Дифференциальная защита трансформаторов
Дифференциальная защита применяется в качестве основной защиты трансформаторов при повреждениях их обмоток, на вводах и ошиновке. Ввиду ее сравнительной сложности дифференциальная защита устанавливается лишь на одиночно работающих трансформаторах 6300 кВА и выше, на параллельно работающих трансформаторах мощностью 4000 кВА и выше и на трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает защитное действие, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 1 с.
Дифференциальная защита основана на принципе сравнения величин токов в начале и в конце защищаемого участка, например и начале и конце обмоток силового трансформатора, генератора и т. п. В частности, участок между трансформаторами тока, установленными на высшей и низшей сторонах силового трансформатора, считается защищаемой зоной.
Действие дифференциальной защиты поясняется рис.1. С обеих сторон трансформатора устанавливаются трансформаторы тока TT1 и ТТ2, вторичные обмотки которых включены последовательно. Параллельно им подключается токовое реле Т. Если характеристики трансформаторов тока будут одинаковы, то в нормальном режиме, а также при внешнем коротком замыкании токи во вторичных обмотках трансформаторов тока будут равны, разность их будет равна нулю, ток через обмотку токового реле Т протекать не будет, следовательно, защита действовать не будет.
При коротком замыкании в трансформаторе и в любой точке защищаемой зоны, например в обмотке трансформатора, по обмотке реле Т будет протекать ток, и если его величина будет равна току срабатывания реле или больше его, то реле сработает и через соответствующие вспомогательные приборы произведет двустороннее отключение поврежденного участка. Эта система будет действовать при междуфазных и межвитковых замыканиях.
Рис. 1. Дифференциальная защита трансформатора: а — токораспределение при нормальном режиме, б — то же при коротком замыкании в трансформаторе
Дифференциальная защита обладает высокой чувствительностью и является быстродействующей, так как для нее не требуется выдержки времени, она может выполняться с мгновенным действием, что и является ее главным положительным свойством. Однако она не обеспечивает защиты при внешних коротких замыканиях и может вызывать ложные отключения при обрыве в соединительных проводах вторичной цепи.
Рис. 2. Дифференциальная защита двух параллельно работающих трансформаторов
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Дифференциальная защита
Продольная дифференциальная защита является основной быстродействующей защитой мощных трансформаторов и автотрансформаторов от внутренних повреждений (от междуфазных к.з., замыканий на землю и от витковых замыканий).
Для выполнения диф.защиты трансформатора устанавливаются трансформаторы тока со стороны всех его обмоток. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в дифференциальную схему и параллельно к ним подключается реле защиты. Аналогично выполняется диф. защита автотрансформатора.
Принцип действия диф. защиты трансформатора показан на рис. 8-1.
Рис.8-1. Принцип действия диф. защиты трансформатора
а) токораспределение при сквозном к.з.
б) токораспределение при к.з. в трансформаторе
Принцип действия дифференциальной защиты трансформаторов, так же как и диф. защиты линий и генераторов, основан на сравнении величины и направления (фазы) токов по концам защищаемого элемента (трансформатора).
При рассмотрении принципа действия диф. защиты условно принимается: коэффициент трансформации силового трансформатора равен единице, соединение обмоток одинаковое и одинаковые трансформаторы тока с обеих сторон.
Если схема токовых цепей диф. защиты выполнена правильно и трансформаторы тока имеют совпадающие характеристики, то при прохождении через защищаемый трансформатор сквозного тока внешнего к.з. или тока нагрузки ток в реле диф. защиты трансформатора будет отсутствовать:
Практически из-за несовпадения характеристик трансформаторов тока вторичные токи не равны I1I2 и в реле протекает ток небаланса:
Для того чтобы защита не действовала от тока небаланса, её ток срабатывания выбирается по условию: Iс.з.>Iнб.
При к.з. в трансформаторе или любом другом месте между трансформаторами тока (в зоне действия диф.защиты) направление тока I2 изменится на противоположное и ток в реле станет равным:
Под влиянием этого тока защита срабатывает и производит отключение поврежденного трансформатора от источников питания.
Особенности выполнения диф. защит трансформаторов
При выполнении диф.защит трансформаторов и автотрансформаторов необходимо учитывать следующее:
Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине.
Соотношение токов определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора: 
, поэтому ток III на стороне НН трансформатора в режимах нагрузки и внешнего к.з. всегда больше тока II на стороне ВН: III>II.
В трансформаторах с соединением обмоток «звезда-треугольник» (/) и «треугольник-звезда» (/) первичные токи обмоток трансформатора различаются не только по величине, но и по фазе.
В трансформаторах с соединением обмоток «звезда-звезда» токи или совпадают по фазе, или сдвинуты на 180 .
Векторная диаграмма первичных и вторичных токов представлена на рис. 8-2.
Рис. 8-2. Векторная диаграмма первичных и вторичных токов
а) при соединении обмоток /
б) при соединении обмоток /
При наиболее распространенной 11-ой группе соединения обмоток силового трансформатора линейный ток на стороне «треугольника» опережает линейный ток со стороны «звезды» на 30 .
Таким образом, чтобы поступающие в реле диф. защиты трансформатора токи были равны, необходимо применять специальные меры по выравниванию вторичных токов трансформаторов тока как по величине так и по фазе.
Выравнивание величин вторичных токов в плечах диф.защиты выполняется подбором соответствующих коэффициентов трансформаторов тока диф. защиты или применением специальных трансформаторов (автотрансформаторов) компенсирующих различие во вторичных токах трансформаторов тока (рис. 8-3). Уравнительные обмотки диф. реле.
Рис. 8-3. Выравнивание вторичных токов в схеме диф. защиты трансформатора
а) с помощью промежуточного автотрансформатора АТ
б) с помощью промежуточного трансформатора ТК
Для компенсации сдвига фаз токов силовых трансформаторов, соединенных по схеме / или /, необходимо трансформаторы тока на стороне «звезды» силового трансформатора соединять в «треугольник», а на стороне «треугольника» силового трансформатора – «в звезду» (рис. 8-4).
Рис. 8-4. Компенсация углового сдвига токов в схеме диф.защиты
трансформатора с соединением обмоток «звезда-треугольник»
(Как правило, вторичные обмотки со стороны «звезды» обмотки ВН силового трансформатора соединяются в такой же «треугольник» как и обмотка НН силового трансформатора, а вторичные обмотки ТТ со стороны «треугольника» обмотки НН силового трансформатора, соединяются в такую же «звезду», как и обмотка ВН силового трансформатора).
Токи небаланса в дифференциальных защитах трансформаторов
Таки небаланса в диф. защитах трансформаторов определяются большим числом факторов, чем в защитах генераторов и имеют повышенные значения.
Во-первых, трансформаторы тока диф. защиты трансформаторов устанавливаются на сторонах силового трансформатора, имеющих различные напряжения, поэтому они отличаются друг от друга по типам, нагрузкам и кратностям токов внешнего к.з. Всё это обуславливает наличие разных погрешностей у разных групп ТТ, что приводит к появлению повышенных токов небаланса в дифференциальной цепи защиты при внешних к.з.
Во-вторых, при регулировании коэффициента трансформации силового трансформатора соотношения между первичными, а следовательно, и между вторичными токами ТТ, установленных в разных плечах диф. защиты, изменяется, что также приводит к появлению тока небаланса в диф. защите .
Кроме того, диф. защиту трансформатора необходимо отстраивать от броска тока намагничивания который появляется при включении трансформатора под напряжение, а также при восстановлении напряжения на нём после отключения внешнего к.з.
В нормальном режиме (силовой трансформатор под напряжением) ток намагничивания имеет незначительную величину: Iнам=(0,020,03)Iт.ном.
В режимах включения силового трансформатора под напряжение и после отключения внешнего к.з. бросок тока намагничивания (значительно превышает номинальный ток трансформатора): Iбр.нам=(67)Iт.ном.
Резкое возрастание тока намагничивание объясняется насыщением магнитопровода силового трансформатора. Характер изменения тока намагничивания во времени показан на рис. 8-5,а.
Рис. 8-5. Характер изменения намагничивающего тока (а) и магнитные потоки в сердечнике трансформатора при включении его под напряжение (б).
При включении силового трансформатора под напряжение возникает переходной процесс, сопровождающийся появлением двух магнитных потоков (рис. 8-5, б), установившегося ФУ и свободного затухающего апериодического ФСВ. Результирующий магнитный поток ФТ=ФУ+ФСВ в момент включения ФТО=0 и поэтому ФСВО=-ФУО. Во втором полупериоде знаки обоих потоков совпадают и результирующий поток достигает максимальной величины ФТ.мак.
Наибольшее значение ФТ макс и следовательно Iбр.нам имеет место при включении трансформатора в момент когда мгновенное значение напряжения на трансформаторе равно нулю. В этом случае магнитный поток ФТ в сердечнике трансформатора в начальный момент содержит большую апериодическую составляющую ФСВО и превышает при переходном процессе установившееся значение ФУСТ в 2 раза. Зависимость Ф=f (Iнам) нелинейна и поэтому ток намагничивания увеличивается по отношению к установившемуся значению в сотни раз. Бросок тока намагничивания, как правило, имеет большую апериодическую слагающую и значительный процент высших гармоник. В результате кривая Iнам может оказаться смещённой в одну сторону от оси времени.
В общем случае суммарный расчётный ток небаланса имеет несколько слагающих:
Ток Iнб.ТТ определяется наличием неодинаковых токов намагничивания у ТТ (наличием погрешностей ТТ) и вычисляется по формуле:
коэффициент апериодичности, для реле с БНТ принимаемый равным 1, а для реле тока РТ-40 – 0,5
коэффициент однотипности ТТ равный 0,51. (При существенном различии погрешности ТТ Кодн достигает максимального значения Кодн=1)
погрешность ТТ, удовлетворяющая 10%-ной кратности
наибольший ток сквозного к.з.
Ток Iнб.рег появляется при изменении (регулировании) коэффициента трансформации N силового трансформатора и вычисляется по формуле:
Ток Iнб.нам представляет собой ток намагничивания защищаемого силового трансформатора, который может достигать значений намного больших Iном трансформатора в виде броска тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение.
Полный ток небаланса будет равен:
Для предотвращения работы диф. защиты от токов небаланса ток срабатывания защиты выбирают из условия:
Очевидно, что для повышения чувствительности диф. защиты необходимо принимать меры по снижению величины тока небаланса.
Для уменьшения составляющей Iнб.ТТ тока небаланса коэффициенты трансформации ТТ подбирают так, чтобы обеспечивались равные токи в плечах диф. защиты.
Кроме того, ТТ выбирают по кривым предельной кратности так, чтобы их погрешность не превышала 10%.
Для отстройки диф. защиты от токов небаланса при внешних к.з. и от бросков тока намагничивания применяют специальные диф. реле с БНТ (реле типа РНТ) и диф. реле с торможением (реле типа ДЗТ).
Схемы дифференциальных защит трансформатора
На практике применяют схемы диф. защиты различной сложности и с использованием разных способов отстройки от внешних к.з. и от бросков намагничивающих токов.
В простейшем случае в защите используют обычные реле тока (типа РТ-40) без замедления. Такую защиту называют дифференциальной отсечкой. Принципиальная схема диф. отсечки 2-х обмоточного трансформатора приведена на рис. 8-6.
Рис. 8-6. Принципиальная схема дифференциальной отсечки 2-х обмоточного трансформатора.
Ток срабатывания диф. отсечки отстраивается от броска намагничивающего тока:
номинальный ток трансформатора
Для облегчения отстройки Iс.з. от броска намагничивающего тока, который быстро затухает, в схеме диф. отсечки устанавливают промежуточное реле с временем действия 0,040,06с.
При условии выбора ТТ диф. отсечки по кривым предельной кратности (полная погрешность ТТ не должна превышать 10%), отстройка тока срабатывания от броска тока намагничивания обеспечивает отстройку защиты и от токов небаланса при внешних к.з.
Основным достоинством диф. отсечки является простота схемы и быстродействие. Недостатком является большой ток срабатывания, вследствие чего защита оказывается, в ряде случаев нечувствительна (например, к витковым замыканиям).
При использовании диф. отсечки в качестве основной защиты от внутренних повреждений в трансформаторе, коэффициент чувствительности должен быть: Кч2.
Упрощённая схема диф. отсечки (рис. 8-6) выполняется в 2-х фазном исполнении (на стороне треугольника силового трансформатора устанавливаются ТТ в 2-х фазах «А» и «С» и на двух реле тока). Упрощённая схема не действует при двойных замыканиях на землю на стороне НН силового трансформатора в тех случаях, когда земля в трансформаторе возникает на фазе, не имеющей ТТ (на фазе «В»). Это повреждение должно отключаться другими защитами трансформатора (например, МТЗ).
Диф. отсечка из-за недостаточной её чувствительности применяется на трансформаторах малой мощности (до 25 МВА).
На трансформаторах средней и большой мощности (25 МВА и более) применяют трехфазные схемы продольных дифференциальных защит с использованием диф. реле типа РНТ и реле с торможением типа ДЗТ.
Принципиальная схема диф. защиты двухобмоточного трансформатора с использованием БНТ приведена на рис. 8-7.
Наличие быстронасыщающихся трансформаторов (TLA на рис. 8‑7) позволяет эффективно отстраиваться от бросков намагничивающего тока и токов небаланса при внешних к.з. (БНТ практически запирает защиту при наличии аредиодической составляющей в токе дифференциальной цепи – в реле КА-1КА3. Поэтому отстройка диф. защиты может осуществляться от установившегося значения периодической составляющей тока небаланса, что значительно повышает чувствительность защиты.
При существенной разнице между токами в плечах диф. защиты используются выравнивающие (уравнительные) обмотки TLA.