2. 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

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:

I_p=I₁-I₂=0 т.к. I₁=I₂

Практически из-за несовпадения характеристик трансформаторов тока вторичные токи не равны I₁I₂ и в реле протекает ток небаланса:

I_p=I₁-I₂=I_нб

Для того чтобы защита не действовала от тока небаланса, её ток срабатывания выбирается по условию: I_с.з.>I_нб.

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:

I_p=I₁+I₂>I_с.з.

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:

1. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине.

Соотношение токов определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора: , поэтому ток I_II на стороне НН трансформатора в режимах нагрузки и внешнего к.з. всегда больше тока I_I на стороне ВН: I_II>I_I.

2. 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 180⁰.

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 30⁰.

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 большим 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: I_нам=(0,020,03)I_т.ном.

В режимах включения силового трансформатора под напряжение и после отключения внешнего к.з. бросок тока намагничивания (значительно превышает номинальный ток трансформатора): I_бр.нам=(67)I_т.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 Ф_У и свободного затухающего апериодического Ф_СВ. Результирующий магнитный поток Ф_Т=Ф_У+Ф_СВ в момент включения Ф_ТО=0 и поэтому Ф_СВО=-Ф_УО. Во втором полупериоде знаки обоих потоков совпадают и результирующий поток достигает максимальной величины Ф_Т.мак.

Наибольшее значение Ф_{Т макс} и следовательно I_бр.нам имеет место при включении трансформатора в момент когда мгновенное значение напряжения на трансформаторе равно нулю. В этом случае магнитный поток Ф_Т в сердечнике трансформатора в начальный момент содержит большую апериодическую составляющую Ф_СВО и превышает при переходном процессе установившееся значение Ф_УСТ в 2 раза. Зависимость Ф=f (I_нам) 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 I_нам может оказаться смещённой в одну сторону от оси времени.

В общем случае суммарный расчётный ток небаланса имеет несколько слагающих:

I_нб=I_нбТТ+I_нб.рег.+I_нб.выр.+I_нб.нам.

Ток I_нб.ТТ определяется наличием неодинаковых токов намагничивания у ТТ (наличием погрешностей ТТ) и вычисляется по формуле:

I_нб.ТТ=К_аК_однfI_к.макс.

где:
Ка	-	коэффициент апериодичности, для реле с БНТ принимаемый равным 1, а для реле тока РТ-40 – 0,5
Кодн	-	коэффициент однотипности ТТ равный 0,51. (При существенном различии погрешности ТТ Кодн достигает максимального значения Кодн=1)
f=0,1	-	погрешность ТТ, удовлетворяющая 10%-ной кратности
Iк.макс	-	наибольший ток сквозного к.з.

Ток I_нб.рег появляется при изменении (регулировании) коэффициента трансформации N силового трансформатора и вычисляется по формуле:

I_нб.рег=_U_регI_к.макс

На трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой (с РПН) возможны _U_рег 0,150,2. При регулировании на отключённом трансформаторе _U_рег 0,05.

Ток I_нб.выр=_f_вырI_вн определяется неточностью выравнивания величины вторичных токов ТТ плеч защиты.

Ток I_нб.нам представляет собой ток намагничивания защищаемого силового трансформатора, который может достигать значений намного больших I_ном трансформатора в виде броска тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение.

Полный ток небаланса будет равен:

I_нб=(К_аК_однf+_U_рег+_f_выр)I_к.макс+I_нам

Для предотвращения работы диф. защиты от токов небаланса ток срабатывания защиты выбирают из условия:

I_с.з.>I_нб.

Очевидно, что для повышения чувствительности диф. защиты необходимо принимать меры по снижению величины тока небаланса.

Для уменьшения составляющей I_нб.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:

I_с.з.=К_нI_ном.Т

где:
Iном.Т	-	номинальный ток трансформатора
Кн=35		-	коэффициент надёжности.

Для облегчения отстройки I_с.з. от броска намагничивающего тока, который быстро затухает, в схеме диф. отсечки устанавливают промежуточное реле с временем действия 0,040,06с.

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: К_ч2.

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-1КА3. 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.

Рис. 8-7. Схема диф. защиты двухобмоточного трансформатора с БНТ.

а) принципиальная

б) развернутая

Практически ток срабатывания диф. защиты трансформаторов без РПН выбирают равным:

I_с.з.=(12)I_ном.Т.

Ток к.з., как и ток намагничивания, содержит апериодическую составляющую, которая затухает значительно быстрее, чем периодическая составляющая. Наличие БНТ замеляет работу диф. защиты при к.з. в трансформаторе на время 0,010,03с, что является допустимым.

На трансформаторах с РПН ток срабатывания диф. защиты с БНТ получается равным:

I_с.з.=(3-4)I_Т.ном.

Достаточно высокая чувствительность диф. защиты сохраняется при использовании реле типа ДЗТ с магнитным торможением, однолинейная схема включения которого приведена на рис. 8-8. Применение реле ДЗТ целесообразно в случаях необходимости отстройки диф. защиты от токов небаланса, вызванных внешними к.з.

При внешних к.з токи тормозных обмоток создают магнитный поток насыщающий крайние стержни магнитопровода, и ток срабатывания возрастает пропорционально току в тормозных обмотках. При к.з. в зоне диф. защиты ток в рабочей обмотке I_{р (вт.к)} имеет большую величину и защита, несмотря на подмагничивание тормозным током, срабатывает .

Рис. 8-8. Реле с магнитным торможением (ДЗТ)

а) схема включения реле

б) сравнительная характеристика реле.

Реле ДЗТ с несколькими тормозными обмотками используется в диф. защитах многообмоточных трансформаторов.

Диф. защита действует и при витковых замыканиях в трансформаторе, однако её чувствительность зависит от доли замкнувшихся витков.

В настоящее время промышленностью выпускается полупроводниковая дифференциальная защита для использования на мощных трансформаторах типа ДЗТ-21, ток срабатывания которой равен (0,2-0,3) U_ном.Т.

Выводы:

1. Продольная дифференциальная защита является основной быстродействующей защитой трансформаторов и автотрансформаторов от повреждений как внутри баков, так и вне их, в зоне, ограниченной трансформаторами тока схемы защиты.

2. Принцип действия продольной диф. защиты трансформаторов (автотрансформаторов), так же как и диф. защит ВЛ и генераторов, основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемого элемента.

3. Недостатком диф. защиты является недостаточная её чувствительность при к.з. внутри обмоток (в том числе при витковых замыканиях) при применении достаточно грубых защит с током срабатывания больше номинального тока трансформатора (I_с.з.>I_ном.Т).

4. Ток срабатывания диф. защиты трансформатора необходимо отстраивать от токов небаланса при сквозных (внешних) к.з., а также от бросков тока намагничивания силового трансформатора при включении и отключении его от сети.

5. Для повышения чувствительности диф. защиты трансформатора применяют специальные диф. реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) типа РНТ и реле с магнитным торможением типа ДЗТ.

6. Дифференциальную защиту рекомендуется применять на трансформаторах мощностью 6,3 МВА и выше, а также на трансформаторах собственных нужд электростанций мощностью 4 МВА и выше.

7. На трансформаторах малой мощности (до 25 МВА) применяются дифференциальные отсечки (без БНТ).

8. На трансформаторах средней и большой мощности применяются дифференциальные защиты с БНТ с использованием реле РНТ, а на трансформаторах с регулировкой напряжения под нагрузкой и на многообмоточных трансформаторах – дифференциальные защиты с использованием реле ДЗТ.

9. На мощных трансформаторах в настоящее время широко используется высокочувствительная полупроводниковая диф. защита типа ДЗТ‑21, ток срабатывания которой не более 0,3I_ном.Т.