Дифференциальная защита

а) Назначение и принцип действия дифференциальной защиты

Для защиты трансформаторов от к. з. между фазами, на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение получила дифференциальная защита (рис. 16-19). Принцип дей­ствия дифференциальной за­щиты трансформаторов, так же как и дифференциальной защиты линий и генераторов, основан на сравнении вели­чины и направления токов до и после защищаемого эле­мента (в данном случае транс­форматора). При внеш­нем к. з. и нагрузке токи I₁ и I _II с обоих концов трансформатора направлены в одну сторону, как показано на рис. 16-19, а, и находятся в определенном соотношении, равном коэффициенту транс­формации трансформатора

. (16-10а)

При к. з. в транс­форматоре токи I₁ и I _II направлены встречно от шин к месту повреждения (рис. 16-19, а). В первом случае защита не должна действовать, во втором — должна работать. С учетом этого и выполняется схема защиты. Трансформаторы тока Т_I и Т _II, питающие схему, устанавливаются с обоих сторон защищаемого трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются разноименными полярностями так, чтобы при внеш­нем к. з. и нагрузке вторичные токи I_{1 В} и I _IIВ были направлены в контуре соединительных проводов последовательно (циркули­ровали по ним). Дифференциальное реле Р включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соедине­нии в случае внешнего к. з. и при токе на­грузки вторичные токи I_{1 В} и I _IIВ замыкаются по обмотке реле Р и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен разности вторичных токов:

Выражения (16-116) и (16-12) являются условием селективности при внешних к. з.

б) Особенности дифференциальной защиты трансформаторов и автотрансформаторов

Вдифференциальной защите линий и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, поэтому для выполнения условия селективности (16-116) достаточно иметь равенство коэффициентов трансформации трансформаторов тока. Иное положение имеет место в дифференциальной защите трансфор­маторов. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.

В режиме нагрузки и внешнего к. з. ток трансформатора на стороне низшего напряжения I _II всегда больше тока на стороне высшего напряжения I_1. Их соотношение определяется коэффи­циентом трансформации силового трансформатора согласно (16-10а).

В трансформаторе с соединением обмоток звезда — треуголь­ник и треугольник — звезда токи I₁ и I _II различаются не только по величине, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединения обмоток трансформатора. При наиболее распространенной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треуголь­ника опережает линейный ток со стороны звезды на 30° (рис. 16-20, а). В трансформаторах с соединением обмоток звезда — звезда токи I₁ и I _II или совпадают по фазе (рис. 16-20, б) или сдвинуты на 180^º.

Таким образом, для выполнения условия селективности (16-116) необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов I_1В = / n _{тI и} I _IIВ = / n _тII по величине, а при разных схемах соединения обмоток (λ/∆ и ∆/λ) — и по фазе, с тем чтобы посту­пающие в реле токи были равны.

Компенсация сдвига токов и _В по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмоток трансфор­маторов тока, установленных на стороне звезды силового транс­форматора (рис. 16-21). Соединение в треугольник обмоток транс­форматоров тока должно точно соответствовать соединению в тре­угольник обмоток силового трансформатора.

Трансформаторы тока, расположенные на стороне треуголь­ника силового трансформатора, соединяются в звезду.

На рис. 16-21 изображены векторные диаграммы токов в схеме защиты при нагрузке и внешних трехфазных к. з. Векторы пер­вичных и вторичных токов в трансформаторах тока и силовом трансформаторе показаны на диаграмме совпадающими по фазе.

Из диаграммы следует, что токи в линейных про­водах трансформаторов тока, соединенных в треугольник, I_ав(2), I_{вс (2)}, 1_са(2), сдвигаются относительно соответствующих фазныхтоков во вторичной и первичной обмотках трансформаторов тока на угол 30°. Токи в проводах второй группы трансформаторов тока I_{ab (2)}, I_{bc (2)}, и I_{ca (2)}совпадают по фазе со своими первичными токами и поэтому сдвинуты по отношению к первичному току звезды силового трансформатора, так же как и токи I_ав(2), I_{вс (2)}, 1_са(2), на угол 30°. В результате этого токи, поступающие в реле, совпадают по фазе.

Соединение одной из групп трансформаторов тока в треуголь­ник обеспечивает компенсацию сдвига фаз между вторичными и первичными токами силового трансформатора не только при симметричной нагрузке и трехфазных к. з., но и при любом несимметричном повреждении или нагрузочном режиме.

Справедливость этого положения наиболее просто доказыва­ется с помощью метода симметричных составляющих. Токи прямой и обратной последовательностей симметричны, и поэтому токораспределение их в схеме защит полностью соответствует токораспределению при трехфазном к. з. (рис. 16-21). Следовательно, соединение одной из групп трансформаторов тока в треугольник, а другой — в звезду обеспечивает компенсацию сдвига фаз пер­вичных токов прямой и обратной последовательностей.

Токи нулевой последовательности появляются в случае к. з. на землю и могут замыкаться только через обмотку трансформа­тора, соединенную в звезду, при условии, что ее нулевая точка заземлена. Проходя по этой обмотке, токи нулевой последова­тельности трансформируются в фазы обмотки, соединенные тре­угольником (рис. 16-22).

В контуре треугольника токи I ₀ каждой фазы направлены последовательно и поэтому циркулируют в нем, не выходя за его пределы (рис. 16-22). Это означает, что в дифференциальной за­щите трансформаторов с соединением обмоток звезда — треуголь­ник токи нулевой последовательности протекают только по транс­форматорам тока, установ­ленным со стороны звезды силового трансформатора.

Такое протекание первич­ных токов равноценно токораспределению при повреж­дении внутри трансформато­ра (при одностороннем пита­нии) и может вызвать непра­вильную работу защиты. Эта опасность устраняется тем, что на стороне звезды сило­вого трансформатора (где протекают первичные токи I ₀) трансформаторы тока соеди­няются в треугольник, как показано на рис. 16-22. Тогда токи I ₀ трансформируясь на вторичную сторону трансфор­маторов тока, замыкаются в контуре этого треугольника, не по­падая в реле. При соединении трансформаторов тока па стороне звезды силового трансформатора также в звезду токи нулевой последовательности получают возможность замыкаться через реле, что приведет к неправильной работе защиты при однофазных и двухфазных к. з. на землю в сети.

Таким образом, для компенсации сдвига фаз токов силовых трансформаторов, соединенных по схеме λ/∆ или ∆/λ, необхо­димо трансформаторы тока на стороне звезды соединить в тре­угольник, а на стороне треугольника — в звезду.

Выравнивание величин вторичных токов в плечах дифферен­циальной защиты достигается подбором коэффициентов транс­формации п_Т1, п_ТII трансформаторов тока дифференциальной за­щиты и параметров специально для этой цели установленных промежуточных автотрансформаторов (рис. 16-23, а) или транс­форматоров (рис. 16-23, б).

Коэффициенты трансформации трансформаторов тока n_ТI и n_ТII выбираются с таким расчетом_: чтобы вторичные токи в плечах защиты были равны, как это требуется по условию (16-12), при нагрузке и внешних к. з.

При соединении обмоток силового транс­форматора λ/λ условие (16-12) имеет вид: I₁/n_ТI = I _II /n_ТII, отсюда находим, что для обеспечения равенства токов в плечах защиты коэффициенты трансформации трансформаторов тока за­щиты должны удовлетворять условию

Задаваясь одним из коэффициентов трансформации, например n_ТII, можно найти, пользуясь выражением (16-13) или (16-14), расчетное значение второго — n_ТI, обеспечивающее равенство вто­ричных токов в плечах защиты. Найденный, таким образом, n_ТI, как правило, получается нестандартным. Поэтому используются стандартные трансформаторы с ближайшим к расчетному значению коэффициентом трансформации, а компенсация оставшегося нера­венства осуществляется с помощью выравнивающих автотрансфор­маторов или трансформаторов. В первом случае (рис. 16-23, а) в одном из плеч защиты устанавливается авто­трансформатор АТ. Для выравнивания токов в плечах защиты коэффициент трансформации n _a автотрансформатора подбирается так, чтобы его вторичный ток I _IIа был равен току I_{1 в} в противо­положном плече защиты:

Во втором случае (рис. 16-23, б) применяется промежуточный компенсирующий трансформатор ТК. Трансформатор ТК состоит из трех первичных обмоток. Обмотки w _y1 и w _y2 (урав­нительные) включаются в плечи защиты, а обмотка w _д (дифферен­циальная) — по дифференциальной схеме на разность токов I_1В — I _IIВ. Вторичная обмотка w ₂ питает дифференциальное реле РД. Число витков уравнительных обмоток подбирается так, чтобы геометрическая сумма намагничивающих сил всех трех обмоток в условиях сквозного тока была равна нулю:

При выполнении этого условия результирующая н. с. и маг­нитный поток Ф_рез в магнитопроводе ТК отсутствуют, поэтому ток в дифференциальном реле I_р = 0.

В рассмотренной схеме неравенство токов плеч (I_{1 р} ≠ I _IIв) компенсируется магнитным способом. Этот способ компенсации удобно сочетается с дифференциальным реле, включаемым через БНТ, и получил поэтому широкое распространение в Советском Союзе.

Дата добавления: 2014-12-23