Принцип действия и область применения. Дифференциальная токовая защита относительно редко устанавливается на трансформаторах 10 кВ, однако «Правила» допускают установку этой защиты в тех случаях, когда, например, токовая отсечка трансформаторов от 1 до 2,5 MB-А не удовлетворяет требованиям чувствительности (§ 7). Поэтому далее кратко рассматриваются принцип действия и схемы дифференциальных защит трансформаторов 10/6 и 10/10 кВ с выключателями и трансформаторами тока на обеих сторонах.
Принципиальная схема продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами показана на рис. 36 для одной фазы какого-либо элемента, имеющего в начале и в конце одинаковые по значению первичные токи (I1-1=I2-2). Между трансформаторами тока 1ТТ и 2ТТ находится зона действия дифференциальной защиты. Вторичные обмотки этих ТТ соединяются последовательно (конец 1ТТ с началом 27Т), а токовое реле дифференциальной защиты ТД подключается к ним параллельно.
При КЗ в точке К за пределами зоны действия дифференциальной защиты (такое КЗ называется внешним или сквозным), а также в нормальном режиме нагрузки вторичные токи трансформаторов тока, соответственно I1-1 и I2-2, циркулируют по соединительным проводам (плечам) защиты (рис. 36, а). При одинаковых коэффициентах трансформации трансформаторов тока 1ТТ и 2ТТ и их работе без погрешностей значения вторичных токов I2-1 и I2-2 равны между собой, а направления их в реле ТД — противоположны. Следовательно, в рассматриваемом идеальном случае ток в реле ТД равен нулю.
Таким образом, по принципу действия дифференциальная защита не реагирует на повреждения вне ее зоны действия, т. е. на соседних элементах (линиях, двигателях и т. п.), и поэтому может быть выполнена без выдержки времени. Эта защита относится к группе защит с абсолютной селективностью.
Рис. 36. Принципиальная схема продольной дифференциальной
защиты с циркулирующими токами: а — токораспределение при
КЗ вне зоны действия (внешнем КЗ); б — то же при КЗ в зоне
действия защиты
Практически в режиме нагрузки, и особенно при внешнем КЗ, ток в реле ТД не может быть равен нулю, поскольку трансформаторы тока 1ТТ и 2ТТ имеют разные значения полных погрешностей и даже при равных первичных токах вторичные токи I2-1 и I2-2 не равны между собой. Ток в реле ТД в режимах нагрузки и внешнего КЗ называется током небаланса.
Для обеспечения несрабатывания дифференциальной защиты в этих режимах ток срабатывания реле ТД выбирается большим, чем ток небаланса:
где ka — коэффициент надежности, принимаемый для современных дифференциальных защит примерно равным 1,3.
При КЗ в зоне действия дифференциальной защиты (рис. 36, б) в случае двустороннего питания защищаемого элемента направления первичного I1-1 и вторичного I2-2 тока изменяются на угол 180°. При этом в реле ТД проходит сумма токов КЗ:
Iр.к.=I2-1+I2-2,
и реле ТД срабатывает на отключение поврежденного элемента от источников питания. При одностороннем питании в реле ТД проходит один из токов КЗ: I2-1 или I2-2. При этом дифференциальная защита также должна срабатывать на отключение. Режим одностороннего питания является расчетным при оценке чувствительности дифференциальной защиты, которая производится с помощью коэффициента чувствительности [1]
Особенности выполнения дифференциальной защиты трансформаторов. При выполнении продольных дифференциальных защит трансформаторов (в отличие от аналогичных защит генераторов, линий) приходится считаться с возможностью возникновения больших токов небаланса из-за следующих причин:
1) имеется ток намагничивания, проходящий только по обмотке трансформатора со стороны питания и появляющийся поэтому в реле как ток небаланса; при включении трансформатора под напряжение бросок тока намагничивания (БТН) может в 5—8 раз превысить номинальный ток трансформатора;
2) первичные поминальные токи сторон ВН и НН трансформатора не равны между собой (исключение представляет трансформатор 10/10 кВ); как правило, неравенство характерно и для вторичных токов (I2-1 и I2-2 на рис. 36);
3) трансформаторы тока 1ТТ и 2ТТ (рис. 36), как правило, разнотипные, имеют разные вольт-амперные характеристики, разные сопротивления нагрузки и, как следствие, при внешних КЗ они работают с разными значениями полной погрешности, что увеличивает неравенство значений вторичных токов I2-1 и I2-2.
4) при схеме и группе соединения обмоток, отличной от пулевой, имеется фазовый сдвиг между первичными токами в выводах трансформатора, например: при стандартной схеме и группе соединения обмоток Y/∆-11 (см. рис. 38) фазовый сдвиг составляет 30°; если не принять специальных мер, этот же фазовый сдвиг будет и между вторичными токами и вызовет недопустимо большой ток небаланса в реле дифференциальной защиты.
Кроме того, ток небаланса в дифференциальной защите появляется при изменении (регулировании) напряжения па одной из сторон трансформатора с целью поддержания нормального напряжения у потребителей при колебаниях напряжения на шинах ВН. При больших диапазонах регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) и, следовательно, больших изменениях тока только на одной из сторон трансформатора приходится принимать специальные меры для обеспечения несрабатывания дифференциальной защиты при внешних КЗ. Поскольку большие диапазоны регулирования напряжения характерны для трансформаторов более высоких классов напряжения, здесь не рассматриваются особенности выполнения дифференциальных защит па трансформаторах с РПН [9].
Способы отстройки дифференциальных защит от броска тока намагничивания (БТН) при включении трансформатора под напряжение. Ток намагничивания при включении силового трансформатора под напряжение может достигать, как уже указывалось, (5—8)-кратного значения номинального тока, но он быстро затухает и через 0,5—1 с становится уже намного меньше номинального. Эта особенность используется для выполнения грубых, по быстродействующих дифференциальных защит — так называемых дифференциальных отсечек. Ток срабатывания отсечки выбирается в 3—4 раза большим номинального тока трансформатора (3, 9]. Иногда коэффициент чувствительности дифференциальной отсечки соответствует условию (42). Для дифференциальной отсечки используются обычные максимальные реле тока типа РТ-40 без каких-либо дополнений. Однако большинство дифференциальных защит трансформаторов выполнено и будет, очевидно, выполняться на специальных реле, которые могут обеспечить надежную отстройку от БТН и вместе с тем высокую чувствительность дифференциальной защиты к токам КЗ в зоне действия. Для того чтобы дифференциальная защита могла реагировать на повреждения внутри трансформатора, сопровождающиеся малыми токами КЗ, ток срабатывания этой защиты желательно иметь в пределах от 0,3 до 0,5 поминального тока. Решить эту задачу очень непросто.
В современных дифференциальных реле для отстройки от БТН используют особенности апериодической несинусоидальной формы кривой БТН в дифференциальной цепи при включении трансформатора под напряжение, а именно:
смещение кривой БТН в одну сторону от нулевой линии и отсутствие обратных полуволн (рис. 37,а);
наличие в БТН бестоковых пауз длительностью около 7—10 мс (рис. 37,а);
Рис. 37. Апериодическая форма кривой броска тока намагничивания в одной из фаз при включении трансформатора под напряжение (а) и периодическая синусоидальная форма кривой тока в дифференциальной цепи при КЗ в трансформаторе и при работе ТТ с полной погрешностью не более 10%: ε≤ 10% (б)
смещение кривой БТН в одну сторону от нулевой линии и отсутствие обратных полуволн (рис. 37,а);
наличие в БТН бестоковых пауз длительностью около 7—10 мс (рис. 37,а);
наличие в выпрямленном БТН, наряду с постоянной составляющей, также переменной составляющей промышленной частоты; при выпрямлении синусоидального тока (рис. 37,6) переменная составляющая промышленной частоты отсутствует.
Сейчас подавляющее большинство дифференциальных защит в нашей стране выполнено на отечественных реле серий РНТ-560 и ДЗТ-10, в которых для отстройки от БТН используется первая из перечисленных особенностей. В этих реле исполнительный орган (реле типа РТ-40) включен в дифференциальную цепь защиты через промежуточный трансформатор тока, работающий с повышенной индукцией в магннтопроводе. Когда в первичную обмотку такого трансформатора тока подается однополярный ток (рис. 37, а), апериодическая составляющая этого тока вызывает глубокое насыщение магнитопровода, весь первичный ток становится током намагничивания и в идеальном случае во вторичную обмотку не трансформируется. Следовательно, исполнительный орган, включенный на вторичную обмотку насыщенного трансформатора тока, не может сработать. Такой трансформатор тока называется быстронасыщающимся (БНТ) или насыщающимся (НТТ).
Если происходит КЗ в зоне действия защиты и через первичную обмотку НТТ проходит синусоидальный двухполярный ток КЗ (рис. 37,6), то НТТ трансформирует этот ток во вторичную обмотку и обеспечивает срабатывание исполнительного органа реле РНТ или ДЗТ. Надо отметить, что ток КЗ также может иметь апериодическую составляющую, которая насыщает НТТ и препятствует трансформации периодической составляющей. Но апериодическая составляющая тока КЗ быстро затухает, после чего реле срабатывает за счет периодической составляющей. Полное время срабатывания защиты с НТТ при самых неблагоприятных условиях не превышает 0,12 с.
В отличие от описанного идеального случая реальный НТТ трансформирует часть однополярного тока намагничивания. Кроме того, при включении трехфазного трансформатора под напряжение в одной из фаз может отсутствовать апериодическая составляющая броска тока намагничивания (так называемый периодический БТН, который хорошо трансформируется НТТ). Такая форма кривой тока на входе НТТ может иметь место и в том случае, если основные трансформаторы тока дифференциальной защиты работают с большими погрешностями и трансформируют только периодическую составляющую броска тока намагничивания. Все эти возможные случаи не позволяют выполнить с помощью НТТ высокочувствительную дифференциальную защиту силовых трансформаторов. Практически принимается ток срабатывания для реле РНТ-560 не менее 0,9, а для ДЗТ-И не менее 1,1 номинального тока трансформатора, а чаще и более [9].
Вторая особенность БТН использована при создании времяимпульсного реле, на основе которого выполнена отечественная защита серии ДЗТ-20. Однако из-за сложности, больших размеров и высокой стоимости она не может найти применения в распределительных сетях. Эту же особенность БТН использовали создатели бесконтактного устройства типа УБ, которое должно включаться как приставка к реле серий РНТ-560 и ДЗТ-10. Устройство У Б позволяет снизить ток срабатывания дифференциальной защиты трансформатора при синусоидальной форме кривой тока КЗ (рис. 37,6) до 0,3—0,5 номинального тока трансформатора, поскольку при синусоидальном токе УБ не срабатывает. При появлении БТН устройство УБ представляющее собой детектор искаженной формы кривой тока, срабатывает и автоматически увеличивает ток срабатывания дифференциальной защиты в 3—5 раз [14]. Опыт работы дифференциальных защит с УБ пока не накоплен.
Третья особенность БТН использована при создании нового реле типа РСТ-15, предназначенного для дифференциальных защит трансформаторов и электродвигателей. Реле выпускается Чебоксарским электроаппаратным заводом 114]. Оно также позволяет выполнить чувствительную дифференциальную защиту с током срабатывания не менее 0,4 номинального тока трансформатора.
Устранение фазового сдвига между вторичными токами дифференциальной защиты. В трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/A-11 имеется фазовый сдвиг, равный 30°, между первичными токами соответствующих фаз на сторонах ВН и НН (рис. 38). Для устранения подобного сдвига между
Рис. 38. Схема включения ТТ и реле дифференциальной токовой защиты двухобмоточного трансформатора со схемой соединения обмоток Y/∆-11, векторные диаграммы первичных токов фаз А, В и С на сторонах ВН и НН трансформатора, например, 10/6 кВ (б) и вторичных токов в плечах ВН и НН дифференциальной защиты (в)
вторичными токами, который является причиной очень большого тока небаланса, принято вторичные обмотки трансформаторов тока 1ТТ, установленных на стороне ВН (рис. 38, а), соединять в такой же треугольник, как и обмотка НН, а вторичные обмотки 2ТТ — в такую же звезду, как и обмотка ВН защищаемого трансформатора. При правильной сборке схемы трансформаторов тока 1ТТ создается фазовый сдвиг вторичных токов в плече ВН (/2вн на рис. 38, в) на такой же угол 30°, как и первичных токов в фазах стороны НН (/inn на рис. 38,6) и, следовательно, вторичных токов в плече НН. Этим обеспечивается совпадение по фазе вторичных токов, подводимых к дифференциальным реле (рис. 38, в). Поэтому ток в дифференциальных реле всех фаз при отсутствии других причин возникновения тока небаланса будет
Правильность сборки схемы дифференциальной зашиты трансформатора обязательно проверяется перед включением трансформатора и затем после его включения под нагрузку.
Устранение неравенства абсолютных значений вторичных токов в плечах дифференциальной защиты. Для того чтобы устранить или сделать минимальным ток небаланса, возникающий по причине неравенства значений вторичных токов, применяются в основном два способа:
выравнивание вторичных токов, подводимых к дифференциальному реле, с помощью промежуточных трансформаторов тока, включенных в плечи дифференциальной защиты;
выравнивание в самом дифференциальном реле магнитодвижущих, сил (МДС), создаваемых неодинаковыми по значению токами плеч дифференциальной защиты.
Первый из способов имеет недостатки и сейчас практически не применяется. Второй способ широко используется благодаря тому, что в типовых дифференциальных реле серий РНТ-560 и ДЗТ-10 предусмотрены специальные уравнительные обмотки с большим числом ответвлений. Если, например, у двухобмоточного трансформатора имеются два значения вторичных токов: 3 и 5 А (ток небаланса равен 2 А),
Рис. 39. Выравнивание магнитодвижущих сил (МДС) с помощью уравнительных обмоток специального реле дифференциальных защит, например типа РНТ-565 (для одной фазы): ωур1 = 10 вит.;ωуР2 = 6 ВИТ.
то, подобрав для стороны с током 3 А число витков уравнительной обмотки, равное 10, а для стороны с током 5 А — число витков, равное 6, получим равенство абсолютных значений МДС, представляющих произведение числа витков данной обмотки и проходящего по ней тока:
Поскольку магнитодвижущие силы имеют такие же условные направления, что и создающие их токи, разность этих сил в обеих уравнительных (первичных) обмотках Н'ГТ равна нулю (рис. 39), ток в его вторичной обмотке а12 равен нулю и, следовательно, ток небаланса в исполнительном органе ИО также равен нулю.
В реле серий РНТ-560 и ДЗТ-10 могут быть установлены лишь целые числа витков уравнительных обмоток, поэтому точного равенства МДС удается добиться далеко не всегда. Оставшееся неравенство (небаланс) МДС приводит к появлению тока небаланса, который должен учитываться при выборе тока срабатывания защиты.
Ограничение тока небаланса, вызванного полной погрешностью трансформаторов тока. «Правила» [1] требуют, чтобы трансформаторы тока в схемах ре-лепной защиты работали с полной погрешностью не более 10%. Для дифференциальных защит 10%-ная полная погрешность должна обеспечиваться при максимальном значении тока внешнего КЗ. Иногда можно добиться, чтобы погрешность трансформаторов тока была ниже 10%, путем уменьшения сопротивления вторичной нагрузки (главным образом — при увеличении сечения соединительных проводов) или последовательного включения двух трансформаторов тока на фазу. Однако полностью устранить ток небаланса, вызванный погрешностью трансформаторов тока, невозможно. Поэтому он должен учитываться при выборе тока срабатывания защиты.
Отстройка от тока небаланса. В дифференциальных защитах трансформаторов отстройка от тока небаланса с целью обеспечения несрабатывания защиты при внешних КЗ осуществляется в основном двумя способами:
путем выбора тока срабатывания большим, чем максимальное расчетное значение тока небаланса Iнб, по выражению (41); этот способ используется для защит с реле серии РНТ-560, а также с РТ-40;
путем торможения (загрубления) дифференциальной защиты вторичным током внешнего КЗ, циркулирующим в плечах защиты; этот способ используется для защит с реле серии ДЗТ-10 и в этой книге не рассматривается [3, 9].
И в том, и в другом случаях необходимо определить максимальное расчетное значение тока небаланса при внешнем КЗ.
Расчетное значение тока небаланса. Расчетный ток небаланса в дифференциальных защитах трансформаторов принято представлять в виде суммы трех составляющих:
где Iнб— составляющая, обусловленная разностью намагничивающих токов трансформаторов тока в плечах дифференциальной защиты; в практических расчетах ее принято считать равной току намагничивания или полной погрешности е худшего из трансформаторов тока защиты; /"б — составляющая, обусловленная регулированием напряжения и, следовательно, изменением первичного тока только на регулируемой стороне трансформатора; Iнб — составляющая, вызванная неточностью выравнивания МДС с помощью уравнительных обмоток реле с НТТ.
Первая из составляющих, характерная для дифференциальной защиты любого из элементов электроустановок,
где Iк.max.ап. — периодическая составляющая тока при расчетном внешнем трехфазном металлическом КЗ; е — относительное значение тока намагничивания, равное полкой погрешности трансформаторов тока; при проектировании принимается равным 0,1 при обязательном выборе трансформаторов тока и сопротивления их вторичной нагрузки по кривым предельных кратностей (§ 8), при обслуживании защиты может быть определено по фактическим вольт-амперным характеристикам ТТ (рис. 27,6); Kanep — коэффициент апериодичности, учитывающий переходный режим; для реле с НТТ может быть принят равным 1, учитывая способность НТТ насыщаться при переходном однополярном токе с формой кривой, аналогичной кривой на рис. 37, а, для реле тока без НТТ (например, РТ-40) принимается равным 2; kодн — коэффициент однотипности, при разнотипных ТТ принимается равным 1.
Вторую составляющую тока небаланса необходимо учитывать только при расчете дифференциальной защиты трансформаторов с РПН, когда относительная погрешность, обусловленная регулированием напряжения на одной из сторон трансформатора, ∆U > 0,05:
Третья составляющая, обусловленная неравенством вторичных токов в плечах дифференциальной защиты I2ном.вн и I2ном.нн, при отсутствии устройств для выравнивания токов или МДС определяется по выражению
При выполнении дифференциальной защиты с реле серий РНТ-560 или ДЗТ-10, имеющими уравнительные обмотки (рис. 39), третья составляющая тока небаланса, обусловленная неточностью выравнивания МДС с помощью уравнительных обмоток, вычисляется по выражению
где ωрасч — расчетное число витков уравнительной обмотки; ω— принятое (целое) число витков уравнительной обмотки; Iк.max.вн.— то же, что в выражениях (44) и (45).
Схема дифференциальной токовой отсечки, выполненной на максимальных реле тока типа РТ-40 (без специальных устройств для выравнивания вторичных токов). Схема приведена на рис. 40,а. Выбор тока срабатывания производится по выражениям (41)-(46).
Рис. 40. Схема дифференциальной токовой отсечки трансформатора со схемой соединения обмоток Y/∆-11, выполненная на реле типа РТ-40 (а) и расчетная схема к примеру выбора тока срабатывания дифференциальной отсечки (б\
Для примера рассчитывается дифференциальная токовая отсечка трансформатора ТМ-4000/10, напряжением 10/6,3 кВ, мощностью 4 MB -А; напряжение КЗ Uk = 7,5%. Максимальное и минимальное значения тока при трехфазном КЗ за трансформатором одинаковы: 2600 А, отнесенных к напряжению 10 кВ. Номинальные токи трансформатора, определенные по выражениям (2) и (3), равны 231 А — для стороны ВН и 367 А — для стороны НН.
Выбираются ТТ с коэффициентом nт.т. = 400/5 для обеих сторон, но с учетом схемы соединения ТТ на стороне ВН в треугольник, вторичный номинальный ток в этом плече защиты I2ном.вн. = 5 А (231*5*1,73/400), в другом — I2ном.нн = 4,59 А (367*5/400). Значения этих токов указаны на расчетной схеме (рис. 40,6).
Ток небаланса определяется по выражениям (44) — (46):
Ток срабатывания защиты по условию отстройки от тока небаланса по выражению (41) будет Iс.з. = 1,3*863= 1122 А или 486% номинального тока трансформатора. При таком токе срабатывания также обеспечивается отстройка (несрабатывание) этой защиты при БТН в момент включения трансформатора под напряжение.
Ток срабатывания реле по выражению (22)
Коэффициент чувствительности по выражению (42)
где Iр.= 1,5*2600/ (400/5) = 48,7 А — ток в реле ТДА или ТДС (рис. 40, а) при двухфазном КЗ за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/∆-11 (см, векторную диаграмму рис, 2, д). Коэффициент чувствительности для этой схемы может быть вычислен и по первичным токам:
Несмотря на то, что значение коэффициента чувствительности соответствует требуемому [1], дифференциальная защита, имеющая, как правило, ток срабатывания, в 4—5 раз превышающий номинальный ток трансформатора, не может считаться эффективной. Более чувствительную дифференциальную защиту можно выполнить на реле серии РНТ-560.
Устройство реле серии РНТ-560 и схема его включения для защиты двухобмоточного трансформатора. Упрощенная схема дифференциальной защиты с реле серии РНТ-560 приведена на рис. 41, а (в учебных целях — только для одной фазы). Первичная обмотка ω1 состоит из рабочей ωр. и уравнительных ωур1. и ωур2 (рис. 41,6) с большим числом ответвлений для точного выравнивания МДС, создаваемых неодинаковыми вторичными токами защиты, а также для выполнения уставки срабатывания реле. Вариант
Рис. 41. Упрощенная схема дифференциальной защиты трансформатора с реле серии РНТ-560 (для одной фазы) (а) и принципиальная схема включения первичной обмотки НТТ ω1 состоящей из двух уравнительных ωур1.,ωур2 и одной рабочей обмотки ωраб. (б)
ω2,ωк—вторичная и короткозамкнутая обмотки НТТ; ИО — исполнительный орган (электромагнитное реле типа РТ-10)
включения первичной обмотки на рис. 41,6 может быть изменен с целью исключения рабочей обмотки ωраб. Для этого зажимы 2 и 6 реле соединяются, а перемычка 2—4 размыкается, обмотка ωраб. остается разомкнутой. Такой вариант включения реле и используется для защиты двухобмоточных трансформаторов.
Вторичная обмотка ω2 расположена на другом стержне магнитопровода НТТ, к ней подключен исполнительный орган (реле типа РТ-40) и резистор для подрегулировки его тока срабатывания. Имеется разъем (накладка) 11—12 для измерения тока небаланса в исполнительном органе.
Короткозамкнутая обмотка wkпредназначена для эффективной отстройки защиты от апериодической составляющей броска тока намагничивания при включении силового трансформатора, а регулируемый резистор RKслужит для усиления или ослабления этой отстройки. При использовании реле РНТ-565 для защиты трансформаторов устанавливается RR= 3 = 4 Ом (для старых реле РНТ-562 это соответствует положению штепсельных винтов Б—Б). При предельной загрузке трансформаторов тока дифференциальной защиты рекомендуется установить RK~ 0,8= 1 Ом, что улучшает отстройку от бросков тока намагничивания. Надежность отстройки дифференциальной защиты от БТН проверяется опытным путем: пятикратным включением трансформатора под напряжение со стороны основного питания.
Ток срабатывания дифференциальной защиты трансформаторов, выполненной на реле РНТ-565, как правило, определяется условием (41) отстройки от тока небаланса, так как его значение оказывается больше, чем ток срабатывания, выбранный по условию отстройки от БТН (0,9—1,3 номинального тока трансформатора). Ток срабатывания реле определяется по выражению (22). Для обеспечения заданного тока срабатывания на реле серии РНТ-560 необходимо на рабочей обмотке установить число витков, определяемое по выражению
где Fс.р.— магнитодвижущая сила, необходимая для срабатывания реле, А; для реле РНТ-565 она равна (100 ±5) А, для реле РНТ-562 (снятых с производства)—(60 ±4) А.
Рис. 42. Принципиальная схема включения реле типа РНТ-565 (ТДл и ТДс) дифференциальной токовой защиты двухобмоточного трансформатора со схемой соединения обмоток
Указания и примеры расчета уставок дифференциальной защиты с реле РНТ-565 приведены в работе [9]. Пример включения реле РНТ-565 в дифференциальной защите двухобмоточного трансформатора со схемой соединения обмоток Y/∆-11 приведен на рис. 42. В качестве оперативного тока может быть использован постоянный или выпрямленный оперативный ток (подобно тому, как показано на рис. 31, а, б), или переменный оперативный ток, с помощью реле РП-341, дешунтирующих ЭО (рис. 32).