Схемы и область использования дифференциальных защит трансформаторов.

 

 Дифференциальные токовые защиты трансформаторов выполняются в виде: дифференциальной токовой отсечки; дифференциальной токовой защиты с промежуточными насыщающимися транс­форматорами тока; дифференциальной токовой защиты с реле, имеющими торможение.

На рис. 13.12 рассмотрена полная трехфазная схема соединения трансформаторов тока, которая используется при выполнении лю­бой из указанных защит. Недостатком схемы является ее слож­ность, поэтому на трансформаторах малой и средней мощностей до­статочно широко применяется упрощенная схема (рис. 13.13, а) с меньшим количеством трансформаторов то­ка и реле. Эта схема, как и полная трехфаз­ная, обеспечивает выравнивание вторичных токов в цепях циркуляции при нормальной работе и внешних коротких замыканиях за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ. Выбор тока срабатывания производится в соответствии с общими положениями, рас­смотренными выше (см. § 13.6). Однако уп­рощение защиты приводит к недостаткам, которые проявляются при некоторых по­вреждениях в защищаемой зоне [11].

Дифференциальная токовая отсечка. От­сечка является наиболее простой из диффе­ренциальных защит трансформатора. Она выполняется посредством максимальных ре­ле тока КА1, К.А2, например РТ-40 или РТМ, включаемых непосредственно в диф­ференциальную цепь схемы без каких-либо промежуточных устройств (рис. 13.13, а). При этом отстройка от бросков тока намаг­ничивания достигается выбором тока сраба­тывания с учетом собственного времени действия реле РТМ, а в схемах с реле кос­венного действия — времени срабатывания реле тока и выходного (промежуточного) реле (t _c.p = 0,04÷0,06 с). За это время ток намагничивания успевает снизиться, в связи с чем появляется возможность выбирать ток срабатывания защиты не по максимально­му значению броска тока, а с учетом его затухания:

 

I _с.з = (3,0 ÷ 4,5) I _т.ном.                                              (13.10)

 

Если трансформаторы тока выбраны так, что их полная погреш­ность не превышает ε=10 %, то отстройка от броса тока намагни­чивания по (13.10) обеспечивает также отстройку и от максималь­ного тока небаланса при внешних коротких замыканиях при усло­вии допустимого различия токов в цепях циркуляции.

Достоинством дифференциальной токовой отсечки являются быстродействие и простота. Однако из-за большого тока срабаты­вания дифференциальная токовая отсечка иногда недостаточно чувствительна, поэтому она применяется на трансформаторах от­носительно небольшой мощности. При этом отсечка должна обеспечивать необходимую чувствительность при коротких замыканиях на выводах трансформатора.

Дифференциальная токовая защита с промежуточными насы­щающимися трансформаторами тока. Для выполнения защиты ис­пользуются реле с НТТ типа РНТ-565, описанные при рассмотрении дифференциальной защиты генератора (см. § 12.3). Принци­пиальная схема защиты трансформатора с TLAT в однофазном изо­бражении показана на рис. 13.13,6. Реле РНТ-565 применяются в том случае, если чувствительность токовой отсечки недостаточна или требуются дополнительные устройства для выравнивания то­ков в схеме с реле косвенного действия. При этом благодаря НТТ защита отстраивается от бросков тока намагничивания, если при­нять

 

I _с.з > (1,0 ÷ 1,5) I _т.ном                                               (13.11)

 

Для отстройки защиты от максимальных токов небаланса при внешних коротких замыканиях должно выполняться второе условие, по которому I _с.з > k _зап I _{нб.рсч max1}.

Первичный расчетный ток небаланса определяется по выраже­нию (13.9) (при К _I =l,0) с учетом того, что для защиты с НТТ ко­эффициент k _ап=1,0, а погрешность Δ f _вр в первом приближении не учитывается благодаря соответствующему выбору числа витков уравнительных обмоток НТТ. Принимается большее из двух полу­ченных значений тока срабатывания

Выбор параметров защиты сводится к определению числа витков диффе­ренциальной ω _диф, уравнительных ω _ypI и ω _ypII обмоток исходя из принятого тока срабатывания, магнитодвижущей силы срабатывания F _c.p и условия пол­ного выравнивания, которое обеспечивается при

Худшим случаем относительно чувствительности является одностороннее питание при к. з. в зоне (I _2II=0). При этом для срабатывания реле (I _2I =1 _{с. р}) необходимо

 

(13.13)

1 _{с. р} (ω _ypI + ω _диф) = F _c.p;

или

(ω _ypI + ω _диф) = F _c.p/ 1 _{с. р},

 

где 1 _{с. р} — ток (А) срабатывания реле, определяемой по 1 _{с. з} с учетом коэффициен­та схемы k _cx и относящейся к стороне с током I _2I. Из выражения (13.12) имеем

 

(ω _ypII + ω _диф) = (ω _ypI + ω _диф) I _2I / I _2II                        (13.14)

 

С помощью ответвлений от обмоток подбираются витки дифференциальной равпитсльпых обмоток так, чтобы обеспечивались условия (13.13) и (13.14). Для срабатывания необходимо, чтобы при коротком замыкании в зоне ми­нимальная магнитодвижущая сила F _{paб min} превышала магнитодвижущую силу срабатывания F _c.p. Коэффициент чувствительности

 

k _ч = F _{paб min}/ F _c.p = ([(ω _ypI + ω _диф) I _2Iк + (ω _ypII + ω _диф) I _2IIк]_min)/ F _c.p > 2,0,

 

где I _2Iк и I _2IIк — токи в цепях защиты при коротком замыкании в расчетной точке, А.

Схема с промежуточными насыщающимися трансформаторами находит широкое применение для защиты трансформаторов любой мощности. При этом благодаря НТТ обеспечивается отстройка от бросков тока намагничивания. В ряде случаев, особенно при нали­чии встроенного регулирования напряжения под нагрузкой и на трансформаторах с числом групп трансформаторов тока более двух, имеющих источники питания с нескольких сторон, определяющим при выборе тока срабатывания является отстройка от максималь­ного тока небаланса при внешних коротких замыканиях. При этом чувствительность защиты с реле типа РНТ может оказаться недо­статочной. В таких случаях дифференциальная защита выполняется посредством реле с торможением.

Дифференциальная токовая защита на основе реле с магнитным торможением. В Советском Союзе для дифференциальной защиты трансформаторов выпускаются реле с магнитным торможением ти­па ДЗТ (см. § 10.4). На рис. 13.14, а показана принципиальная схе­ма защиты в однофазном исполнении с реле ДЗТ-11. На среднем стержне магнитопровода насыщающегося трансформатора TLAT кроме дифференциальной (первичной) обмотки ω _диф расположены еще две уравнительные обмотки ω _ypI и ω _ypII, обеспечивающие выравнивание токов. Секции тормозной ω _трм и вторичной рабочей ω _раб обмоток размещаются на крайних стержнях. Тормозная об­мотка не имеет выведенной средней точки, поэтому может вклю­чаться только в одну цепь защиты. Во всех обмотках НТТ, кроме вторичной рабочей, предусмотрено переключение чисел витков для изменения уставок срабатывания реле. Исполнительным элементом является реле тока КА типа РТ-40. Промышленностью выпускают­ся также реле ДЗТ-13 и ДЗТ-14, которые в отличие от реле ДЗТ-11 имеют соответственно три и четыре тормозные обмотки.

Защищаемый трансформатор (рис. 13.14 а) имеет односторон­нее питание, поэтому тормозная обмотка включена на ток питаемой стороны. Такое включение обеспечивает торможение только при внешних коротких замыканиях. При двустороннем питании иногда целесообразно тормозную обмотку разделить на две секции и вклю­чить каждую из них соответственно в первую и вторую цепи защи­ты. Этим уменьшается тормозное действие при коротком замыка­нии в защищаемой зоне.

Тормозные обмотки не являются средством отстройки защиты от бросков тока намагничивания, поэтому при выборе тока сраба­тывания по первому условию реле ДЗТ рассматривается как обыч­ное реле РНТ с током срабатывания (см. рис. 10.4, г).

 

I _{с.з min} > 1,5 I _т.ном                                                       (13.15)

 

Числа витков дифференциальной и уравнительных обмоток оп­ределяются, как и для реле РНТ, по известному току I _{с.p min} и по заданной начальной магнитодвижущей силе срабатывания F _{с.p min} (при отсутствии торможения, I _трм=0) (рис. 13.14, б).

Отстройка от установившихся максимальных значений токов не­баланса при внешних коротких замыканиях осуществляется выбо­ром соответствующего коэффициента торможения k _трм, который должен быть таким, чтобы при внешних коротких замыканиях обес­печивалось условие I _с.з > k _зап I _{нб.рсч max1}. С учетом (13.9) и значения k _ап=l,0

 

I _с.з = k _зап (ε+Δ U _peг+ Δ f _вр ) I ⁽³⁾_{к вн max}/100.

 

Кроме того, при значительных токах I _{к вн max}= I _трм K_I отношение

 

I _с.p/ I _трм = I _с.з/ I ⁽³⁾_{к вн max} = k _трм.

 

Полученные соотношения дают возможность определить необ­ходимый коэффициент торможения:

 

k _трм = k _зап (ε+Δ U _peг+ Δ f _вр ) /100.                               (13.16)

Далее расчет сводится к выбору числа витков тормозной обмотки а;трм. Характеристики реле с магнитным торможением (рис. 13.14, б) непосредственно не определяют коэффициента торможения, так как представляют зависимость F _с.p= F _трм). При расчете числа витков ω_трм используется нижняя кривая, которая соответствует наименее интенсивному торможению. При угле α наклона этой характеристики

 

tgα = F _с.p/ F _трм = I _с.p (ω _ypII + ω _диф)/ (ω_трм I' _{к. вн max}),

где ω _ypII – число витков уравнительной обмотки со стороны включения тормозной обмотки; I' _{к. вн max} – приведенный ток внешнего короткого замыкания.

Так как I _с.p/ I' _{к. вн max}= k _трм , то

 

ω_трм = k _трм (ω _ypII + ω _диф)/ tgα.                                  (13.7)

 

Па защищаемых трансформаторах с числом групп трансформа­торов тока более двух, имеющих источники питания с нескольких сторон (рис. 13.14, в), токи небаланса имеют, как правило, боль шие значения, чем для двухобмоточных трансформаторов. Обычно токи I_нб.рсч при коротких замыканиях с разных сторон (точки K ₁, K ₂, K ₃ ) неодинаковы. Поэтому при использовании реле ДЗТ-11 его тормозная обмотка включается в ту цепь защиты, в которой при внешнем коротком замыкании проходит ток, обусловливающий наи­больший ток небаланса. В некоторых случаях при недостаточной чувствительности возникает необходимость применять реле с не­сколькими тормозными обмотками, например типа ДЗТ-13.

При выборе тока срабатывания защиты определяющими явля­ются те же условия, по которым определяется ток срабатывания за­щиты двухобмоточных трансформаторов. При этом для упрощения одна из обмоток защищаемого трансформатора, например на сторо­не III, предполагается отключенной и расчет производится, как для двухобмоточного трансформатора. Затем выполняется расчет, ког­да отключена обмотка на стороне II. При этом выбранные в преды­дущем расчете параметры защиты, относящиеся к обмотке на сто­роне I, должны оставаться неизменными. Во всех случаях токи I_1I , I_1II, I_1III определяются по соответствующим номинальным напряже­ниям и номинальной мощности трансформатора вне зависимости от мощностей отдельных его обмоток.

Общая оценка дифференциальных защит трансформаторов. Дифференциальные защиты обеспечивают быстрое и селективное отключение повреждений в зоне, охватываемой трансформаторами тока. Рекомендуется применять дифференциальную защиту на оди­ночно работающих трансформаторах мощностью Р _Т ≥ 6,3 MB-А и на трансформаторах мощностью Р _Т ≥ 4 MB-А, работающих парал­лельно. Дифференциальная защита устанавливается также на трансформаторах мощностью Рт =1÷4 MB-А в случае, если токо­вая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, мак­симальная токовая защита имеет выдержку времени t_с.з > 0,5 с и отсутствует газовая защита.

При выборе схемы дифференциальной защиты необходимо пре­жде всего рассмотреть возможность применения наиболее простой из дифференциальных защит — дифференциальной токовой от­сечки. Только в случае ее недостаточной чувствительности следует использовать реле типа РНТ. Защиты с реле, имеющими торможе­ние, являются наиболее сложными, и их применение может быть оправдано только невозможностью отстройки защиты без торможе­ния от установившихся значений максимального тока небаланса при внешних коротких замыканиях.

Дифференциальная токовая защита имеет тот недостаток, что может отказать из-за недостаточной чувствительности при внут­ренних коротких замыканиях, например витковых. Это вызывает необходимость устанавливать наряду с дифференциальной и газо­вую защиту.

 13.8. Защита трансформаторов управляемыми предохранителями

Область применения управляемого предохранителя определяет­ся тем, насколько он позволяет выполнить защиту трансформатора и соответствии с требованиями [31, 75]. При отказе от плавкой вставки и замене ее контактом и токовой защитой области приме­нения управляемого предохранителя существенно расширяется. При этом у стреляющего предохранителя благодаря расположению электромагнита отключения и источника оперативного тока на вы­соком потенциале аппарата (см. рис. 4.10) появляется возможность расположить и устройство релейной защиты на высоком по­тенциале и тем самым отказаться от применения дорогостоящих вы­соковольтных трансформаторов тока на подстанциях без выключа­телей на стороне высшего напряжения 35 (110) кВ.

В Ульяновском политехническом институте разработана система управления стреляющим предохранителем с трехступенчатой токовой защитой, выполненной на основе операционных усилителей [30]. Система управления дополняется светооптическим устройством передачи сигналов, если требуется отключение пре­дохранителя при действии, например, газовой защиты.

Согласно [31], па трансформаторах мощностью P _Т≥6,3 МВ-А должна предусматриваться дифференциальная защита. При отсутствии трансформаторов тока это требование можно удовлетво­рить, если использовать управляемый предохранитель со светооптической си­стемой управления. Эта система позво­ляет согласовать действие токовой защи­ты, расположенной на высоком потен­циале аппарата, с действием защиты, установленной на стороне низшего на­пряжения трансформатора, и получить защиту трансформатора с косвенным сравнением электрических величин, об­ладающую абсолютной селективностью [30]. Для защиты трансформатора с выс­шим напряжением 6(10) кВ можно ис­пользовать управляемый предохранитель, выполненный па основе стандартного предохранителя типа ПК.

Одна из возможных конструкций управляемого предохранителя для сов­местного действия с релейной защитой показана на рис. 13.15,а [28]. Управление осуществляется с помощью трёхфазного привода (на рисунке не показан) связанного с режущим механизмом, ко­торый расположен в одном из контакт­ных колпаков 1. Режущий механизм со­стоит из втулки 2 и режущего поворотного вала 3, в котором просверлены отверстия, соответствующие по числу плавким вставкам. Для лучшего перерезания планкой вставки в отверстия впрессовываются стальные втулки 4. Наличие при­вода позволяет газовой защите действовать на отключение. В случае необходи­мости на трансформаторе могут быть установлены и другие защиты.

Рис. 13.15. Управляемый предохрани­тель и характеристики защиты

Выше отмечалось (см. § 13.2), что предохранитель типа ПК не защищает трансформатор от перегрузок в связи с тем, что его защитная характеристика 1 I_вс.ном = 2I_т.ном пересекает характеристику термической стойкости транс­форматора 2 в некоторой точке А (рис. 13.15,б). Защита обеспечивается если

при любой кратности тока k характеристика 1 располагается ниже характеристи­ки 2. Этому требованию удовлетворяет защитная характеристика 3 управляемого предохранителя. Она состоит из двух частей: одна ее часть (ниже точки Б) совпа­дает с характеристикой стандартного предохранителя и определяется временем перегорания плавкой вставки, а другая (управляемая) - располагается более полого относительно защитной характеристики стандартного предохранителя и пересекает ее при кратности тока, проходящего через трансформатор, k ≈ 30. Время, соответствующее управляемой части характеристики, складывается из времени отключения самого аппарата и времени гашения дуги.

Таким образом, управляемый предохранитель (УПК) имеет зависимое от тока время отключения. С таким временем отключается трансформатор, если на УПК воздействует защита без выдержки времени. На трансформаторе может быть установлена защита как с независимой, так и с зависимой выдержкой вре­мени. При этом в зависимости от уставки защитная характеристика устройства смещается вверх так, что точка Б скользит по кривой 1. В пределе при макси­мально допустимой выдержке времени защиты точка Б должна совпадать с точ­кой А, а управляемая часть характеристики - с кривой 2 или располагаться ниже ее. На рис. 13.15, в изображены защитные характеристики 1 — 4 устройства при различных выдержках времени защиты с независимой выдержкой времени.

Очевидно, что для более полного использования перегрузочной способности трансформатора следует применять защиту с зависимой от тока выдержкой вре­мени. Такой защитой, в частности, является температурная. Она не требует трансформаторов тока, что очень важно для подстанций без выключателей на высшем напряжении.