Дифференциальная защита трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Дифференциальная защита трансформаторов и линий. Современные конструкции защиты. Методика выбора уставок

1.1 Дифференциальная защита трансформаторов

Дифференциальная защита понижающих трансформаторов должна выполняться с отстройкой от бросков тока намагничивания при включении ненагруженного трансформатора и действовать на отключение всех выключателей трансформатора без выдержки времени. Защита должна обеспечивать коэффициент чувствительности не менее 2.

В настоящей лекции рассмотрим дифференциальные защиты на простых токовых реле, на реле с быстронасыщающимся трансформатором (БНТ) и на реле с торможением (ДЗТ).

1.2 Назначение и принцип действия дифференциальной защиты трансформаторов

Дифференциальная защита (ДЗ) трансформаторов применяется для защиты обмоток трансформаторов, их выводов, ошиновки от междуфазных замыканий, однофазных замыканий на землю, замыканий витков одной фазы, и т.д.

Упрощенная схема ДЗ двухобмоточного трансформатора на простых токовых реле (т.н. дифференциальная токовая отсечка) приведена на рис.10.1.

Здесь: Q1, Q2 - выключатели; КА- реле; I21, I22- вторичные токи трансформаторов тока; Ip- ток реле ; Т - трансформатор.

При этом (для рассмотрения только принципа действия) условно принято, что защищаемый трансформатор (Т) имеет коэффициент трансформации (Кт) равный единице, одинаковое соединение обмоток, а по обе стороны защищаемого трансформатора Т устанавливаются трансформаторы тока ( ТТ ) с одинаковыми коэффициентами трансформации (КТ) , вторичные обмотки которых и реле КА соединяются параллельно в схему т.н. продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами (в отличие от схемы с уравновешенными напряжениями). Ток Ip в реле КА равен геометрической сумме вторичных токов.

Трансформаторы тока выбираются так, чтобы их вторичные токи в нормальном режиме были примерно одинаковыми и ток реле невелик, не вызывающий его срабатывание.

При внешнем КЗ и при нагрузке в нормальном режиме защита не должна действовать, т.к. вторичные токи трансформатора тока (ТТ) в реле КА направлены встречно: Ip=I21 - I22= 0. Для этого необходимо, чтобы токи совпадали по модулю и по фазе, т.е.:

I21= I22. (10.1.)

При КЗ в защищаемом трансформаторе вторичные токи ТТ проходят по обмотке реле в одном направлении и ток в них равен: Ip=I21+I22 и если Ip > Iср., то реле срабатывает и отключает трансформатор.

ДЗ понижающих трансформаторов с применением реле с БНТ учитывает некоторые особенности работы защищаемого трансформатора и ТТ, влияющие на её выполнение:

-наличие броска тока намагничивания;

-неравенство токов вторичных обмоток ТТ;

-неодинаковость схемы соединения обмоток трансформатора и, как следствие, наличие угла сдвига вторичных токов ТТ при различных схемах соединения обмоток силового трансформатора;

-наличие тока небаланса.

Для уменьшения этих негативных особенностей применяются меры по улучшению работы ДЗ:

а) Уменьшение тока небаланса.

Токи небаланса возникают по ряду причин:

-погрешности и различные характеристики ТТ;

-изменение коэффициента трансформации при регулировании напряжения силового трансформатора;

-неточное выравнивание вторичных токов (неполная компенсация вторичных токов, наличие намагничивающих токов, и т.д.

б) Выравнивание вторичных токов по величине.

Поскольку у трансформаторов токи со стороны высшего, среднего и низшего напряжения не равны, то ТТ имеют разные коэффициенты трансформации и разное конструктивное исполнение.

Поэтому для снижения тока небаланса (для выполнения условий по выражению 10.1.) и для правильной работы защиты необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов I21и I22 по значению, а в некоторых случаях и по фазе (при соединении обмоток ? ? ? и ? ? ?).

Снижение тока небаланса, вызванного неравенством вторичных токов ТТ, можно производить двумя способами:

- путём включения специальных промежуточных трансформаторов, автотрансформаторов тока (АТ);

- путём (как правило) использования уравнительных обмоток дифференциальных реле с БНТ типа РНТ-565, ДЗТ-11.

в) Выравнивание вторичных токов по фазе.

При неодинаковых схемах соединения обмоток силового

трансформатора токи в каждой из обмоток сдвинуты по фазе на угол, зависящий от схем соединения.

Угловой сдвиг первичных токов силового трансформатора является источником токов небаланса, поэтому компенсация углового сдвига вторичных обмоток ТТ в ДЗ производится путём специального соединения вторичных обмоток ТТ.

Составляющую тока небаланса из-за фазового сдвига можно исключить также комбинацией схем соединений ТТ и силового трансформатора.

Например, ТТ, расположенные на стороне треугольника силового трансформатора, соединяются в звезду, а расположенные на стороне звезды силового трансформатора - в треугольник.

г) Защита от токов намагничивания.

При включении силовых трансформаторов под напряжение возникает резкий бросок тока намагничивания, в несколько раз превышающий номинальное значение и имеющий затухающий характер.

Ток намагничивания появляется только в одной обмотке силового трансформатора, на которую подаётся напряжение. Если ток намагничивания больше тока срабатывания защиты, реле ложно срабатывает. Для предотвращения этого явления принимаются специальные меры:

- торможение при помощи БНТ (он не пропускает апериодическую составляющую тока намагничивания, и позволяет, одновременно отстроить дифференциальное реле от периодической составляющей);

- отстройка тока срабатывания реле от тока намагничивания по величине;

- отстройка от бросков тока намагничивания с помощью контроля амплитуды положительных и отрицательных полуволн тока одновременно в двух фазах и логической схемы совпадения.

Примеры выполнения дифференциальных защит трансформаторов.

а) Защиты на электромагнитных реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ).

На рис 10.2. представлена схема дифференциальной защиты трёхобмоточного трансформатора с торможением на реле ДЗТ-11, где тормозная обмотка включена на сумму токов плеч защиты сторон среднего (СН) и низшего напряжения (НН) (возможно включение тормозной обмотки в плечо СН силового трансформатора, что менее эффективно).

Дифференциальные токовые реле с торможением применяются для повышения чувствительности ДЗ в тех случаях, когда чувствительность ДЗ без торможения оказывается недостаточной. Ток в тормозной обмотке определяет степень намагничивании и, следовательно, условия трансформации БНТ и прохождение тока в дифференциальной (рабочей) обмотке. Благодаря соединению вторичной (выходной) и дифференциальной (рабочей) обмоток (обмотки намотаны согласно), в обмотку исполнительного реле трансформируется только ток, проходящий по дифференциальной (рабочей) обмотке.

Дифференциальная обмотка в схемах ДЗ включается на разность токов ТТ (т.е. «дифференциально»), а тормозные - в плечи ДЗ с таким расчётом, чтобы в любом случае внешнего КЗ тормозная обмотка обтекалась током сквозного К.З. При этом ток в дифференциальной (рабочей) обмотке возрастает под влиянием тока в тормозной обмотке, чем повышается надёжность отстройки ДЗ от токов небаланса.

При КЗ в зоне ток в реле Iк, протекающий по тормозным обмоткам, загрубляет реле (увеличивается его Iср.), так же, как и в условиях внешнего КЗ, но несмотря на это чувствительность реле с торможением выше, чем без торможения, что видно из рис.10.3.(характеристика 2 выше характеристики 1).

Коэффициент торможения характеризует наклон тормозной характеристики - угол Y.

Рис.10.2 Схема дифференциальной защиты трёхобмоточного трансформатора на реле ДЗТ-11.

Верхняя характеристика соответствует условию совпадения по фазе токов в выходной (вторичной) обмотке от тока в тормозной обмотке (угол сдвига 0?), нижняя характеристика соответствует сдвигу по фазе указанных токов (угол сдвига 90?). Из рисунка 10.3. видно, что эффект торможения меньше при угле сдвига 90? (характеристика расположена ниже).

Рис. 10.3 Характеристики ДЗ с торможением и без торможения

Здесь:

1, 1' -характеристики реле с торможением (тормозные характеристики); 2- характеристика реле без торможения; 3- ток небаланса; 4- ток в реле при КЗ в зоне защиты, Iр - ток в реле (во вторичной обмотке БНТ); I0- начальный ток срабатывания реле; Iт - ток тормозной обмотки; Iк - ток КЗ, протекающий по тормозным обмоткам; Iнб - ток небаланса, I- зона срабатывания; II- зона торможения; Y- угол наклона тормозной характеристики.

ДЗ с БНТ без торможения (реле серии РНТ-565 и др.) строятся аналогично, но не имеют тех преимуществ, которыми обладают реле с торможением (реле серии ДЗТ-11 и др.). Однако, реле без торможения, благодаря наличию короткозамкнутой обмотки, имеет лучшие, чем реле с торможением, параметры отстройки от неустановивщихся токов в переходном режиме, который сопровождается появлением в дифференциальной цепи апериодической составляющей тока. Степень отстройки («загрубления» защиты) можно изменять регулированием сопротивления в цепи короткозамкнутой обмотки.

Дифференциальные защиты линий.

а) Продольная токовая дифференциальная защита сравнивает значения токов по концам защищаемой линии (рис. 10.4.). В начале линии у подстанции А и в конце линии у подстанции Б устанавливают трансформаторы тока ТА 1 и ТА2 с одинаковыми коэффициентами трансформации. Вторичные обмотки трансформаторов соединяются двухпроводной линией, к которой подключено реле тока КА. Ток в реле Ip =I₂₁ - I₂₂. При срабатывании реле подается сигнал на отключение выключателей Q1 и Q2.

Продольная дифференциальная защита линий

При КЗ в точке К1 (между трансформаторами тока) ток в реле КА равен сумме вторичных токов и реле КА срабатывает.

В нормальном режиме и при внешних КЗ (за пределами зоны трансформаторов тока) в точке К2 через реле КА протекает разность вторичных токов (ток через реле равен нулю). Таким образом, защита реагирует на внутренние КЗ и не реагирует на внешние КЗ и нормальные режимы, т.е. обладает абсолютной селективностью.

Однако, вследствие погрешностей трансформаторов тока через реле КА может протекать ток небаланса. Поэтому ток срабатывания при внутренних КЗ выбирают большим тока небаланса, а при внешних КЗ применяют быстронасыщающиеся промежуточные трансформаторы или дифференциальные реле с торможением (см. п. 10.1).

Недостаток продольных дифференциальных защит - значительная протяжённость соединительных проводов, огранивающая область её применения (линии 110кВ - 220кВ длиной 10-15км.).

б)Токовая поперечная дифференциальная защита (рис. 10.5) применяется для защиты двух параллельных линий, присоединенных к шинам подстанции. Здесь трансформаторы тока линий также имеют одинаковые коэффициенты трансформации. Реле тока КА и токовые обмотки реле направления мощности KW1 и KW2 включаются на разность токов вторичных обмоток трансформаторов тока ТА1 и ТА2.

При нормальном режиме и при внешнем КЗ (точка К2) токи в линиях равны, токи через реле КА и токовые обмотки I реле KW1 и KW2 равны нулю (за исключением тока небаланса) и защита не срабатывает.

При КЗ на одной из линий в зоне защиты (точка К1) равенство токов нарушается (через Q1больше, чем через Q2) и реле КА срабатывает (при превышении разности токов тока срабатывания) и через контакты KW1 или KW2 отключит повреждённую линию. В данной схеме необходимы два реле направления мощности KW1 и KW2 для определения повреждённой линии. дифференциальная защита трансформатор реле ток

Поперечная дифференциальная защита линий

При отключении одной из параллельных линий защита должна автоматически отключаться во избежание отключения неповреждённой линии.

Для этого последовательно с контактом КА токового реле включены вспомогательные («нормально открытые») контакты Q1.1 и Q2.1 выключателей Q1и Q2.

1.3 Современные конструкции ДЗ

Существуют конструкции ДЗ на электронной аналоговой и цифровой (микропроцессорной) элементной базе.

а). ДЗ с торможением на электронной аналоговой элементной базе.

Реле реализует времяимпульсный принцип отстройки от бросков тока намагничивания и тока небаланса.

Реле с магнитным торможением (ДЗТ-11 и др.) для трансформаторов большой мощности не обеспечивают требуемой чувствительности и быстродействия. Поэтому применяются реле типов ДЗТ-21 и ДЗТ-23, в которых для отстройки от бросков тока намагничивания и переходных токов небаланса использован времяимпульсный принцип.

На рис.10.6. представлена однолинейная структурная схема ДЗ на реле ДЗТ-21 (ДЗТ-23).

Промежуточные трансформаторы TL1и TL2 служат для выравнивания вторичных токов. Промежуточные трансформаторы TL3 и TL4 и выпрямители VS1и VS2, через которые формируется тормозной ток плечей защиты, подаваемый к РО. Стабилитрон VD, включённый последовательно в тормозную цепь и обеспечивающий при небольших токах работу защиту без торможения. Трансреактор TAV, к вторичным обмоткам которого подключено через выпрямитель VS3, реле дифференциальной отсечки КА и цепь торможения от тока второй гармоники. Фильтр тока второй гармоники ZF и выпрямитель VS4, через который подаётся к РО тормозной ток второй гармоники.

Однолинейная структурная схема ДЗ на реле ДЗТ-23

Здесь: TL1, TL2, TL3, TL4 - промежуточные трансформаторы; TAV- трансреактор; VS1, VS2, VS3, VS4- выпрямители; VD- стабилитрон; ZF- фильтр тока второй гармоники; РО- регулирующий орган; КА- токовое реле дифференциальной отсечки; УФ- устройство формирования.

Устройство формирования УФ, подготовливающее токи смещения, подаваемые в РО, пропорциональные тормозным токам (т.н. «процентное торможение»).

В электронном реле отстройка от бросков тока намагничивания осуществляется путём выявлений различий между формами кривых тока КЗ и тока намагничивания посредством времяимпульсного принципа.

Время импульсный принцип основывается на анализе длительности пауз, появляющихся в кривой дифференциального тока.

Таким образом, оценивая с помощью специальной схемы продолжительность пауз, защита может «отличить» режим броска (блокировки защиты) от режима КЗ в защищаемой зоне. Эти два способа позволяют обеспечить отстройку защиты от бросков тока намагничивания в сочетании с торможением от второй гармоники дифференциального тока при необходимых быстродействии и чувствительности. В защите предусмотрено также торможение от фазных токов в двух плечах, улучшающее отстройку от установившихся и переходных токов небаланса.

б) Электронное реле ЯРЭ-2201(имеются модификации без торможения и с торможением).

Здесь реализован такой же принцип. Упрощенная структурная схема дифференциального реле ЯРЭ-2201 с торможением представлена на рис.10.5.

Первичная обмотка трансреактора TAV, имеющая основную -(Осн.) или рабочую и две уравнительные - (Ур.1 и Ур.2), включается в плечи дифференциальной защиты. Уравнительные обмотки, имеющие отпайки, служат для выравнивания плеч ДЗ.

Так как трансреактор TAV преобразует ток в напряжение и является дифференцирующим звеном, то апериодическая составляющая Iд во вторичную обмотку не трансформируется.

Выпрямитель U1 выполнен без сглаживающего фильтра, поэтому напряжение Uв содержит как постоянную, так и переменную составляющие. Фильтр нижних частот ZF пропускает постоянную составляющую (50Гц), усиливая её в 2раза, а переменную составляющую (100Гц) ослабляет в 3 раза.

Упрощенная структурная схема дифференциального реле с торможением ЯРЭ-2201

Здесь: TAV- промежуточный трансреактор; U1,U2- выпрямители; ZF- фильтр нижних частот; ZL- ограничитель; А1- пороговый элемент; А2- элемент выдержки времени; А3- выходной орган(усилитель и выходное реле); TAL- промежуточный трансформатор.

Пороговый элемент А1 срабатывает при величине Uф > Uо и возвращается в исходное положение при Uф < Uо. Если второе условие соблюдается по времени дольше времени выдержки элемента А2, то приводится в действие выходной орган А3, подающий сигнал в цепь отключения выключателей. Пороговый элемент А1 связан с тормозным блоком.

Тормозной блок содержит промежуточный трансформатор TAL, вторичная обмотка которого в цепь тормозного тока Iтрм. Ко вторичной обмотке подключён выпрямитель U2 и ограничитель ZL (по MAX и MIN). Выход ZL подключён к пороговому элементу А1.

Чем больше ток на выходе ограничителя ZL, тем больше величина порога срабатывания Uо порогового элемента А1 защиты. В этом случае защита срабатывает только при больших тока в первичной обмотке трансреактора TAV, тем самым «загрубляя» защиту и исключая излишнее срабатывание при внешних КЗ.

в) Реле дифференциальной защиты типа РСТ-15.

Дифференциальные реле тока серии РСТ-15 на интегральной элементной базе применяются в качестве измерительных органов ДЗ понижающих трансформаторов и мощных двигателей. Но данное реле не является тормозным (тормозная обмотка не предусмотрена). Структурная схема представлена на рис.10.7 (без тормозного блока).

г) ДЗ на цифровой (микропроцессорной) элементной базе реализованы в выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами.

Размещено на Allbest.ru