Схемы дифференциальных защит

а) Варианты схем токовых цепей защиты

провода отсутствующей фазы В используется нулевой (обрат­ный) провод, в котором, как это следует из токораспределения на рис. 16-28, а, проходит геометрическая сумма противо­положно направленных токов фаз Л и С, т. е. ток, совпадаю­щий но величине и направлению с током отсутствующей фазы В (рис. 16-28, б):

Поэтому при всех случаях внешних к. з. токи в реле упрощенной схемы балансируются так же, как и в полной трехфазной схеме. В этом можно убедиться, построив распределение токов в цепях защиты при всех видах внешних к. з. или, что проще, рассмотрев для этих повреждений распределение токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Упрощенная схема не действует при двойных замыканиях на землю на стороне низшего напряжения в тех случаях, когда земля в трансформаторе возникает на фазе, не имеющей транс­форматора тока. Это повреждение будет отключаться другими защитами трансформатора — максимальной или газовой или за­щитой поврежденной линии.

На практике иногда применялась схема с третьим реле в фазе В. Такая схема обладает существенным недостатком — повышен­ным током небаланса в реле фазы В, поэтому она не рекоменду­ется к применению. В реле фазы (В) балансируются не два тока, как обычно, а три: I _b∆ со стороны треугольника и токи двух трансформаторов тока а и b со стороны неполной звезды. В ре­зультате этого I _нб равен геометрической разности трех намагни­чивающих токов вместо двух в трехфазной

схеме ( _{нам bλ}- _{нам b∆}).

На трансформаторах большой и средней мощности следует применять трехфазную схему как более совершенную.

б) Дифференциальная токовая отсечка

Дифференциальная токовая отсечка выполняется посредством простых токовых реле, действующих на отключение без выдержки времени. Схема защиты показана на рис. 16-29.

Основным условием правильной работы защиты является от­стройка тока срабатывания реле защиты от бросков намагничи­вающих токов, возникающих при включении трансформатора, и токов небаланса при внешних к. з.

Для облегчения отстройки от мгновенного пика бросков намаг­ничивающих токов на выходе защиты следует устанавливать про­межуточное реле с временем действия 0,04—0,06 с. За это время величина намагничивающего тока успевает снизиться, что позво­ляет не отстраиваться от максимального броска намагничивающего тока.

Ток срабатывания для отстройки от токов намагничивания при наличии выходного промежуточного реле со временем действия 0,03—0,06 с принимается в пределах I_с.з = (3÷5) I _ном.т Выбранный ток срабатывания должен проверяться непосредственным включением холостого трансформатора под напряжение.

Трансформаторы тока должны выбираться по кривым предельной кратности так, чтобы их полная погрешность не превышала 10%. При этих условиях отстройка от тока на­магничивания одновременно обеспечивает отстройку и от токов небаланса при внеш­них к. з.

Из-за большой величины тока срабатывания защита недостаточно чувствительна к витковым замыканиям. На­дежность действия защиты при повреждениях на выво­дах трансформатора с при­емной стороны необходимо проверять по току к. з. Как обычно, чувствительность оценивается коэффициентом

Расчет коэффициентов трансформации трансформа­ торовтока и автотрансфор­маторов производится по § 16-5, б. Для выравнивания токов ис­пользуются автотрансформаторы ВУ-25Б.

Достоинством защиты являются простота и быстродействие. Недостатком следует считать ограниченную чувствительность.

Дифференциальная отсечка обычно применяется на трансфор­маторах малой мощности в случаях, когда необходимо обеспечить быстрое и двустороннее селективное отключение их при между­фазных коротких замыканиях.

в) Дифференциальная защита с токовыми реле, включенными через быстронасыщающиеся трансформаторы

Схема и принцип действия. Применение быстронасыщающихся трансформаторов (БНТ) позволяет выполнить простую и быстро­действующую дифференциальную защиту, надежно отстроенную от токов небаланса и бросков намагничивания. На рис. 16-30, а представлена схема дифференциальной защиты с реле типа РНТ-565. Как указывалось, БНТ плохо трансформирует аперио­дические токи (см. гл. 15). Переходные токи небаланса и броски намагничивающих токов силовых трансформаторов расположены асимметрично относительно оси времени и содержат вследствие этого значительную апериодическую составляющую, которая не трансформируется на вторичную сторону БНТ, а почти полностью идет на намагничивание его сердечника. В реле защиты попадает лишь переменная составляющая тока небаланса и броска намагничивающего тока силового трансформатора. Однако за счет насыщения сердечника БНТ, обусловленного подмагничивающим действием апериодического тока, трансформация переменной составляющей также ухудшается, что еще больше уменьшает ток в реле.

После затухания апериодической составляющей нормаль­ные условия для трансформации периодического тока восстанав­ливаются. Подмагничивающее действие апериодического тока, появляющегося в первый момент к. з., приводит к замедлению защиты при повреждении в ее зоне. Из-за насыщения сердечника БНТ трансформация тока в реле уменьшается настолько, что ток I _р оказывается меньше I _с.р, и реле не действует до тех пор, пока не затухнет апериодическая составляющая тока. Продолжительность такого замедления невелика и составляет 0,03—0,1 с. За­медление действия является недостатком схемы с БНТ. На рис. 16-31, а приведена полученная из опытов осцилло­грамма тока намагничивания силового трансформатора I нам, про­текающего по первичной обмотке БНТ, и соответствующего ему тока I _р во вторичной обмотке БНТ, а на рис. 16-31, б — осцил­лограмма тока к. з. I _к и вызванного им тока небаланса I _нб и

тока I '_p, протекающих по первичной и вторичной обмоткам БНТ.

Ток срабатывания защиты должен отстраиваться от пере­менной составляющей переходных токов намагничивания и не­баланса. В результате этого чувствительность защиты с насыщаю­щимися трансформаторами оказывается выше, чем токовой от­сечки. Опыт эксплуатации показывает, что ток срабатывания можно выбирать в пределах (1 ÷ 2) I _ном.т. При этом предполага­ется, что трансформаторы тока подобраны по кривым предельной кратности.

Выше отмечалось, что реле РНТ-565 совмещает в себе устрой­ство для выравнивания вторичных токов защиты и БНТ, питаю­щий реле. Схема, поясняющая его включение, показана на рис. 16-30.

Обмотки w _ди w₂ образуют насыщающийся трансформатор; первая из них включается по дифференциальной схеме (на раз­ность токов), а вторая — питает токовое реле Р (типа РТ-40). Уравнительные обмотки w _у включаются в плечи защит и служат для уравнивания вторичных токов. В защитах двухобмоточных трансформаторов используется одна обмотка.

Число витков уравнивающей обмотки регулируется с помощью отпаек и подбирается так, чтобы при внешнем к. з. ток в реле, а следовательно, и в обмотке w₂ отсутствовал, т. е. I _р = I ₂ = 0. Для обеспечения этого условия намагничивающие силы уравни­тельной и дифференциальной обмоток должны уравновешиваться согласно выражению (16-16), или иначе говоря поток Ф_д = —Ф_у2.

Ток срабатывания защиты регулируется изменением числа витков обмотки w _д. На магнитопроводе реле РНТ имеется короткозамкнутая обмотка w_к. Она повышает отстройку реле от токов небаланса и бросков намагничивающих токов силового трансфор­матора особенно, когда эти токи не полностью сдвинуты относи­тельно нулевой линии (рис. 16-30, г).

Подобные токи имеют значительную периодическую составляю­щую и относительно небольшую апериодическую, что понижает эффективность действия БНТ. Короткозамкнутая обмотка w_к огра­ничивает периодический ток, возникающий во вторичной обмотке РНТ, но не изменяет подмагничивающее действие апериодической составляющей.

Ток I _д, поступающий в первичную обмотку РНТ w _д (рис. 16-30, б), создает магнитодвижущую силу F _д =I _д w _д, которая образует в среднем стержне магнитный поток Ф_д, замыкающийся по крайним стержням 2 и 3 магнитопро-вода.

В общем случае ток I _д состоит из переменной I _д,_п и апериодической I _д._а. составляющих: I _д = I _{д. п} + I _д.а. Соответственно этому образуются две соста­вляющие м. д. с. F_д..п и F_д.а и два магнитных потока Ф_д._п и Ф_д._а.

Переменный поток Ф_д.п замыкаясь по стержню 2, наводит в обмотке w₂, питающей реле Р, э. д. с. Е₂. Апериодический поток Ф_д._а, медленно изменя­ющийся во времени, не создает э. д. с. в w₂ и полностью затрачивается на нама­гничивание магнитопровода.

При наличии короткозамкнутой обмотки (рис. 16-30, в) переменная составляющая потока Ф_д._п наводит в витках w _k э. д. с. Е_k и ток I _к. Последний создает м. д. с. F_к = I _к w _k и F'_k = 1_кw'_к.

Магнитодвижущая сила F_к действует навстречу F _{д. п} и почти полностью компенсирует ее. Результирующая м. д. с. F₁ = F _д.п— F _k создает остаточный поток Ф_п «Ф_д.п (где Ф_д.п —магнитный поток при отсутствии короткозамкну­той обмотки). Магнитодвижущая сила F'_k образует поток Ф'_k, замыкающийся вместе с составляющей потока Ф_п по стержню 2.

Параметры короткозамкнутой обмотки подбираются так, чтобы суммар­ный магнитный поток в стержне 2 Ф₂ = Ф_п2 + Ф'_{к 2} был меньше потока Ф_д.п2^. Здесь Ф_п2, Ф'_к и Ф_{д п2} —составляющие магнитных потоков Ф_п, Ф_к и Ф_д.п, замыкающиеся по стержню 2. Таким образом, короткозамкну­тая обмотка уменьшает переменный магнитный поток, создаваемый периодическим током I _д.п, питающим обмотку w _д.

На магнитодвижущую силу F _д.а, создаваемую апериодическим током I _да, короткозамкнутая обмотка w_к не влияет, так как скорость изменения тока I _д. _а очень мала и поэтому ток I _д._а не вызывает в ней э. д. с. Это означает, что поток Ф_д._а, создаваемый F _д ._а = I _д._а w _д, и его подмагничивающее действие практически не зависят от короткозамкнутой обмотки.

Короткозамкнутая обмотка уменьшает трансформацию периодической составляющей тока в реле и не влияет на величину и действие апериодической составляющей. Влияние обмотки w _к равноценно уменьшению периодического тока в обмотке w _д c I _{д п} до некоторой величины I' д _п при сохранении неизмен­ной I _д._а

Изменением сопротивления г меняются величины тока I _к и его фаза отно­сительно первичного тока I _д._п. Это позволяет регулировать влияние коротко-замкнутой обмотки на работу реле.

Варианты схем включения обмоток реле РНТ (рис. 16-32). В диф­ференциальной защите двухобмоточных трансформаторов (или автотрансформаторов) для компенсации неравенства токов в пле­чах защиты достаточно использовать только одну уравнительную обмотку (например, w _уII), включая ее в плечо с меньшим током (рис. 16-32, а).

Для повышения точности компенсации применяются схемы с включением уравнительной обмотки в каждое плечо защиты, при этом дифференциальная обмотка, как и в предыдущей схеме, включается на разность токов плеч (рис. 16-32, б) и, наконец, возможна схема с использованием только уравнительных обмоток w _уI и w _уII по рис. 16-32. в.

В схемах защиты трехобмоточных трансформаторов (рис. 16-32, г) используются дифференциальная и обе уравнительные обмотки. Последние включаются в плечи II и III с меньшими токами. Плечо I с большим током подсоединяется непосредственно к дифференциальной обмотке реле.

Выбор параметров защиты: коэффициентов трансформации трансформа­торов тока, тока срабатывания защиты и витков дифференциальной и урав­нительных обмоток (рис. 16-30, а) [Л.5, 6, 10].

1. Определяются коэффициенты трансформации трансформаторов тока первой и второй групп Т₁ и Т_II из условия, что транс­форматоры тока должны длительно допускать протекание номинального тока защищаемого трансформатора (или автотрансформатора) и обеспечивать равенство токов в плечах защиты согласно (16-116) и (16-12).

В схемах защиты, в которых обе группы трансформаторов тока (первая и вторая) соединены в звезду, коэффициенты трансформации n _т1 и n _тII определяются по выражению

где I _номI и I _номII— номинальные токи силового трансформатора, отнесен­ные к напряжению той стороны, где установлены рассматриваемые трансфор­маторы тока.

Номинальные токи силовых трансформаторов находятся по их номиналь­ной мощности S_Ном, а автотрансформаторов — по их проходной мощности S_прох.

По расчетным значениям n _т1 и n _тII выбираются стандартные трансфор­маторы тока с тем же или ближайшим большим n_т.

В дифференциальных защитах, у которых одна группа трансформаторов тока соединена в треугольник, а вторая — в звезду, коэффи­циент трансформации n _тII второй группы выбирается по выражению (16-21).

Первая группа, соединенная по схеме треугольника, должна длительно выдерживать номинальный ток обмотки силового трапсформатора, соединен­ной в звезду (I_ном1). Этому условию удовлетворяет трансформатор тока с коэф­фициентом трансформации n _т1≥ I _номI/5. Однако для обеспечения равенства токов в плечах защиты [по условию (16-12)] расчетный коэффициент n _т1 при­нимается в раз большим по выражению

Плечо с большим током называется основным, в дальнейшем будем считать, что основным является плечо I (рис. 16-30, а).

Если токи I _1в и 1_IIВ различаются больше чем на 5%, то предусматривается компенсация их различия с помощью уравнительных обмоток трансформа­тора в РНТ.

3. Выбирается ток срабатывания защиты. Он дол­жен быть отстроен от броска намагничивающего тока защищаемого трансформатора или автотрансформатора и от максимального тока небаланса при внеш­нем к. з.

По первому условию

здесь k _сх учитывает схему соединений трансформаторов тока на стороне, по которой протекает ток к. з. I_{к .з}.

В соответствии с ПУЭ допускается k_ч ≥ 2.

При недостаточной чувствительности из-за большого значения тока не­баланса приходится применять более сложные реле с торможением.

Числовые примеры расчета уставок приведены в [Л. 6,22].

г) Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение

В дифференциальных защитах, установленных на трансформато­рах с регулированием напряжения под нагрузкой или много­обмоточных трансформаторах с несколькими питающими обмот ками, токи небаланса в установившемся режиме имеют значитель­ную величину. В этих случаях дифференциальная защита с реле, включенными через БНТ, получается малочувствительной вслед­ствие того, что ее ток срабатывания приходится увеличивать до 3—4-кратного значения номинального тока трансформатора. Чув­ствительность дифференциальной защиты в указанных случаях может быть повышена применением дифференциальных реле с торможением. Принцип действия таких реле был рас­смотрен в гл. 10.

Схема и характеристики дифференциальной защиты с торможе­нием. Схема защиты для двух- и трехобмоточного трансформато­ров показана на рис. 16-33. Рабочая обмотка реле включается дифференциально, т. е. на разность токов трансформаторов тока, а тормозные — в плечи дифференциальной защиты с таким расче­том, чтобы в любом случае внешнего к. з. хотя бы одна тормозная обмотка реле обтекалась током сквозного к. з.

При этих условиях ток срабатывания защиты (т. е. ток в рабочей обмотке, необхо­димый для действия защиты) под влиянием тока, протекающего в тормозной обмотке реле, возрастает, что повышает надежность отстройки защиты от появляющихся в этом случае токов небаланса (рис. 16-34).

При к. з. в зоне ток повреждения I _к, протекающий по тормозным обмоткам, загрубляет реле (увеличивает его I _с.р) так же, как и в условиях внешнего к. з., но несмотря на это чувствительность тормозного реле оказывается выше, чем у реле с БНТ без торможения, что видно из диаграммы, приведенной на рис. 16-34 (точки а и б). Чувствительность тормозного реле при к. з. в зоне можно повысить, если тормозные обмотки включать не во все плечи защиты (как показано на рис. 16-33), а только там, где это необходимо для торможения при внешних к. з. На­пример, если у защиты двухобмоточного трансформатора (рис. 16-33, а) включить только одну тормозную обмотку Т₂ (в плечо, по которому при повреждении в зоне ток I _т = 0), то при внешнем к. з. торможение будет, а при к. з. в зоне оно отсутствует и реле будет срабатывать при токе I _р == I ₀, т. е. при меньшем токе, чем при наличии тормозной обмотки Т₁. Чувствительность тормозного реле можно повысить и на трехобмоточном трансформаторе, если не включать тормозной обмотки Т₁.

Для обеспечения достаточной надежности действия защиты при повреждениях в зоне и селективности при внешних к. з. коэффи­циент торможения, характери­зующий наклон характеристики реле (рис. 16-34), принимается равным 30—60%, а начальный ток I _с.р0 при I _т = 0 выбирает­ся равным 1,5—2 А, т. е. 30— 40 % I _ном.т.т.

Однако наличие торможе­ния не устраняет возможности срабатывания реле от бросков намагничивающего тока, так как в этом случае ток в рабочей обмотке равен току в тормоз­ной обмотке, что соответствует условиям к. з. в зоне защиты.

Наряду с этим торможение при внешних к. з. оказывается

часто недостаточным для предотвращения ложного действия за­щиты под влиянием сильно возрастающих переходных токов не­баланса. Для устранения этих недостатков тормозных реле в СССР разработана конструкция дифференциальных реле, сочетающих в себе принципы торможения с принципом отстройки от аперио­дических токов при помощи БНТ. Успешное решение этой задачи привело к разработке в Новочеркасском политехническом инсти­туте имени Орджоникидзе оригинальной конструкции реле с маг­нитным торможением, показанной на рис. 16-35 [Л. 66, 72].

Реле с магнитным торможением. Реле (рис. 16-35) состоит из трехстержневого насыщающегося трансформатора 1, питающего обмотку электромагнитного реле 2. Насыщающийся трансформа­тор имеет, как и обычный БНТ, первичную рабочую обмотку w_р и вторичную обмотку w ₂, в цепь которой включено дифференци­альное реле. Для осуществления торможения на магнитопровод насыщающегося трансформатора насажена третья — тормозная обмотка w _т. Рабочая обмотка включается дифференциально, а тор­мозная — в рассечку плеча токовой цепи защиты, т. е. так же, как соответствующие обмотки обычного тормозного реле.

Тормозная и вторичная обмотки реле состоят из двух секций: А и В, расположенных на крайних стержнях магнитопровода. Рабочая обмотка помещена на среднем стержне.

Секции w _тA и w _тВ тормозной обмотки соединены так, что созда­ваемый ими магнитный поток Ф_т замыкается по крайним стерж­ням. Поток Ф_т наводит в секциях w _{2 А} и w _{2 В} вторичной обмотки э. д. с. Е_тА и Е_тВ, которые, однако, взаимно уничтожаются, так как они равны по величине и взаимно противоположны по направлению. В результате этого ток тормозной обмотки не создает тока в реле и служит только для подмагничивания крайних стержней магнитопро­вода, насыщая их и ухудшая трансформацию тока из рабо­чей обмотки во вторичную.

Поток Ф_р, создаваемый ра­бочей обмоткой, замыкается по крайним стержням и наводит в секциях вторичной обмотки согласно направленные э. д. с, обусловливающие ток в реле.

Поток

Отсюда следует, что ток I _р, необходимый для создания по­тока Ф_р, достаточного для дей­ствия реле 2, зависит от маг­нитного сопротивления R_м, ко­торое увеличивается с насыще­нием крайних стержней маг­нитопровода, вследствие под­магничивания их током I _т тормозной обмотки. Чем больше ток I _т, тем больший ток I _р требуется для действия реле. Эта связь выражается уравне­нием I_р = k _т I _т и изображается графически кривой 1 на рис. 16-36.

Параметры трансформатора подбираются с таким расчетом, чтобы коэффициент торможения k _т= 30 ÷ 60%; его величина остается постоянной в пределах от 10 до 50 А, увеличиваясь при больших значениях тормозного тока. При отсутствии тока в тор­мозной обмотке рассматриваемое реле работает как обычное реле с БИТ.

При внешнем к. з. ток, проходящий по тормозной обмотке, насыщает крайние стержни магнитопровода, в резуль­тате чего ток срабатывания реле возрастает, одновременно с этим ухудшается трансформация тока небаланса, появляющегося в ра­бочей обмотке трансформатора.

При повреждении в зоне защиты ток в рабочей обмотке равен или больше тока I _т; в этих условиях, несмотря на подмагничивание магнитопровода, в реле появляется ток, доста­точный для его действия, что вытекает из характеристик, пока­занных на рис. 16-36.

Магнитная индукция при токе срабатывания реле достигает значения, при котором начинается насыщение магнитопровода (1,1—1,2 Т), благодаря чему апериодический ток почти не транс­формируется во вторичную обмотку, как и в обычном БНТ. Поэтому рассмотренное реле не реагирует на апериодическую составляющую, содержащуюся в намагничивающем токе силового трансформатора и токе небаланса при неустановившихся режимах.

Важнейшими преимуществами реле явля­ются: простота конструкции, хорошая тормозная характеристика, относительно небольшая зависимость I _с.р от фазы тормозных токов, надежная отстройка от апериодической составляющей то­ков намагничивания и возможность выполнения реле с тремя и более тормозными обмотками. Последнее решает задачу защиты многообмоточных трансформаторов.

Вследствие загрубления реле и уменьшения тока небаланса, поступающего в обмотку реле, повышается отстройка защиты от токов небаланса.

Отечественная промышленность выпускает реле типа ДЗТ, основанные на рассмотренном принципе. Эти реле содержат в себе трансформатор для выравнивания токов в плечах защиты. Име­ются реле с одной тормозной обмоткой ДЗТ-11, предназначенные для двухобмоточных трансформаторов, с тремя (ДЗТ-13) и че­тырьмя (ДЗТ-14) тормозными обмотками, применяемые на много­обмоточных трансформаторах.

Дата добавления: 2014-12-23