Дифференциальные токовые защиты трансформаторов и особенности их выполнения

Дифференциальный принцип позволяет выполнить быстродей­ствующую защиту трансформатора, реагирующую на повреждения в обмотках, на выводах и в соединениях с выключателями. Для осуществления защиты используются трансформаторы тока TAI, ТАII, установленные с обеих сторон защищаемого трансформатора вблизи выключателей Q1, Q2 (рис. 13.11, а). Вторичные обмотки трансформаторов тока и реле КА соединяются в схему продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами. При этом по обмотке реле КА, как и по обмотке реле рассмотренных выше дифференциальных защит (см. § 10.3, 12.3), при отсутствии по­вреждения в защищаемой зоне проходит ток небаланса. Однако этот ток в дифференциальной защите трансформатора определя­ется не только погрешностью трансформаторов тока, но и рядом Дополнительных факторов. Эти факторы обусловливают особенности схемы, усложняют ее и должны учитываться при выполне­нии дифференциальной защиты трансформатора.

Ток намагничивания трансформатора. У силовых трансформато­ров коэффициент трансформации n _т= U _1I/ U _1II≠1,0. Поэтому в защите должны сравниваться токи İ _1I и İ _1II/ n _т. При отсутствии повреждения в защищаемой зоне ток намагничивания İ _нам= İ _1I— İ _1II/ n _т обусловливает неравенство сравниваемых токов I _1I и I _1II/ n _т. В связи с этим в обмотке реле появляется дополни­тельная составляющая тока небаланса I _нб.нам, которая при нор­мальной работе и внешних коротких замыканиях незначительна и поэтому может не учитываться.

Иное происходит при появлении в питающей обмотке трансфор­матора броска тока намагничивания I _бp.нам, максимальные мгно­венные значения которого достигают 6—8-кратных значений ам­плитуды номинального тока в первый момент включения трансфор­матора под напряжение и при восстановлении напряжения после отключения внешних коротких замыканий. Ток намагничивания, проходя через обмотку реле, может вызвать неправильное сраба­тывание защиты. Переходный ток намагничивания содержит зна­чительные высшие гармонические (2-ю и 3-ю), а также значитель­ную апериодическую составляющую, в результате чего кривая его мгновенных значений почти полностью смещается от оси времени (рис. 13.11, б).

Время полного затухания переходного тока намагничивания определяется постоянными времени ветви намагничивания транс­форматора и сети и может достигать нескольких секунд. Однако уже по истечении времени t= 0,3÷0,5 с его максимальные мгно­венные значения становятся меньше амплитуды номинального то­ка трансформатора. Отстройка дифференциальной защиты от бросков тока намагничивания является первым условием при выборе тока срабатывания. В этом случае другими слагающи­ми тока небаланса, малыми по сравнению с I _бp.нам, можно прене­бречь. Поэтому расчетный первичный ток небаланса

 

I _{нб.рсч max1} ≈ I _бp.нам.                                                    (13.5)

 

Отстройка защиты от броска тока намагничивания достигает­ся в основном двумя путями: загрублением защиты по току сраба­тывания; включением реле через промежуточные насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ).

Схемы соединения обмоток трансформатора. Так как n _т≠1,0, то при нормальной работе и сверхтоках, обусловленных перегруз­кой или внешними короткими замыканиями, токи I _1I и I _1II на сторо­не высшего U _1I и низшего U _1II напряжений не равны между собой. В трансформаторах с соединением обмоток Y/Y—12 токи отлича­ются только по абсолютному значению (ток намагничивания не учитывается).

В случае разного соединения обмоток трансформатора, напри­мер по схеме Y/Δ, токи сдвинуты по фазе на угол, определяемый группой соединения обмоток. Соответственно сдвинуты по фазе и вторичные токи İ _2I и İ _2II.

Для группы соединения Y/Δ—11 угол сдвига фаз составляет π/6 (рис. 13.11, в). Поэтому при отсутствии повреждения в защи­щаемой зоне в симметричном режиме в обмотке реле появляется значительный ток I _нб = 2 I _2I sin (π/12). Для его устранения необхо­димо, чтобы сравниваемые токи независимо от группы соединения трансформатора совпадали по фазе.

При принятых условных положительных направлениях токов (рис. 13.12)

 

İ _AΔ = İ _α - İ _β; İ _BΔ = İ _β - İ _γ; İ _CΔ = İ _γ - İ _α.

 

Кроме того,

 

İ _AY =√3İ _α/ n _т; İ _BY =√3İ _β/ n _т; İ _CY =√3İ _γ/ n _т.

 

Из этих соотношений получается:

 

İ _AΔ = n _т (İ _AY - İ _BY )/√3;

(13.6)

İ _BΔ = n _т (İ _BY – İ _CY )/√3;

İ _CΔ = n _т (İ _CY – İ _AY )/√3.

 

Выражения (13.6) показывают, что дифференциальная защита трансформа­тора с соединением обмоток Y/Δ—11 должна выполняться так, чтобы сравни­вались совпадающие по фазе токи: İ _AΔ и (İ _AY - İ _BY ); İ _BΔ и (İ _BY – İ _CY ); İ _CΔ и (İ _CY – İ _AY ). Это достигается путем соединения вторичных обмоток транс­форматоров тока TAI, установленных со стороны звезды защищаемого транс­форматора, по схеме треугольника, а ТАII со стороны его треугольника — по схеме звезды. Группа соединения трансформаторов тока должна соответствовать группе соединения обмоток защищаемого трансформатора. При этом в случае заземленной нейтрали (рис. 13.12) по схеме треугольника должны соединяться именно трансформаторы тока TAI со стороны звезды защищаемого трансформа­тора. Действительно, если эти трансформаторы тока соединить в звозду, а транс­форматоры тока ТАII со стороны треугольника защищаемого трансформатора — в треугольник, то из выражения (13.6) имеем

 

(13.7)

√3 n _т (İ _AY – İ ₀ ) = İ _AΔ – İ _CΔ;

√3 n _т (İ _BY – İ ₀ ) = İ _BΔ – İ _AΔ;

√3 n _т (İ _CY – İ ₀ ) = İ _CΔ – İ _BΔ.

 

Соотношения (13.7) показывают, что дифференциальная защита трансформатора с указанным соединением трансформаторов тока может правильно ра­ботать при условии, если в фазных токах İ _AY, İ _ВY, İ _СY при нормальной работе и внешних коротких замыканиях нет составляющей нулевой последовательно­сти İ ₀. Такое положение имеется лишь при изолированной нейтрали трансфор­матора.

Соединение трансформаторов тока по схеме треугольника со стороны звез­ды защищаемого трансформатора с заземленной нейтралью исключает про­никновение токов нулевой последовательности в цепи циркуляции и обмотки ре­ле и тем самым предотвращает возможность неправильной работы защиты при внешних коротких замыканиях на землю.

Коэффициенты трансформации трансформаторов тока. Номи­нальные токи защищаемого трансформатора определяются с каж­дой его стороны по номинальной мощности S _{т. ном}:

 

I _{т. номY} = S _{т. ном} / (√3U _Y ); I _{т. номΔ} = S _{т. ном} / (√3U _Δ ).

 

Расчетный коэффициент трансформации трансформаторов тока выбирается исходя из равенства абсолютных значений токов: I _aΔ =I _abY(рис. 13.12). При этом коэффициент трансформации трансформаторов тока, вторичные обмотки которых соединены в треугольник, следует выбирать по току √3I _т.номY. При вторичном номинальном токе трансформаторов тока I _2ном=5 А их рас­четные коэффициенты трансформации равны:

для соединенных по схеме звезды K _{I рсчΔ} = I _{т. номΔ}/5;

для соединенных по схеме треугольника K _{I рсчY} = √3I _{т. номY} /5.

Получающиеся расчетные коэффициенты в общем случае отли­чаются от коэффициентов трансформации, которые принимаются по шкале номинальных токов как ближайшие большие. В связи с этим токи в цепях циркуляции могут быть различными и обу­словливают дополнительную составляющую тока небаланса:

 

I _нб.вр = (Δf _вр /100)(I ⁽³⁾_{к вн max} / K_I),                            (13.8a)

 

где Δf _вр=[(I _2I и I _2II)/ I _2I]100 — погрешность от неточности вы­равнивания токов.

При Δf _вр>5 % токи выравниваются автотрансформаторами или уравнительными обмотками реле с НТТ (см. § 13.7).

Автоматическое регулирование коэффициента трансформации. Регулирование коэффициента трансформации защищаемого транс­форматора (см. § 13.10) нарушает соотношение между первичными токами I _1I и I _1II. В связи с этим нарушается степень выравнивания токов в цепях циркуляции, а в обмотке реле появляется дополни­тельная составляющая тока небаланса I _нб.рег, пропорциональная диапазону изменения напряжения ΔU _peг в одну сторону от номи­нального:

 

I _нб.рег = (ΔU _peг /100 )(I ⁽³⁾_{к вн max} / K_I).                       (13.8б)

 

Разнотипность трансформаторов тока. Разнотипность трансфор­маторов тока, установленных со стороны высшего и низшего напряжений, обусловливает различие их характеристик намагничи­вания и в связи с этим приводит к увеличению составляющей тока небаланса I _нб.пгр, определяемой полной погрешностью трансформаторов тока ε(%):

 

I _нб.пгр =(k _одн k _ап ε/100)(I ⁽³⁾_{к вн max} / K_I).                     (13.8в)

 

У трехобмоточных трансформаторов, а также у двухобмоточ­ных с расщепленными обмотками неодинаковы кратности тока при внешних коротких замыканиях для трансформаторов тока, уста­новленных с разных сторон защищаемого трансформатора. Это обусловливает различную степень намагничивания магнитопровода трансформаторов тока и увеличивает тем самым составляющую I _нб.пгр. Неидентичность характеристик трансформаторов тока учи­тывается коэффициентом однотипности k _одн, который для диффе­ренциальной защиты трансформатора принимается максимальным (k _одн=1,0).

Из изложенного следует, что ток небаланса дифференциальной защиты трансформатора при внешних коротких замыканиях име­ет повышенное значение: в худшем случае все рассмотренные со­ставляющие (13.8а)—(13.8в) складываются арифметически, обра­зуя при внешнем коротком замыкании максимальный расчетный ток небаланса:

 

  I _{нб.рсч max}= I _нб.пгр+ I _нб.рег+ I _нб.вр= (k _ап ε+ΔU _peг+ Δf _вр ) (I ⁽³⁾_{к вн max}/ K_I) /100                     (13.9)

При максимальных ΔU _peг = ±16 %, ε =10 %, Δf _вр = 5 % и k _ап = 2,0.

 

I _нб.пгр =0,41I ⁽³⁾_{к вн max} / K_I.

 

Выражение (13.9) определяет второе условие, которое учитывается при выборе тока срабатывания. При этом отстройка защиты от тока I _{нб.рсч max} при внешних коротких замыканиях до­стигается путем загрубления защиты выбором тока срабатывания: I _с.р > k _сх k _зап I _{нб.рсч max}, где k _сх — коэффициент схемы; использова­ния специальных реле с торможением, например типа ДЗТ.

При выборе способа отстройки защиты от токов небаланса ис­ходят из обеспечения достаточной чувствительности и быстродей­ствия защиты. Согласно требованиям, коэффициент чувствительно­сти, определяемый при коротком замыкании на выводах транс­форматора, должен быть k _ч > 2,0.