Диф защита трансформатора (ДЗТ): принцип действия и токи небаланса

Условная схема дифференциальной защиты

Если принять за узел защищаемый объект (рис. 1.1) и фиксировать ток на всех ветвях, связывающих защищаемый объект (узел) с внешней сетью, то при повреждении на отходящей ветви сумма токов, входящих и выходящих из узла, будет равна нулю.

Рис. 1.1. Схема дифференциальной защиты с циркулирующими токами

При повреждении защищаемого объекта (КЗ в узле) сумма токов по ветвям будет равна току короткого замыкания.

По схеме на рис. 1.1 в нормальном нагрузочном режиме и при внешнем коротком замыкании (на исходящей ветви, за трансформатором тока в сторону сети) во вспомогательных проводах, соединяющих вторичные обмотки трансформаторов тока, циркулируют токи, равные вторичным токам ТТ.

Поэтому такое выполнение продольной дифференциальной защиты именуется схемой с циркулирующими токами. Другим вариантом исполнения дифференциального принципа (рис. 1.2) является схема с уравновешенными напряжениями, в которой вторичные обмотки ТТ соединяются между собой последовательно, и в эту же цепь включен реагирующий орган (дифференциальное реле). Считается, что одноименные концы первичной и вторичной обмоток ТТ расположены с одной стороны. Ток в реле будет равен:

где Z – сумма сопротивлений вспомогательных проводов, обмотки реле и обмоток ТТ.

Рис. 1.2. Схема дифференциальной защиты с уравновешенными напряжениями

В нормальном режиме и коротком замыкании вне зоны действия Е1 = Е2 и направлены в противоположные стороны, ток в реле равен нулю.

При повреждении в защищаемой зоне Е1 ≠ Е2, но направлены в одну сторону, ток в реле не равен нулю и, если он превышает ток срабатывания, то защита отключит поврежденный элемент.

В схеме с уравновешенными напряжениями в нормальном режиме и внешних коротких замыканиях токи во вторичных обмотках ТТ отсутствуют, и ТТ работают в режиме холостого хода. Это может привести к недопустимому перегреву ТТ и появлению высоких напряжений во вторичных цепях, поэтому схема с уравновешенными напряжениями со стандартными трансформаторами тока по рис. 1.2 не применяется, обычно устанавливаются специальные промежуточные ТТ. Кроме того, схема требует использования максимально близких по характеристикам ТТ. Таким образом, схема с уравновешенными напряжениями получается более сложной, чем с циркулирующими токами, и поэтому она получила ограниченное применение.

В свою очередь схема с циркулирующими токами может выполняться в двух вариантах: с малым сопротивлением и с большим сопротивлением дифференциальной цепи реле.

Достоинством схемы с малым сопротивлением дифференциального реле является шунтировка измерительных ТТ, что максимально устраняет их влияние друг на друга.

Достоинством схемы с большим сопротивлением дифференциальной цепи является автоматическое загрубление защиты при насыщении какого-либо ТТ при внешнем КЗ, так как в этом случае малое сопротивление ветви намагничивания насыщенного ТТ шунтирует дифференциальную цепь, уменьшая ток (напряжение) небаланса.

Чаще всего схема с большим сопротивлением дифференциальной цепи применяется при выполнении дифференциальных защит шин, где возможно глубокое насыщение ТТ на том присоединении, где произошло внешнее для дифференциальной защиты КЗ и в чувствительных дифференциальных защитах от замыканий на землю. В настоящее время в связи с уменьшением затрат на реализацию сложных алгоритмов при переходе на электронную элементную базу изготовления реле, схема с большим сопротивлением вытесняется защитами с малым сопротивлением дифференциального реле.

При рассмотрении принципа действия дифференциальных защит было принято, что в нагрузочном режиме и в режиме внешнего короткого замыкания ток в дифференциальной цепи равен нулю. Это возможно только в том случае, если вторичные токи ТТ точно равны первичным приведенным токам, т. е.

В действительности в дифференциальной цепи в этих режимах протекает ток, называемый током небаланса.

Определим, из каких составляющих складывается ток небаланса.

Конструкция ЗОН-110

Конструкция ЗОНа состоит из цилиндра, на которое крепится основание. Основание-это небольшая деталь в виде угла, на котором закреплена вся конструкция. К нему присоединен статический контакт с устройством, состоящим из трубы (в основном алюминиевая) на которую крепится круглая пластинка с валом. Такое устройство называется ножом заземления. Нож соединен с фазным проводом линии, который входит в фазу заземления вторым концом.

Давление всей установки устанавливается и регулируется стальной пружиной. Вентильные разрядники, устройства защищающие установку от перенапряжения. Берут весь удар на себя во время грозы. Внешний вид напоминает металлическую гусеницу. Включается ЗОН 110кВ между нулевой точкой напряжения и землёй, либо напрямую через трансформатор со вторичной обмоткой.

Погрешность ТТ в работе диф защиты трансформатора

Эта составляющая тока небаланса характерна для всех дифференциальных защит и вызвана тем, что вторичный ток равен:

где Iвтор. – вторичный ток ТТ; I’перв. – приведенный ко вторичной обмотке первичный ток; I’нам. – приведенный ко вторичной обмотке ток намагничивания. Ток в реле – ток небаланса – равен (для дифференциальной защиты с двумя ветвями):

где Iвтор.1, I’перв.1, I’нам.1 – вторичный, приведенный первичный и приведенный ток намагничивания ТТ первой ветви; Iвтор.2, I’перв.2, I’нам.2 – то же для второй ветви. При условии, что первичные токи защищаемого объекта равны первичным токам ТТ при внешнем коротком замыкании: Ток небаланса будет равен:

В общем случае ток небаланса равен геометрической сумме токов намагничивания всех ветвей дифференциальной защиты:

Для того чтобы выявить влияние нагрузок ТТ и сопротивления дифференциального реле на ток небаланса, составим схему замещения дифференциальной защиты [3]:

Рис. 1. 3. Схема замещения дифференциальной токовой защиты
На рис. 1. 3. введены следующие обозначения: Z’перв1, Z’нам1, Zвтор1 – приведенные сопротивления первичной обмотки и ветви намагничивания,сопротивление вторичной обмотки ТТ первой ветви; Z’перв2, Z’нам2, Zвтор1 – то же для второй ветви; I’перв1, I’нам1, Iвтор1 – приведенные первичный ток, ток намагничивания и вторичный ток ТТ первой ветви; I’перв2, I’нам1, Iвтор1 – то же для второй ветви; IР, ZРО – ток в цепи дифференциального реле и сопротивление дифференциального реле; rпр1, rпр2 – сопротивление соединительных проводов от ТТ до дифференциального реле для первой и второй ветви.

Принимая, что все сопротивления по рис. 1. 3 являются линейными элементами и составив для этой схемы уравнения по законам Кирхгофа, получим для Iнб при внешнем КЗ, когда I’перв1 = I’ перв2:

где Z2 = Zвтор2 + rпр2 ; Z1 = Zвтор1 + rпр1; Z’нам1 • Z’нам2 = Z’ 2нам; Z’нам1 + Z’нам2 = 2Z’нам. Анализ формулы (1 – 6) показывает, что для снижения тока небаланса необходимо для менее мощных ТТ (имеющих меньшее сопротивление намагничивания) уменьшать внешнюю нагрузку.

К сожалению, для большинства трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник», как раз для менее мощных ТТ, на стороне «звезды» нагрузка должна быть увеличена в три раза за счет соединения ТТ в «треугольник», что приводит к большой погрешности ТТ, к увеличению тока небаланса и соответственно к увеличению тока срабатывания дифференциальной защиты.

В переходных режимах работы токи небаланса могут во много раз превосходить установившиеся значения. Проведенные исследования показали, что переходный ток небаланса может содержать значительную апериодическую составляющую, причем при равенстве сопротивления плеч и идентичности вольт-амперных характеристик ТТ ток небаланса представляет однополярный сигнал.

При неравенстве сопротивления плеч ТТ в токе небаланса появляются отрицательные полуволны [4]. На переходный процесс оказывают значительное влияние постоянные времени первичной и вторичной цепи – с их возрастанием токи небаланса увеличиваются, а сам переходный процесс затягивается.

Для обеспечения правильного функционирования дифференциальной защиты необходимо ток срабатывания защиты отстроить от токов небаланса, вызванных погрешностью ТТ в режиме максимального тока внешнего короткого замыкания.

Ввиду сложности расчетов для реальных ТТ переходных токов небаланса, ток срабатывания дифференциальных защит выбирают по условию отстройки от установившегося тока небаланса, а учет переходного режима производится введением повышающего коэффициента kпер, который определяет степень конструктивной отстройки дифференциального реле от переходного режима (реле с промежуточными насыщающимися ТТ, реле с время-импульсной схемой и т.д.).

Для дифференциальных защит, в которых объединяются ТТ нескольких сторон защищаемого объекта, ток небаланса, вызванный погрешностями ТТ, определяется в режиме, когда ТТ одной стороны работают с допустимой погрешностью, а ТТ других – без погрешности.

В этом случае разность токов сторон будет протекать в дифференциальной цепи и определять ток небаланса.

Максимальная допустимая полная погрешность ТТ для дифференциальных защит в установившемся режиме максимального тока внешнего КЗ не должна превышать 10%.

Если для дифференциальной защиты используются ТТ одинакового типа, с одним коэффициентом трансформации, работающие примерно в одинаковых условиях, то мало вероятно, чтобы погрешность, с одной стороны, была равна допустимой, а с другой – равна нулю. Для учета таких условий работы ТТ (в формуле определения тока небаланса) вводится коэффициент однотипности ТТ, равный 0,5.

Таким образом, составляющая тока небаланса, вызванная погрешностью ТТ, определяется:

где kпер – коэффициент, учитывающий переходный режим; kодн – коэффициент однотипности ТТ, который принимается равным 1,0 или 0,5 в зависимости от условий работы ТТ; ε – полная погрешность ТТ в установившемся режиме при расчетном токе внешнего металлического КЗ; IКЗ макс – максимальное значение тока при установившемся внешнем металлическом КЗ.

Защита с током срабатывания, выбранным по условию отстройки от тока небаланса по (1–7), не обеспечивает требование необходимой чувствительности защиты, поэтому применяют различные способы повышения чувствительности и отстройки от тока небаланса. Традиционным способом отстройки от токов небаланса является процентное торможение, под которым понимается возрастание тока срабатывания дифференциального реле с увеличением тормозного тока. В качестве тормозного тока можно использовать фазный ток одной или нескольких сторон защиты, полусумму абсолютных значений токов сторон защиты и т.п.

Как происходит процесс

При подаче нагрузки намагничивание прибора из-за включения рассматривается как негативное явление, способное спровоцировать БТН максимальной амплитуды. При отключении ток намагничивания сокращается до нулевой отметки, а магнитная индукция корректируется в зависимости от степени намагничивания стального сердечника, в результате чего в магнитопроводе сохраняется остаточная индукция.

Если через время повторить включение токопреобразующего устройства под напряжение, подчиненное синусоидальному закону изменения, магнитная индукция меняется со смещением остаточной величины до 90% от номинального значения. В результате возникает высокая амплитуда намагничивания и изменение формы кривой.

Рис. 3. Кривая БНТ классического типа

Уровень намагничивающего тока затухает на десятые доли секунды, но полное «сглаживание» кривой наступает в течение нескольких секунд, а при определенных условиях – через несколько минут. Длительность затухания апериодической составляющей осциллограммы БТН обусловлена высокой амплитудой тока в начальный (нулевой) момент времени и содержанием разных гармоник. Пиковая величина зависит от нагрузочного напряжения и его параметров, а также от значения и полярности остаточного магнитного потока в сердечнике.

Пик тока может быть выше номинального значения для высокомощных агрегатов в 10-15 раз, а для приборов мощностью (

Компенсация угловых сдвигов первичных токов и исключение токов нулевой чувствительности

Для силовых трансформаторов со схемой соединения «звезда−треугольник» между токами высшего и низшего напряжения существует угловой сдвиг с кратностью в 300. Без принятия мер для компенсации этого сдвига потребовалось бы значительное загрубление дифференциальной защиты по току срабатывания. Поэтому угловой сдвиг первичных токов компенсируется соответствующим поворотом вторичных токов на одной из сторон трансформатора.

Первичный поворот токов происходит из-за соединения обмоток трансформатора в «треугольник». Поэтому для компенсации фазовой погрешности трансформаторы тока тоже соединяются в треугольник.

Теоретически безразлично, на какой стороне соединить трансформаторы тока в «треугольник». Однако для силового трансформатора с заземленной нулевой точкой на стороне «звезда» при внешнем повреждении на землю со стороны нейтрали протекают токи нулевой последовательности – нейтраль «генерирует» токи нулевой последовательности. Эти токи трансформируются во вторичную цепь на стороне высшего напряжения, а на стороне «треугольника» в трансформаторах тока эти токи отсутствуют, так как первичные токи нулевой последовательности циркулируют внутри обмотки «треугольника» и не выходят во внешнюю цепь. Таким образом, весь ток нулевой последовательности со стороны «звезды» трансформатора будет протекать в дифференциальную цепь.

Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты необходимо подавить токи нулевой последовательности в дифференциальной цепи.

Соединение трансформаторов тока на стороне «звезды» силового трансформатора в «треугольник» обеспечивает, с одной стороны, компенсацию углового сдвига первичных токов и, с другой стороны, отсутствие тока нулевой последовательности в дифференциальной цепи за счет того, что токи нулевой последовательности циркулируют внутри схемы «треугольника» трансформаторов тока.

Следует заметить, что соединение трансформаторов тока в «треугольник» увеличивает нагрузку вторичной цепи в три раза, что может привести к увеличению погрешности трансформаторов тока, необходимости увеличения сечения контрольных кабелей, замены трансформаторов тока и т.д.

В современных цифровых дифференциальных защитах компенсация углового сдвига токов и исключение токов нулевой последовательности обеспечивается программными средствами, что позволяет на всех сторонах силового трансформатора соединять трансформаторы тока в «звезду».

Интересное видео о защите силового трансформатора:

Монтаж

Монтаж на электростанциях, независимо от видов ЗОНа, производится по следующему алгоритму:

1. Подготовка плоскостей конструкций для установки опоры. Они должны быть ровными, так как небольшая неровность увеличивает риски возникновения сбоев в работе.
2. Затем происходит установка заземлителя на подготовленную ранее поверхность.
3. Крепежные элементы должны быть установлены плотно в специальных отверстиях.
4. После этого их необходимо крепко затянуть.
5. Затем происходит установка привода. Он присоединяется к ЗОНу трансформатора посредством сварки концов тяги с осью и вставкой.
6. Отрегулировать тягой изоляционное расстояние. Оно должно быть равно 8,9 см и более.
7. Произвести пробный запуск заземлителя.
8. Соединить подводящую шину с выводом заземлителя.
9. Затем необходимо удалить пыль с изолятора. Для этого нередко используют обычный растворитель для краски.
10. После завершения монтажа производится шлифовка и окраска монтажных швов.
11. Затем все соединения обрабатывают смазкой.

Разные коэффициенты ТТ в ДЗТ

Для выравнивания вторичных токов с разных сторон силового трансформатора необходимо, чтобы номинальные первичные токи силового трансформатора были равны номинальным первичным токам ТТ, а при соединении ТТ в «треугольник» – номинальный первичный ток ТТ был в √3 раз меньше номинального тока этой стороны силового трансформатора.

ТТ имеют стандартную шкалу номинальных значений, поэтому для выравнивания вторичных токов с разных сторон трансформатора используются промежуточные автотрансформаторы (трансформаторы) или магнитное выравнивание с помощью подключения цепей вторичных токов к разным числам витков.

Однако все эти способы не позволяют точно сбалансировать вторичные токи (невозможность установки дробного числа витков или из-за дискретности отпаек витков обмотки и т.п.), поэтому появляется дополнительная составляющая тока небаланса. Эта составляющая определяется:

где Wрасч – расчетное число витков; Wуст – установленное число витков. Расчетное число витков определяется по выражению:

где Wосн и Iном. осн – число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за основную; Wрасч и Iном – расчетное число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за неосновную.

Следует отметить, что в современных цифровых реле удается минимизировать эту составляющую тока небаланса (до уровня ≈ 1%).

Регулировка коэффициента трансформации силовых трансформаторов

Выравнивание вторичных токов ТТ производится при одном определенном коэффициенте трансформации силового трансформатора (при номинальном или оптимальном положении регулятора). При изменении положения регулятора напряжения равенство токов (ампер-витков) нарушается.

В дифференциальной цепи появляется еще одна составляющая тока небаланса, которая определяется по формуле:

где Δu – относительное максимальное изменение коэффициента силового трансформатора от номинального (оптимального) значения.