Основные органы ДФЗ и особенности их выполнения

ДФЗ состоит из трех основных элементов: пускового органа П ₁ и П ₂, пускающего передатчик и разрешающего действовать защите при КЗ; органа манипуляции, управляющего передатчиком токов высокой частоты (с помощью Т _м) в зависимости от знака сравниваемых токов, и органа сравнения фаз токов, действующего на отключение при совпадении фаз токов, проходящих по концам линии.

ДФЗ не реагирует на нагрузку, поэтому пусковой орган в схемах этой защиты не является обязательным. Однако при его отсутствии любое нарушение непрерывной циркуляции токов высокой частоты будет приводить к срабатыванию РО и ложному отключению линии. Поэтому во всех схемах ДФЗ применяются пусковые реле, отстроенные от токов нагрузки.

К особенностям выполнения органов защиты относятся:

1) одновременный пуск ВЧ передатчиков на обоих концах защищаемой линии.

При удаленных внешних КЗ, когда пусковые реле, пускающие ВЧ передатчик, работают на пределе своей чувствительности, возможна работа пускового органа только с одной стороны линии. Тогда ток высокой частоты будет прерывистым и защита подействует ложно. Для исключения этого пусковой орган защиты выполняется из двух комплектов: одного – чувствительного, пускающего ВЧ передатчик, и второго – более грубого (в 1,5-2 раза), управляющего цепью отключения.

2) нарушение непрерывности ВЧ сигнала при внешних КЗ и качаниях может возникнуть также вследствие неодновременного действия реле, пускающих передатчики, установленных на противоположных концах линии. Поэтому пуск ВЧ передатчиков при внешних КЗ должен осуществляться несколько раньше, чем срабатывает реле РО, замыкающее цепь отключения защиты, а останов их должен происходить несколько позже возврата пусковых реле, управляющих цепью отключения. При КЗ в зоне передатчик на отключившемся конце линии должен немедленно остановиться для предупреждения блокировки защиты противоположной стороны.

3) выполнение ДФЗ, сравнивающих токи в каждой фазе, получается весьма сложным и дорогим.

Защита значительно упрощается и становится более надежной, если вместо токов фаз сравнивать их симметричные составляющие, получаемые от фильтров, преобразующих трехфазную систему токов в однофазную. В качестве фильтра в защитах этого типа используются комбинированные фильтры, на выходе которых получается ток I _ф, пропорциональный I ₁+ kI ₂ или I ₁ +kI ₀.

Подобные фильтры обеспечивают действие защиты при всех видах КЗ.

В случае симметричных КЗ ток фильтра обусловливается составляющей I ₁, а при несимметричных КЗ – составляющими I ₁ и I ₂ или I ₁ и I ₀.

5.4. ИСКАЖЕНИЕ ФАЗ СРАВНИВАЕМЫХ ТОКОВ

(ФАЗОВЫЕ ПОГРЕШНОСТИ)

При рассмотрении принципа действия защиты предполагалось, что при внешних КЗ токи I _m и I _n по концам защищаемой линии сдвинуты по фазе на угол φ=180º, а при КЗ в зоне – совпадают по фазе, т.е. φ=0º.

В действительности из-за погрешности ТТ и ряда других причин фазы вторичных токов искажаются, и поэтому сдвиг фаз φ между токами на обоих концах линии отличается от указанных выше значений. При больших искажениях фаз токов I _m и I _n возможны неправильные действия защиты при внешних КЗ и отказ в работе – при КЗ в зоне. В связи с этим параметры защиты выбираются так, чтобы она блокировалась в условиях внешнего КЗ при φ=180º-β и работала при КЗ, в зоне при φ>0. Предельное значение угла β, при котором защита должна блокироваться, называется углом блокировки защиты (рис. 5.8). Для уменьшения искажений фаз I _m и I _n ТТ, питающие ДФЗ, должны выбираться по 10%-ным характеристикам, при этом угловая погрешность каждого ТТ не будет превышать 7%.

При КЗ в зоне кроме погрешности ТТ, искажающих фазы токов, имеется расхождение фаз первичных токов I _m и I _n вследствие различия фаз между ЭДС Е _m и Е _n эквивалентных генераторов; разницы углов полных сопротивлений в схемах замещения прямой, обратной и нулевой последовательности и наложения токов нагрузки на токи КЗ.

Рис. 5.8. Расчетные условия работы избирательного органа ДФЗ при внешних, внутренних повреждениях

5.5. ОЦЕНКА ВЧ ЗАЩИТ

Принцип действия ВЧ защит, направленных и дифференциально-фазных, надежен и прост. Эти защиты являются единственными защитами, обеспечивающими мгновенное и двустороннее отключение КЗ на линиях большой протяженности.

ВЧ защиты получили широкое распространение как основные защиты в сетях 110-500 кВ. Они позволяют обеспечивать быстрое и селективное отключение КЗ при любой конфигурации сети и являются чувствительными.

ЧАСТЬ 6

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ

На линиях, отходящих от шин электростанций или узловых подстанций энергосистем, часто по условиям устойчивости требуется обеспечить отключение КЗ в пределах всей защищаемой линии без выдержки времени (t =0). Это требование нельзя выполнить с помощью мгновенных ТО, т.к. их зона охватывает только часть защищаемой линии. Кроме того, отсечки неприменимы на коротких линиях, где токи КЗ в начале и конце линии не имеют существенного различия. В этих случаях используются защиты, принцип действия которых обеспечивает отключение повреждений без выдержки времени в пределах всей защищаемой линии, в том числе и на линиях малой протяженности.

К защитам такого типа относятся дифференциальные защиты. Они обеспечивают мгновенное отключение КЗ в любой точке защищаемого участка и обладают селективностью при КЗ за пределами защищаемой линии (внешние КЗ).

Дифференциальные защиты подразделяются на продольные и поперечные.

6.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ПРОДОЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величины и фазы токов в начале и конце защищаемой линии. На концах защищаемого элемента устанавливаются ТТ с одинаковыми п _Т. Их вторичные обмотки на одноименных фазах соединяются проводами и подключаются к обмотке измерительного реле тока РТ так, чтобы при внешних КЗ ток в реле отсутствовал, а при КЗ в защищаемой зоне определялся током в месте повреждения. Возможны два соединения, удовлетворяющие этим условием, носящие названия схем с циркулирующими токами и уравновешенными напряжениями. Широкое распространение нашло применение первой схемы. В нем вторичные обмотки ТТ соединяются между собой при помощи вспомогательных проводов концами, обращенными внутрь защищаемой зоны, ограниченной ТТ, и наружу от нее; параллельно им (дифференциально) включается обмотка РТ.

Рис. 6.1. Однолинейная схема дифференциальной токовой защиты

Ток в РТ, с учетом условных положительных направлений первичных токов, указанных на рис. 6.1 стрелками (внутрь защищаемой зоны):

.

Ток в реле равен геометрической сумме токов, подходящих к нему от ТТ. При нормальной работе, качаниях и внешних КЗ (т. К ₁) первичные токи I _In и I _IIn, равны и сдвинуты по фазе на 180°. Поэтому при точной трансформации вторичные токи связаны соотношением I _Iв = – I _IIв, I _р = 0, как определяемый действительной разностью токов, и РТ не срабатывает, хотя по вспомогательным проводам циркулируют токи. Поэтому такая схема называется с циркулирующими токами. В ней сравниваются комплексы токов I _I и I _II.

В действительности ТТ работают с погрешностью, вследствие чего вторичные токи имеют некоторое различие по величине и фазе, а их разность не равна нулю. В реле появляется ток небаланса: .

Для исключения неселективной работы защиты при внешних КЗ ток срабатывания дифференциальной защиты должен превышать максимальное значение тока небаланса: .

При КЗ в защищаемой зоне (т. К ₂) токи I _In и I _IIn в общем случае неодинаковы и в сумме равны току в месте КЗ I _к = I _In + I _IIn. Ток I _р = I _к/ п _Т. Если I _р >I _ср, реле срабатывает и через выходное промежуточное реле подает сигналы на отключение выключателей с обеих сторон элемента. При одностороннем питании, например I _IIп = 0, существует только I _Iв. Поэтому при внутреннем КЗ I _р =I _Iв, и защита также срабатывает в случае I _р >I _ср.

6.2. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ

Правильный учет тока небаланса в схеме дифференциальной защиты имеет существенное значение, поскольку от его величины зависит ток срабатывания защиты.

В схеме с циркулирующими токами ток .

Выразим вторичные токи через первичные с учетом погрешности ТТ:

,

где I _Iнам и I _IIнам – токи намагничивания, отнесенные ко вторичным обмоткам ТТ.

При внешнем КЗ I _I = I _II, то .

Следовательно, для уменьшения тока небаланса необходимо выравнивать токи I _Iнам и I _IIнам по величине и по фазе, тогда их разность будет минимальной.

Ток небаланса будет равен нулю при полной идентичности характеристик намагничивания ТТ. Выполнить эти требования с абсолютной точностью на практике не удается, и поэтому ток небаланса всегда имеется. Он возрастает с увеличением магнитной индукции В, которая в свою очередь повышается при увеличении первичного тока I _к и вторичной нагрузки z _н. Особенно значительно растет I _нб при насыщении ТТ, т.к. при этом резко усиливается различие в токах намагничивания ТТ. Поэтому, помимо обеспечения наибольшей идентичности характеристик намагничивания, стремятся к тому, чтобы при максимальном токе внешнего КЗ сердечники ТТ не насыщались.

Для выполнения этого условия используются специальные ТТ, насыщающиеся при возможно больших кратностях тока КЗ и вторичной нагрузки z _н, имеющие больший коэффициент трансформации п _Т. Также необходимо выравнивать нагрузку вторичных обмоток ТТ, т.е. обеспечить условие z _Iн= z _IIн.

Токи намагничивания, а вместе с ними и токи небаланса резко возрастают в первый момент КЗ. В первый момент КЗ ток КЗ состоит из периодической I _п и апериодической I _а составляющих.

Каждая составляющая, протекая по первичной обмотке ТТ, делится на две части: одна трансформируется во вторичную обмотку, а вторая идет на намагничивание сердечника, образуя ток I _нам.

Скорость изменения апериодической составляющей значительно меньше скорости изменения переменной составляющей . Поэтому ток I_а плохо трансформируется во вторичную цепь и большая часть I_{а. нам} идет на намагничивание сердечника. В результате этого ТТ насыщается, что ухудшает трансформацию периодической составляющей и повышает долю этого тока I_{п. нам}, идущую на намагничивание. Таким образом, подмагничивающее действие апериодической составляющей резко увеличивает намагничивающие токи и токи небаланса в переходном режиме КЗ.

Существенное влияние на увеличение тока небаланса оказывает остаточное намагничивание сердечников ТТ.

ТТ остается в намагниченном состоянии, если проходящий через него ток отключается в момент времени, когда он и создаваемый им магнитный поток не равны нулю. В этом случае в сердечнике ТТ остается магнитный поток Ф_ост, который был в нем в момент отключения тока. Если при последующем КЗ остаточный поток Ф_ост совпадает по знаку с магнитным потоком, обусловленный током КЗ, то результирующий поток, равный их сумме, может достигнуть весьма большой величины и вызвать насыщение магнитопровода, в результате которого резко возрастает ток намагничивания и соответственно ток небаланса I _нб.

Точных и удобных способов расчета тока небаланса не существует. На практике пользуются лишь приближенными расчетными формулами.

Для отстройки уставки срабатывания от токов небаланса применяют следующую формулу:

;

,

где k _ап – коэффициент апериодичности, больший единицы (2-3); k _одн – коэффициент однотипности ТТ (0,5-0,7 для однотипных ТТ; 1 – для разнотипных); ε – полная погрешность ТТ; k _зап – коэффициент запаса, учитывающий неточность расчетов (1,3-2); I _{к.вн.mах} – максимальный ток внешнего КЗ.

Ток срабатывания измерительного органа определяется как .

Коэффициент чувствительности k _ч защиты определяется минимальным током в реле при КЗ в защищаемой зоне: . Однако обеспечить такую чувствительность не всегда удается. Вследствие этого, производители устройств РЗ используют ряд мер по повышению чувствительности дифференциальной защиты.

6.3. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТЫ

Для повышения чувствительности необходимо уменьшать ее ток срабатывания. Для этого в соответствии с формулами выбора тока срабатывания можно уменьшить значение k _ап или обеспечить меньший ток срабатывания защиты при КЗ в зоне по сравнению с его значением при внешнем КЗ.

В первом случае будет снижено значение учитываемого тока небаланса в переходном режиме, во втором – обеспечено автоматическое повышение тока срабатывания при переходе точки КЗ из защищаемой зоны вовне.

Снижение значений k _ап может быть достигнуто способами без снижения отстроенности:

1) Замедлением действия защиты (до 0,3 с) на время, в течение которого переходный процесс заканчивается. Однако сейчас этот способ применяется крайне редко, поскольку к защитам предъявляются все более высокие требования к быстродействию.

2) Включением последовательно с реле тока добавочного сопротивления, снижающего апериодические слагающие тока в нем в большей степени, чем периодические. Способ применялся ранее, когда для дифференциальных защит использовались обычные электромагнитные реле тока.

3) Сравнением в измерительном органе фаз токов, а не их комплексных значений. Намагничивающие токи ТТ даже при переходном процессе КЗ не изменяют угол между токами I _I и I _II, близкий к π при внешних КЗ, до значений, соответствующих диапазону углов при КЗ в защищаемой зоне. Таким образом устраняется условие отстройки от тока небаланса при внешних КЗ.

4) Использованием апериодической слагающей в переходном токе небаланса для увеличения тока срабатывания. Это достигается разными способами. Возможно выполнение измерительного органа тока, содержащего рабочую цепь, включенную дифференциально, с током I _раб, обусловливающим срабатывание, и тормозную цепь, в которую подается тормозной ток I _тор с выхода фильтра апериодической составляющей, препятствующий срабатыванию. При КЗ в зоне в рабочей цепи проходит ток I _раб= I _к/ п _Т, а в тормозной цепи ток отсутствует, т.к. апериодическая составляющая быстро затухает, т.е. I _тор≈0. Этому соответствует I _срmin, определяющий чувствительность. При переходном процессе внешнего КЗ I _тор≠0, и поэтому ток срабатывания автоматически увеличивается до нового значения I _ср> I _срmin.

Широко используются специальные реле КАТ, содержащие промежуточные насыщающиеся трансформаторы TALT и реле тока КА (рис. 6.2, а). Ток в реле I' _КА определяется ЭДС Е ₂ вторичной обмотки w ₂ трансформатора, значение которой, например, среднее, пропорционально полному изменению Δ В индукции в магнитопроводе за период, т.е. Е ₂= 2K·B, где K – коэффициент пропорциональности.

При КЗ в защищаемой зоне в первичной обмотке TALT проходит ток i _p= i _к/ п _Т, практически не имеющий смещения относительно оси времени (апериодическая составляющая быстро затухает), изменение индукции по симметричному частному циклу достигает Δ В ³2 В _с и среднее значение Е ₂³ 2K·2В _с= 4В _с ·K (рис. 6.2, б). Током срабатывания реле КАТ считается наименьший ток I _р в первичной обмотке TALT, при котором срабатывает реле.

Рис. 6.2. Дифференциальная защита с КАТ (а), перемагничивание TALT при КЗ в зоне (б) и при внешнем КЗ (в)

При внешнем КЗ в первичной обмотке TALT проходит ток небаланса, полностью смещенный относительно оси времени за счет медленно затухающей апериодической составляющей, и изменение индукции Δ В = В _s -B _r (рис. 6.2, в). Поэтому среднее значение Е ₂= K·2(В _s -B _r ) < 4B _c ·K, и реле не срабатывает. Реле функционирует правильно, если В _с >0,5(В _s -B _r ).

Апериодическая составляющая, подмагничивая сердечник TALT, уменьшает его сопротивление намагничивания, и при этом большая часть как апериодической, так и периодической составляющей тока небаланса проходит по этому сопротивлению в схеме замещения, не попадая в реле КА.

Отстроенность защиты повышается, поскольку для срабатывания реле КА необходимо значение переходного тока небаланса в первичной обмотке TALT существенно большее, чем значение периодического тока в этой же обмотке.

Ток срабатывания защиты может быть выбран меньшим, поскольку k _ап=1.

Торможение от токов плеч дифференциальной защиты используется для снижения тока срабатывания защиты I_сз при внутреннем КЗ по сравнению с его значением при внешнем КЗ. Принцип торможения рассматривается применительно к измерительным органам тока, в которых сравниваются две электрические величины, сформированные из токов I_I и I_II.

Рабочее значение выбирается равным геометрической сумме токов I _раб= I _диф= I _I+ I _II, т.е. представляют собой ток в дифференциальной цепи и обусловливает срабатывание реле.

В качестве тормозной, препятствующей срабатыванию, выбирается геометрическая полуразность токов I _тор =0,5(I _I –I _II ).

Характеристика срабатывания реле (рис. 6.3, а), представляющая зависимость I _ср =f(I _тор ), описывается выражением I _ср= I _срмин+ k _тор· I _тор, где I _ср – ток срабатывания реле, изменяющийся при изменении I _тор; k _тор – коэффициент торможения, определяющий угол наклона характеристики a = arctgk _тор; I _срмин – минимальный ток срабатывания реле при I _тор=0.

Характеристика срабатывания делит плоскость на область срабатывания, расположенную выше, и область, где защита не срабатывает, расположенную ниже характеристики.

Рис. 6.3. Характеристика срабатывания реле (а) и векторные диаграммы токов при внешнем КЗ (б) и КЗ в зоне (в)

При внешнем КЗ, когда угол между токами I' _I и I' _II близок к π (рис. 6.3, б), рабочий ток мал и равен I' _раб= I' _нб, а тормозной I' _тор =0,5(2I _{к.вн.мах} )/п _Т значителен, что соответствует т. А' (рис. 6.3, а), расположенной в области несрабатывания.

Для срабатывания при токе I' _тор по характеристике срабатывания необходимо иметь I _раб >I' _ср.

При КЗ в зоне, когда угол между токами I" _I и I" _II невелик (не превышает десятых долей π), рабочий ток I" _раб= I _к /п _Т значителен (рис. 6.3, в), а ток I" _тор меньше и т. А" расположена в области срабатывания. Току I" _тор по характеристике срабатывания соответствует I" _ср< I' _ср.

В защите с торможением при внутренних КЗ возможно снижение тока срабатывания в пределе до I _срмин и повышение чувствительности к КЗ.

При аппаратной реализации измерительного органа тока с линейными характеристиками его элементов (рис. 6.4) влияние переходного тока небаланса не снижается, поэтому k _ап=2-3.

Рис. 6.4. Принципиальная схема измерительного органа с торможением

Широко используется магнитное торможение, позволяющее снизить влияние переходного тока небаланса (k _ап=1), а также обеспечить одновременное снижение тока срабатывания при внутренних КЗ.

6.4. ОСОБЕННОСТИ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА (АВТОТРАНСФОРМАТОРА)

В соответствии с [1] для защиты трансформатора от повреждений на выводах, а также от внутренних повреждений должны быть предусмотрены продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени на трансформаторах мощностью 6,3 МВ·А и более, а также на трансформаторах мощностью 4 МВ·А при параллельной работе последних с целью селективного отключения поврежденного трансформатора.

С учетом замыкания внутри обмоток, а также витковых КЗ, когда токи в защите могут быть малы, желательно, чтобы токи срабатывания защиты были как можно меньшим. В настоящее время для мощных дорогостоящих трансформаторов (63 МВ·А и больше) считается необходимым иметь I _сз =0,3∙I _ном; для трансформаторов меньшей мощности I _сз ≤(1,5-2,0)∙I _ном, а в некоторых случаях для маломощных трансформаторов при достаточном коэффициенте чувствительности допустим I _сз ≈(3-4)∙I _ном.

В соответствии с принципом действия дифференциальной защиты ТТ устанавливаются с обеих сторон трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются так, чтобы при нагрузке и внешних КЗ в реле протекала разность вторичных токов I _p= I _Iв- I _IIв (рис. 6.5, а). Тогда при КЗ в зоне защиты (рис. 6.5, б) ток в реле равен сумме I _p= I _Iв+ I _IIв. Если I _p> I _сp, то реле приходит в действие и отключает трансформатор.

Для того, чтобы дифференциальная защита не работала при нагрузке и внешних КЗ, необходимо уравновесить вторичные токи в плечах защиты так, чтобы в этих случаях ток в реле отсутствовал: I _p= I _Iв- I _IIв=0. Для этого необходимо, чтобы I _Iв= I _IIв.

Рис. 6.5. Принцип действия дифференциальной защиты трансформатора:

а) – внешнее КЗ; б) – внутреннее КЗ

В дифференциальной защите линий первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, поэтому для выполнения условия селективности достаточно иметь равенство коэффициентов трансформации ТТ. Иное положение имеет место в дифференциальной защите трансформаторов. Первичные токи разных обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.

В режиме нагрузки и внешнего КЗ ток трансформатора на стороне низшего трансформатора I _II всегда больше тока на стороне высшего напряжения I _I. Их соотношение определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора.

Выполнение общей продольной дифференциальной защиты имеет ряд особенностей.

1. Необходимость учета схемы соединения обмоток защищаемого трансформатора.

В трансформаторе с соединением обмоток звезда – треугольник токи I _II и I _I различаются не только по величине, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединений обмоток трансформатора. При наиболее распространенной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треугольника опережает линейный ток со стороны звезды на 30° (рис. 6.6). В трансформаторе с соединением обмоток звезда – звезда токи I _II и I _I или совпадают по фазе, или сдвинуты на 180°.

Рис. 6.6. Образование углового сдвига между токами силового трансформатора

Таким образом, для выполнения условия селективности необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов I _Iв =I _I /п _ТI и I _IIв =I _II /п _ТII как по величине, так и по фазе, с тем чтобы поступающие в реле токи были равны.

Компенсация сдвига токов по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмоток ТТ, установленных на стороне звезды силового трансформатора (рис. 6.7) Соединение в треугольник обмоток ТТ должно точно соответствовать соединению в треугольник обмотки силового трансформатора. ТТ, расположенные на стороне треугольника силового трансформатора, соединяются в звезду.

На рис. 6.7 изображены векторные диаграммы токов в схеме защиты при нагрузке и внешних трехфазных КЗ. Векторы первичных и вторичных токов в ТТ и силовом трансформаторе показаны на диаграмме совпадающими по фазе.

Из диаграммы следует, что токи в линейных проводах ТТ, соединенных в треугольник, I _AB(2), I _BC(2), I _CA(2), сдвигаются относительно соответствующих фазных токов на угол 30°. Токи в проводах второй группы ТТ 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 _AB(2), I _BC(2), I _CA(2), на угол 30°. В результате этого токи, поступающие в реле, совпадают по фазе.

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

Справедливость этого положения доказывается с помощью метода симметричных составляющих. Токи прямой и обратной последовательностей симметричны, и поэтому токораспределение их в схеме защит полностью соответствует токораспределению при трехфазном КЗ (рис. 6.7). Следовательно, соединение одной из групп ТТ в треугольник, а другой – в звезду обеспечивает компенсацию сдвига фаз первичных токов прямой и обратной последовательности.

Токи нулевой последовательности появляются в случае КЗ 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. 6.8).

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

Рис. 6.7. Токораспределение и векторные диаграммы токов в схеме дифференциальной защиты

Рис. 6.8 Прохождение токов нулевой последовательности в схеме дифференциальной защиты

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) ТТ соединяются в треугольник. Тогда токи I ₀, трансформируясь на вторичную сторону ТТ, замыкаются в контуре этого треугольника, не попадая в реле. При соединении ТТ со стороны звезды силового трансформатора также в звезду токи нулевой последовательности получают возможность замыкаться через реле, что приведет к неправильной работе защиты при однофазных и двухфазных КЗ на землю в сети.

2. Компенсация неравенства первичных токов силовых трансформаторов и автотрансформаторов достигается подбором коэффициента трансформации п _ТI, n _TII ТТ дифференциальной защиты и параметров специально для этой цели установленных уравновешивающих автотрансформаторов (рис. 6.9, а) или трансформаторов (рис. 6.9, б).

Рис. 6.9. Выравнивание вторичных токов в схеме дифференциальной защиты:

а – с помощью промежуточного автотрансформатора; б – с помощью уравнительных обмоток насыщающегося трансформатора

Коэффициенты трансформации ТТ п _ТI и n _TII выбираются с таким расчетом, чтобы вторичные токи в плечах защиты были равны при нагрузке и внешних КЗ.

При соединении обмоток силового трансформатора Y/Y:

,

отсюда находим, что для обеспечения равенства токов в плечах защиты коэффициент трансформации ТТ защиты должны удовлетворять условию:

,

где N – коэффициент трансформации силового трансформатора.

При соединении обмоток силового трансформатора Y/Δ ток в плече, питающемся от ТТ, включенных в треугольник, равен , а в плече, питающемся от ТТ, соединенных в звезду, равен . С учетом этого, равенство токов достигается следующим образом:

,

отсюда .

Задаваясь одним из коэффициентов трансформации, можно найти расчетное значение второго, обеспечивающее равенство вторичных токов в плечах защиты. Найденный таким образом коэффициент трансформации, как правило, оказывается нестандартным. Поэтому используются стандартные ТТ с ближайшим к расчетному значению коэффициентом трансформации, а компенсация оставшегося неравенства осуществляется с помощью выравнивающих автотрансформаторов или трансформаторов.

3. Защитное заземление токовых цепей защиты (вторичных цепей ТА) выполняется у ИОТ (а не у каждой группы ТА). Это исключает появление дополнительных токов небаланса, вызванных разными потенциалами двух мест заземления при КЗ на землю в пределах защищаемых объектов, а также ЭДС, наводимыми в петле соединительные провода – земля.

Кроме того в дифференциальных защитах трансформаторов, если одна группа ТА соединена треугольником, а другая – звездой, заземление каждой группы ТА создает контуры, шунтирующие их вторичные обмотки.

4. Необходимость учета намагничивающего тока I ₀ защищаемого трансформатора. В соответствии со схемой замещения двухобмоточного трансформатора ток I ₀= I _Y– I _∆, а в ИОТ дифференциальной защиты ток I _р=(I _Y– I _∆)/ п _Т= I ₀/ п _Т, где п _Т – коэффициент трансформации ТТ. Следовательно, в дифференциальной цепи общей продольной дифференциальной защиты трансформатора проходит его намагничивающий ток. Это означает, что в зоне защиты имеется ветвь с током, не включенным в цепь дифференциальной защиты.

В нормальном режиме работы трансформатора его намагничивающие токи малы (0,03-0,05 I _ном) и могут не учитываться при выполнении защиты.

Однако при скачкообразном возрастании напряжения на трансформаторе, при его включении на холостой ход, восстановлении напряжения после отключения близких внешних КЗ, а также при перенапряжениях, эти токи достигают больших значений (5-8 I _ном) и называются бросками тока намагничивания (БНТ).

Для того, чтобы различить в дифференциальной цепи токи внутреннего КЗ, требующего срабатывания защиты, и БНТ, могущие привести к ложному срабатыванию, анализируются форма и гармонический состав этих токов.

Анализ кривых трехфазного БНТ показывает следующие его характерные особенности:

- БНТ, по крайней мере в двух фазах, носит апериодический характер;

- апериодический БНТ в пределах одного периода имеет только один максимум и существующую токовую паузу в то время как ток КЗ – два максимума за период;

- в периодическом БНТ имеется бестоковая пауза, меньшая по длительности, чем при апериодическом броске;

- БНТ содержит высшие гармонические составляющие: вторую, третью и т.д., особенно велика доля второй гармоники. Даже в периодическом БНТ доля второй гармонической составляющей велика.

Поэтому современные устройства релейной защиты используют блокировку по второй гармонике. Обычно их доля не должна превышать 10-12% первой гармоники.

5. Необходимость учета дополнительных составляющих тока небаланса.

При внешних КЗ и нагрузке обеспечить полный баланс вторичных токов, поступающих в реле, не удается. Вследствие неравенства вторичных токов в реле в указанных режимах появляется ток небаланса, который может вызвать неправильную работу защиты.

Неравенство вторичных токов обуславливается: погрешностью ТТ; изменением коэффициента трансформации силового трансформатора при регулировании напряжения; неполной компенсацией неравенства вторичных токов в плечах защиты; наличием намагничивающих токов силового трансформатора, вносящих искажение в его коэффициент трансформации.

С учетом рассмотренных особенностей общей дифференциальной защиты трансформатора ток срабатывания выбирается большим из двух условий:

- отстройки от возникающего при скачкообразном возрастании напряжения на трансформаторе БНТ, который оценивается кратностью относительно номинального тока:

,

где k – коэффициент, принимаемый в зависимости от способа идентификации БНТ (0,3-6);

- отстройки от расчетного тока небаланса, определяемого при токах внешнего КЗ или качаний:

,

где k _зап – коэффициент запаса, учитывающий погрешности реле, ошибки расчета и необходимый запас (1,3-1,5).

Для повышения чувствительности дифференциальной защиты и вместе с тем для более надежной отстройки от токов небаланса применяются реле, включенные через быстронасыщающиеся вспомогательные трансформаторы, и реле с торможением.

ПОПЕРЕЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ

Поперечная дифференциальная токовая направленная защита применяется на двухцепных параллельных линиях с одинаковыми или приблизительно одинаковыми параметрами, подключаемых к шинам через отдельные для каждой цепи выключатели.

В поперечных дифференциальных токовых направленных защитах непосредственно сравниваются комплексы электрических величин одноименных фаз или одноименных симметричных составляющих параллельных цепей. Поэтому для пояснения принципа и основных особенностей выполнения защиты достаточно однофазной схемы замещения двухцепной линии АБ в общем случае с двухсторонним питанием (рис. 6.10). Условные положительные направления токов, как обычно, приняты от шин, где установлены защиты, в линию. Защиты устанавливаются с двух сторон линии и должны действовать на отключение выключателей только поврежденной цепи. Предполагается, что в цепях линии установлены ТА1 - ТА4 с одинаковыми коэффициентами трансформации п _Т, которые соединены однотипными проводами дифференциально, т.е. так, чтобы к органам защиты подводилась разность вторичных токов одноименных фаз I _pI =I _I2 – I _II2, I _pII =I _III2 – I _IV2. В качестве измерительных, выбирающих поврежденную цепь при КЗ на линии используют органы направления мощности, обозначенные как измерительные органы фаз (ИОФ), также включаемые на геометрическую разность токов одноименных фаз двух параллельных цепей и соответствующее напряжение. В схеме защиты оказываются необходимыми и пусковые органы тока (ПОТ).

Рис. 6.10. Подключение ПОТ и ИОФ к измерительным трансформаторам ТА и TV

В защите от междуфазных КЗ ИОФ включается по 90º схеме. Напряжения к ИОФ подводятся от трансформатора ТV, установленного на шинах подстанции.

Комплект ИОФ 1 включен на ток I _pI =I _I2 – I _II2, а ИОФ2 – на ток I _pI =I _II2 –I _I2; а комплект ИОФ 3 и ИОФ 4 – аналогично на токи I _p3 =I _III2 – I _IV2 и I _p4 =I _IV2 – I _III2.

В режиме нагрузки, как и при внешних КЗ, например в К1 (рис. 6.11, а), токи в обеих цепях линии имеют одно направление и равны, а в защите и в реле I _р=0. Защита не срабатывает и, следовательно, по принципу выполнения является абсолютно селективной защитой. При КЗ в пределах защищаемых линий (рис. 6.11, б) в зависимости от того, на какой из цепей расположено КЗ (К2 или К3), фаза токов I _p1 и I _p2 изменяется на противоположную (рис. 6.11, в, г). Поэтому ИОФ могут четко определять поврежденную цепь. Если при КЗ на Л1 (К2) и токе I _p1 срабатывает ИОФ 1 и отключает выключатель Q1, то при КЗ на Л2 (К3) будет срабатывать ИОФ 2 и отключать выключатель Q2. Аналогично действуют органа защиты в комплекте противоположного конца линии.

Рис. 6.11. Распределение токов при внешних КЗ (а), КЗ на защищаемой линии (б), векторные диаграммы токов токов при КЗ в К2 (в) и КЗ (г)

При дифференциальном включении ИОФ в его цепи тока практически всегда проходит ток небаланса I _нб, обусловленный разностью намагничивающих токов групп ТТ. Пусковой орган тока защиты отстраивается от токов небаланса и разрешает защите действовать только при возникновении КЗ в пределах защищаемой линии.

Поперечная дифференциальная токовая направленная является абсолютно селективной защитой: в режиме без КЗ и при внешних КЗ защите не позволяет срабатывать пусковой орган. Измерительный орган при КЗ в зоне определяет поврежденную линию.

Повреждение между выключателем и ТТ ТА (К4) защитой воспринимается как внешнее. Зона действия защиты ограничена ТТ, установленными по концам защищаемой линии.