Дифференциальная защита

 

Дифференциальная защита

 

Область применения и принцип действия

Дифференциальная защита применяется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Ввиду ее сравнительной сложности дифференциальная защита устанавливается не на всех трансформаторах (автотрансформаторах), а лишь в следующих случаях [Л. 41]: 
1) на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВ *А и выше; 
2) на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4 000 кВ *А и выше; 
3) на трансформаторах мощностью 1 000 кВ*А и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности 

 а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 1 с. 
При параллельной работе трансформаторов (автотрансформаторов) дифференциальная защита обеспечивает не только быстрое, но и селективное отключение поврежденного трансформатора (автотрансформатора), что поясняется на рис. 9-1.

Если параллельно работающие трансформаторы T1 и Т2 имеют только максимальные токовые защиты, то при повреждении, например, в точке К на вводах низшего напряжения трансформатора T1 подействуют максимальные токовые защиты обоих трансформаторов, а так как их выдержки времени одинаковы, отключатся оба трансформатора. 
 
Дифференциальная защита, действующая без выдержки времени, обеспечивает в рассмотренном случае отключение только поврежденного трансформатора. Для выполнения дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) устанавливаются трансформаторы тока со стороны всех его обмоток, как показано на рис. 9-2 для двухобмоточного трансформатора. Вторичные обмотки соединяются в дифференциальную схему (см. §8-3) и параллельно к ним подключается токовое реле. Аналогично выполняется дифференциальная защита автотрансформатора. 
При рассмотрении принципа действия дифференциальной защиты условно принимается, что защищаемый трансформатор имеет коэффициент трансформации, равный единице, одинаковое соединение обмоток и одинаковые трансформаторы тока с обеих сторон. 
Согласно выражению (8-2) при прохождении через трансформатор сквозного тока нагрузки или к. з. ток в реле равен:

При принятых выше условиях и пренебрегая током намагничивания трансформатора, который в нормальном режиме имеет малую величину, можно считать, что первичные токи равны II= III и, следовательно, вторичные токи I1 = I2. С учетом этого

Таким образом, если схема дифференциальной защиты выполнена правильно и трансформаторы тока имеют точно совпадающие характеристики, то при прохождении через трансформатор тока нагрузки или тока сквозного к. з. ток в реле дифференциальной защиты трансформатора отсутствует. Следовательно, дифференциальная защита трансформатора, так же как дифференциальная защита линий, на такие режимы не реагирует.

Практически вследствие несовпадения характеристик трансформаторов тока вторичные токи не равны 

 и поэтому в реле проходит ток небаланса, т. е.

Для того чтобы дифференциальная защита не подействовала от тока небаланса, ее ток срабатывания должен быть больше этого тока, т. е.

При к. з. в трансформаторе или любом другом месте между трансформаторами тока направление токов III и I2 изменится на противоположное, как показано на рис. 9-2, б. При этом ток в реле согласно (8-9) станет равным

Таким образом, при к. з. в зоне дифференциальной защиты в реле проходит полный ток к. з., деленный на коэффициент трансформации трансформаторов тока. Под влиянием этого тока защита срабатывает и производит отключение поврежденного трансформатора.

б) Особенности, влияющие на выполнение дифференциальной защиты трансформаторов (автотрансформаторов)

1. Наличие намагничивающего  тока, проходящего только со стороны  источника питания

Даже в том случае, когда трансформатор (автотрансформатор) имеет коэффициент трансформации, равный единице, и одинаковое соединение обмоток, ток со стороны источника питания больше тока со стороны нагрузки на величину намагничивающего тока. 
 
Намагничивающий ток в нормальном режиме составляет примерно 1—5% номинального тока трансформатора (автотрансформатора) и поэтому вызывает лишь некоторое увеличение тока набаланса. 
 
Иные явления происходят при включении холостого трансформатора (автотрансформатора) под напряжение или при восстановлении напряжения после отключения к. з. 
 
В этих случаях в обмотке трансформатора (автотрансформатора) со стороны источника питания возникает бросок намагничивающего тока, величина которого в первый момент времени в 5—8 раз превышает номинальный ток трансформатора (автотрансформатора), но быстро в течение времени порядка 1 с затухает до величины порядка 20% номинального тока. 
 
Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты от броска намагничивающего тока ток срабатывания защиты должен быть больше максимального значения намагничивающего тока, т. е.

Величина Iнам.макс зависит от конструкции трансформатора (автотрансформатора), момента его включения под напряжение и ряда других условий, трудно поддающихся учету. Поэтому при практических расчетах дифференциальной защиты ток срабатывания определяется на основании опыта эксплуатации и специальных испытаний по формуле

где Iном — для трансформаторов номинальный ток обмотки, имеющей наибольшую мощность; для автотрансформаторов — номинальный ток, определенный по его типовой мощности;

 — коэффициент надежности отстройки, принимаемый равным от 1 до 4, в зависимости от типа реле, используемых в схеме дифференциальной защиты. 
 
Автотрансформаторы характеризуются двумя значениями мощности: номинальной или проходной мощностью SН0М и типовой или расчетной мощностью Sтип. 
 
Номинальной мощностью автотрансформатора называется та предельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор на стороне высшего напряжения. 
 
Типовой мощностью автотрансформатора называется мощность, на которую рассчитаны его обмотки. 
 
Номинальная (проходная) и типовая (расчетная) мощности находятся между собой в следующем соотношении:

UB — номинальное высшее напряжение; UC — номинальное среднее напряжение. 
 
Установка величины тока срабатывания больше максимального значения намагничивающего тока — не единственный способ отстройки от бросков намагничивающего тока. Ранее довольно широко применялись дифференциальные защиты трансформаторов с током срабатывания, меньшим номинального тока защищаемого трансформатора, но с выдержкой времени порядка 0,5—0,8 с. За это время, как указывалось выше, намагничивающий ток затухает и токовые реле дифференциальной защиты возвращаются в исходное положение еще до истечения указанной выдержки времени. В настоящее время дифференциальная защита с выдержкой времени не применяется. Наличие выдержки времени ухудшает защиту самого трансформатора (автотрансформатора), увеличивая размеры повреждений, а также приводит к необходимости повышения выдержек времени защиты линий для обеспечения селективности их действия с дифференциальной защитой трансформаторов. 
 
Некоторые иностранные фирмы выпускали реле для дифференциальной защиты трансформаторов (автотрансформаторов), снабженные специальными блокирующими устройствами для отстройки от бросков намагничивающего тока. Однако из-за сложности и недостаточной надежности такие реле в СССР распространения не получили.

2. Неравенство  вторичных токов и разнотипность  трансформаторов тока

Из принципа действия дифференциальной защиты следует, что для получения наименьших токов небаланса трансформаторы тока должны иметь одинаковые характеристики, что при осуществлении дифференциальной защиты трансформаторов (автотрансформаторов) практически невыполнимо. 
 
Поскольку у трансформаторов и автотрансформаторов токи со стороны обмоток высшего, среднего и низшего напряжений не равны, трансформаторы тока, выбираемые по номинальным токам обмоток, имеют разные коэффициенты трансформации и различное конструктивное выполнение. Вследствие этого они имеют различные характеристики и погрешности. 
 
Номинальные токи обмоток трансформаторов (автотрансформаторов), как правило, не совпадают со шкалой номинальных токов трансформаторов тока. Поэтому при выборе трансформаторов тока принимается трансформатор тока, номинальный ток которого является ближайшим большим по отношению к номинальному току обмотки трансформатора (автотрансформатора).

Так, например, номинальные токи обмоток трансформатора мощностью 5 600 кВ • А, напряжением 35/6,6 кВ составляют: 
 
со стороны обмотки 35 кВ

При определенных выше номинальных токах трансформаторы тока должны иметь коэффициенты трансформации: со стороны 35 кВ — 100/5 и со стороны 6,6 кВ — 600/5. При этом вторичные токи трансформаторов тока составляют (рис. 9-3, а): 
 
со стороны обмотки 35 кВ

Таким образом, вследствие неравенства вторичных токов в плечах дифференциальной защиты в дифференциальном реле при номинальной нагрузке трансформатора проходит ток небаланса, равный:

При сквозном к. з. этот ток возрастает пропорционально току к. з., а также вследствие возрастания погрешностей трансформаторов тока, имеющих неодинаковые характеристики, что может вызвать ложное действие дифференциальной защиты. 
 
Поэтому для снижения тока небаланса, вызванного неравенством вторичных токов трансформаторов тока дифференциальной защиты, производится выравнивание этих токов путем включения специальных промежуточных автотрансформаторов тока AT или путем использования выравнивающих или уравнительных обмоток дифференциальных реле (см. ниже). 
 
Промежуточные автотрансформаторы тока, как показано на рис. 9-3, б и в, могут включаться как со стороны обмотки низшего напряжения, так и со стороны обмотки высшего напряжения. Рекомендуется включать их со стороны более мощных трансформаторов тока. 
 
Для рассмотренного выше трансформатора промежуточный автотрансформатор тока AT, установленный со стороны 6,6 кВ (рис. 9-3, б), должен повышать ток с 4,08 до 4,62 А, т. е. должен включаться как повышающий и иметь коэффициент трансформации:

При установке промежуточного автотрансформатора тока со стороны 35 кВ (рис. 9-3, в) он должен понижать ток с 4,62 до 4,08 А, т. е. должен включаться как понижающий и иметь коэффициент трансформации

3. Неодинаковые  схемы соединения обмоток трансформаторов

Рассмотренные выше соотношения токов в схеме дифференциальной защиты справедливы только для трансформаторов, имеющих одинаковые схемы соединения обмоток: звезда — звезда или треугольник — треугольник. При неодинаковых схемах соединения обмоток, например звезда :— треугольник, эти соотношения несправедливы, так как токи со стороны обмотки, соединенной в звезду, и токи со стороны обмотки, соединенной в треугольник, оказываются сдвинутыми относительно друг друга па некоторый угол, величина которого зависит от схемы соединения обмоток. Угловой сдвиг токов создает большие токи небаланса в реле дифференциальной защиты. 
 
Прохождение токов через трансформатор с соединением обмоток звезда — треугольник и векторные диаграммы, поясняющие образование углового сдвига, показаны на рис. 9-4. 
 
Как видно, токи в фазах обмотки, соединенной в звезду 

 , и в фазах обмотки, соединенной в треугольник   (рис. 9-4, б и в), не имеют углового сдвига. Однако в месте установки трансформаторов тока 2Т со стороны обмотки, соединенной в треугольник, проходят токи, равные геометрической разности фазных токов (рис. 9-4, г); так, в фазе АII проходит ток   равный разности фазных токов  аналогично в фазе В II проходит ток   и в фазе СII — ток    
 
Эти токи, как видно из векторной диаграммы па рис. 9-4, г и д, сдвинуты относительно токов   на угол 330° 
 
по движению часовой стрелки (или на 30° против движения часовой стрелки). 
 
Соединение обмоток трансформатора по схеме звезда — треугольник, создающее такой угол между токами, называется 11-й группой. 
 
Из рис. 9-4, д видно, что даже при равенстве величин первичных токов со стороны обмоток, соединенных в звезду и в треугольник, т. е. когда     их геометрическая разность из-за наличия углового сдвига не равна нулю, а равна вектору    
 
При угловом сдвиге 30° и равенстве величин токов величина тока Iр определяется выражением

или с учетом того, что sin 15° = 0,26,

Таким образом, угловой сдвиг первичных токов трансформатора является источником значительных токов небаланса в реле дифференциальной защиты.