а – внутреннее КЗ с синусоидальным током;
б – бросок тока намагничивания;
в – внешнее КЗ при насыщении трансформаторов тока
Устройство детектирования состоит из следующих узлов: входного устройства – трансреактора ТАV, схемы расщепления (конденсаторы С1, С2 и резисторы R1, R2), выпрямительного моста VS1, корректирующего элемента (конденсатор С3 и резистор R3), инерционного элемента (конденсатор С4, диод VD3 и резистор R4), схемы сравнения (транзисторVT1, диод VD4 и резисторы R5, R6), расширителя импульсов (транзисторVT2, диод VD5, конденсатор C5 и резисторы R7, R8, R9), полупроводникового ключа (транзистор VT3, диод VD6, конденсатор C6, резистор R10, выпрямительный мост VS2).
Схема работает следующим образом. При внутреннем КЗ и синусоидальном токе (рис. 2.12, а) напряжения U1 и U2 имеют сглаженную форму и напряжение U1 больше напряжения U2 на величину падения напряжения на диодах VD3 и VD4 (U1 ≈ 1,2U2). Напряжение на переходе «эмиттер – база» транзистора VT1 имеет обратную полярность, транзистор VT1 постоянно закрыт и устройство детектирования не работает.
При броске тока намагничивания в дифференциальном токе возникают паузы или при одновременном насыщении трансформаторов тока во второй полупериод появляются отрицательные полуволны, но значительно меньшей величины и несинусоидальной формы («трансформированный» бросок тока намагничивания). При возникновении пауз в дифференциальном токе или в полупериоды «трансформированного» броска тока намагничивания (рис. 2.12, б) появляются интервалы времени, когда напряжение U2 на емкости инерционного элемента C4 превышает напряжение U1 на выходе корректирующего элемента. Напряжение на базе транзистора VT1 становится более отрицательным по отношению к эмиттеру, и транзистор VT1 открывается, с конденсатора C4 на резистор R6 подается напряжение, длительность импульсов которого зависит от длительности пауз.
Расширитель импульсов преобразует импульсы напряжения на резисторе R6 в постоянное напряжение U4 на вход полупроводникового ключа.
Если напряжение U4 превышает порог срабатывания, транзистор VT3 открывается и через выпрямитель VS2 напряжение подается на управляющий электрод симистора VD7. Симистор открывается и подключает резистор R′ш параллельно обмотке реле РТ-40. Степень загрубления определяется величиной резистора R′ш и может изменяться в пределах от двух до пяти.
При значительном увеличении напряжения на входе расширителя импульсов увеличивается падение напряжения на резисторе R8, транзистор VT2 открывается, подключая параллельно конденсатору C5 резистор R7, тем самым уменьшается постоянная времени разряда конденсатора C5.
Это необходимо для исключения задержки на возврат устройства детектирования после исчезновения искажения формы дифференциального тока при большом входном сигнале на входе расширителя импульсов.
Аналогично будет работать устройство детектирования в режиме внешнего короткого замыкания и насыщении трансформаторов (рис. 2. 12, в), когда дифференциальный ток будет иметь форму импульсов и пауз.
Конденсатор C3 корректирующего элемента предназначен для исключения излишнего срабатывания устройства детектирования в режиме внутреннего короткого замыкания и полной погрешности трансформаторов тока до 20%, при большей погрешности устройство детектирования может сработать, но задержки срабатывания не произойдет, так как ток в реле будет превышать увеличенный за счет подключения резистора R′ш ток срабатывания.
В дифференциальных защитах понижающих трансформаторов из-за регулирования напряжения под нагрузкой, неточности установки расчетного числа витков возможно протекание периодических токов небаланса, что может привести к отказу срабатывания устройства детектирования. Для предотвращения этого в реле РНТМ введен канал загрубления по току плеча, состоящий из промежуточного трансреактора TA2, переменного резистора R11, выпрямительного моста VS3, конденсатора C7, стабилитрона VD11, резисторов R12, R13, диода VD12. Первичная обмотка трансреактора TA2, уравнительная обмотка W1ур и рабочая обмотка Wр насыщающегося трансформатора включается в плечо защиты со стороны низшего напряжения силового трансформатора (со стороны тупикового питания нагрузки).
При превышении током плеча предельного значения тока нагрузки силового трансформатора с учетом возможной его перегрузки выходное напряжение канала загрубления поступает на вход полупроводникового ключа, который срабатывает и загрубляет реле РНТМ.
При внутреннем коротком замыкании ток по первичной обмотке трансреактора на протекает, канал загрубления не работает.
Порог срабатывания канала загрубления по току плеча определяется стабилитроном VD11, а ток срабатывания регулируется переменным резистором R11. Стабилитроны VD1, VD2, VD8-10 предназначены для защиты полупроводникового устройства от перенапряжений.
Модернизированное реле ДЗТМ состоит из реле ДЗТ-10 и полупроводникового устройства, аналогичного устройству реле РНТМ, но без канала загрубления.
Таким образом, реле серий РНТМ и ДЗТМ имеют два тока срабатывания: низший ток срабатывания Iс.р.1, когда устройство детектирования не работает, для дифференциальных защит трансформаторов может быть принят (0,3 – 0,5)Iном трансформатора; высший ток срабатывания Iс.р.2 при токах небаланса в режиме внешнего короткого замыкания и бросков тока намагничивания, когда срабатывает устройство детектирования для дифференциальных защит трансформаторов (1,2 – 2,0)Iном трансформатора.
Реле РНТМ и ДЗТМ имеют меньшую задержку на срабатывание при внутреннем коротком замыкании с апериодической составляющей благодаря меньшему току срабатывания.
Реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами реагирует на значение отрицательной полуволны, увеличивающейся в течение переходного короткого замыкания, поэтому условия срабатывания наступают тем раньше, чем меньше ток срабатывания.
Для контроля исправности устройства детектирования и установки токов срабатывания служит накладка, имеющая три положения: «нейтральное», «работа» и «проверка». При установке накладки в положение «проверка» (5’ – 4’) происходит срабатывание устройства детектирования при синусоидальном входном токе, реле РНТМ, ДЗТМ загрубляется и при помощи переменного резистора R′ш выставляется требуемый высший ток срабатывания. При переводе накладки в положение «работа» устройство детектирования не срабатывает при синусоидальном токе. В этом режиме выставляется низший ток срабатывания установкой штепсельных винтов на промежуточном насыщающемся трансформаторе. В нейтральное положение накладка устанавливается во время регулировки канала загрубления.
Для защит с реле РНТ и ДЗТ, уже находящихся в эксплуатации, разработано автономное бесконтактное устройство (УБ) для детектирования искажения формы дифференциального тока, принцип действия которого аналогичен принципу действия устройства в реле РНТМ. Несмотря на положительный опыт эксплуатации, в широкое серийное производство приставка не была внедрена.
Регулировку и проверку реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами следует выполнять в соответствии с рекомендациями [5] и [7]. Особо следует обратить внимание на необходимость обеспечения синусоидальной формы кривой тока, подаваемого в первичную обмотку насыщающегося трансформатора. При использовании источника с синусоидальным напряжением необходимо последовательно с обмоткой реле включить добавочный резистор с минимальным сопротивлением в семь – десять раз больше полного сопротивления обмотки при токе срабатывания.
