2-5. Дифференциальная токовая защита трансформаторов (без торможения)

Основные условия расчета. Дифференциальная (продольная) токовая защита является основной быстродействующей защитой трансформаторов с обмоткой высшего напряжения 3 кВ и выше от КЗ на выводах, а также внутренних повреждений. В соответствии с «Правилами» [1] продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени должна предусматриваться на трансформаторах мощностью 6,3 MB-А и выше, а также на трансформаторах 4 MB-А при их параллельной работе и на трансформаторах меньшей мощности (но не менее 1 MB-А), если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 с. Кроме того, дифференциальная защита предусматривается на трансформаторах, установленных в районах, подверженных землетрясениям (поскольку газовая защита трансформатора здесь может действовать только на сигнал).

Принцип действия, схемы выполнения и методы расчета параметров срабатывания дифференциальных зашит понижающих трансформаторов изложены в фундаментальных учебниках по РЗ [3, 4, 5 и др.], в Руководящих указаниях, вып. 4, а также в новом учебном пособии кафедры РЗА ПЭИпк «Дифференциальные защиты трансформаторов», автор А.М. Александров [13].

В распределительных сетях России и стран СНГ большинство дифференциальных защит трансформаторов выполнено на традиционных аналоговых реле типов РНТ и ДЗТ-10 завода ЧЭАЗ. В последнее десятилетие включены в работу новые реле дифференциальных защит РСТ-15 и РСТ-23, ДЗТ-23, блоки в ЯРЭ-2201 (ЧЭАЗ), а также цифровые реле фирм АББ, Сименс, Альстом. Вопросы выбора уставок этих новых реле рассмотрены в [13], как рекомендательные до накопления опыта их эксплуатации. Здесь эти рекомендации не приводятся.

На двух- и трехобмоточных силовых трансформаторах (автотрансформаторах) без регулирования напряжения под нагрузкой применяются реле серии РНТ с насыщающимися трансформаторами тока (НТТ) и короткозамкнутой обмоткой. Для за­щиты силовых трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой, как правило, применяются реле серии ДЗТ-10 с НТТ и магнитным торможением сквозным (циркулирующим) током дифференциальной защиты [3]. Исключение могут составлять трансформаторы с малыми значениями токов КЗ при повреждениях на стороне низшего напряжения, для которых более высокую чувствительность обеспечивают реле РНТ благодаря лучшей отстройке от бросков тока намагничивания (§ 2-6).

Для трансформаторов большой мощности выпускаются полупроводниковые сложные реле серии ДЗТ-20, позволяющие выполнить дифференциальную защиту с током срабатывания, значительно меньшим номинального тока трансформатора [3]. В распределительных сетях реле этой серии не применяются и в дальнейшем под индексом ДЗТ подразумеваются реле ДЗТ-11 и аналогичные. В сравнительно редких случаях для дифференциальной защиты используются обычные токовые реле серии РТ-40.

Выполнение схемы и расчеты уставок дифференциальной защиты трансформаторов имеют ряд особенностей по сравнению с выполнением схемы и расчетами уставок дифференциальных защит других элементов:

1. необходимость отстройки от бросков намагничивающего тока, возникающих при включении ненагруженного трансформатора (автотрансформатора) под напряжение (на холостой ход) или при восстановлении напряжения после отключения внешнего КЗ в питающей сети;
2. необходимость отстройки от токов небаланса, обусловленных неполным выравниванием действия неодинаковых вторичных токов в плечах дифференциальной защиты, что вызывается:

невозможностью точной установки на коммутаторе реле РНТ и ДЗТ расчетных чисел витков (дробных) уравнительных обмоток; этим вызывается появление

составляющей тока небаланса, обозначаемой I"'нб (см. далее);

регулировкой коэффициента трансформации защищаемого трансформатора (автотрансформатора) с РПН; этим вызывается изменение вторичных токов только в одном из плеч дифференциальной защиты, что приводит к появлению составляющей тока небаланса, обозначаемой I"нб (см. далее);

Наряду с этими составляющими существует составляющая тока небаланса ( I'нб), обусловленная разностью намагничивающих токов трансформаторов тока в плечах защиты (в практических расчетах ее принято считать равной току намагничивания или полной погрешности ε худшего из ТТ (см. Главу 1, §1-5). Эта составляющая, характерная для всех дифференциальных защит, может быть особенно значительной для дифференциальных защит трансформаторов, поскольку они характеризуются большими и значительно отличающимися друг от друга сопротивлениями нагрузки трансформаторов тока в плечах защиты и параметрами трансформаторов тока. Таким образом, ток небаланса дифференциальной защиты трансформаторов состоит из трех составляющих :

Первым условием .выбора первичного тока срабатывания защиты является отстройка от этого тока небаланса:

где kн- коэффициент надежности, учитывающий ошибку реле и необходимый запас, может быть принят равным 1,3 для реле РНТ.

Вторым условием выбора тока срабатывания защиты является отстройка от броска тока намагничивания при включении ненагруженного трансформатора (автотрансформатора) под напряжение:

где kн - коэффициент отстройки дифференциальной защиты от бросков тока намагничивания; Iном.тр - номинальный ток трансформатора.

В «Руководящих указаниях» рекомендуются значения kн = 1-1,3 для дифференциальных защит с реле серии РНТ-560 и 1,2-1,5 для защит реле ДЗТ-11 и т. п. (значения кн увеличены из-за отсутствия в этих реле короткозамкнутой обмотки и худших параметров в отношении отстройки от бросков тока намагничивания защищаемого трансформатора). В практических расчетах в выражении (2-37) обычно принимается kн= 1,3 для дифференциальной защиты с реле серии РНТ и kн= 1,5 - с реле ДЗТ-11.

В работе [3, 4] показано, что могут на основании расчета приниматься несколько меньшие значения кн, особенно для защит трансформаторов, электрически удаленных от генерирующих источников.. Коэффициент kн вычисляется по следующим эмпирическим выражениям (для трансформаторов тока с номинальным вторичным током 5 А): kн = 1,7 - 2,8 xк* для реле серии РНТ-560 и kн = 2,1 - 3,7хк*, для реле ДЗТ-11. Если в результате расчета хк* (см. далее) окажется, что хк* > 0,3, то рекомендуется принимать kн = 0,9 для РНТ-560 и = kн1 для ДЗТ-11.

Значение xк*= хк/хб, где хб = U 2 ном Sном.тр; Uном - номинальное (среднее) междуфазное напряжение трансформатора, кВ; Sном.тр- полная мощность трансформатора, MB-А. Значение хк= x1c+ (1,1 - 1,15)х (I) в , где x1c - сопротивление прямой последовательности питающей энергосистемы до точки подключения трансформатора, Ом, х (I) в- индуктивное сопротивление включаемой обмотки трансформатора при полном насыщении его магнитопровода, Ом . Предварительно значение этого сопротивления в относительных единицах или процентах определяется по эмпирическому выражению для трансформаторов с высшим напряжением 110 кВ мощностью от 6,3 до 63 MB-А: х (I) в = (12,7 + uк)/1,35, где uк —напряжение короткого замыкания в относительных единицах или процентах из паспорта трансформатора или ГОСТ. Затем по выражению (2-6) значение х (I) в определяется в именованных единицах (омах), отнесенных к номинальному напряжению стороны ВН (110 кВ), откуда трансформатор включается под напряжение. В «Руководящих указаниях» приведено несколько отличное выражение для вычисления х (I) в для трансформаторов 110-330 кВ всех мощностей: (13,9 + uк)/1,38. В этих эмпирических выражениях принимаются средние значения напряжения КЗ, т. е. не учитывается влияние РПН на изменение сопротивления трансформатора.

Например, при uкc.р = 10,5 % значение х (I) в= (12,7 + 10,5) / 1,35 = 17,2 %. При мощности двухобмоточного трансформатора 10 MB-А по выражению (2-6) х (I) в =17,2 • 115 2 /(100 *10) = 227Ом. Принимаем сопротивление энергосистемы х1с= 30 Ом и получаем хк = 30 + 1,15 • 227 = 291 Ом. Значение xб = 115 2 / 10 — 1320, xк* = 291 / 1320 = 0,22. Для дифференциальной защиты с реле РНТ-560 значениеkн= 1,7-2,8*0,22 = 1,1.

Если трансформатор трехобмоточный, значение х (I) в определяется по большему из значений uк.сp, которое обычно равно 17 % (между обмотками высшего и низшего напряжений). Для условий этого примера: х (I) в = (12,7 + 17) / 1,35 = 22 %, или290 Ом, xк = 30 + 1,15 • 290 = 364 Ом, хк*= 0,28; kн= 1,7- 2,8 • 0,28 = 0,92.

Пример расчета kн для дифференциальной защиты с реле ДЗТ-11 приведен ниже.

При вводе в эксплуатацию дифференциальной защиты с током срабатывания, выбранным по условию (2-37), рекомендуется для проверки надежности несрабатывания защиты при бросках тока намагничивания производить пять опытов включения трансформатора под напряжение (на холостой ход), наблюдая при этом за поведением контактов реле дифференциальной защиты.

В выражении (2-37) номинальный ток трансформатора принимается по паспортным данным. При их отсутствии определяется по выражению

Например, для трансформатора 10 MB-А, 115 кВ Iном.тр=0,05 кА или 50 А. Для создания расчетного запаса можно принимать 1,05Iном.тp. Таким образом, условие (2-37) не позволяет выбрать ток срабатывания дифференциальной защиты трансформаторов, выполненной на реле серий РНТ-560 или ДЗТ-10, существенно меньшим номинального тока трансформатора. Это является известным недостатком этих реле.

Коэффициент чувствительности дифференциальной защиты

где Iр.мин- ток в первичной обмотке НТТ реле серий РНТ и ДЗТ, который в целях упрощения расчета определяется в предположении, что весь ток повреждения проходит только по одной стороне трансформатора, вычисляется приведением первичного тока повреждения ко вторичной цепи трансформаторов тока этой стороны с учетом вида КЗ

и схемы соединения трансформаторов тока; Iс.р — ток срабатывания реле, соответствующий числу витков первичной обмотки НТТ реле РНТ, ДЗТ, используемых на той стороне, по которой проходит ток Iр.мин.

Для трансформаторов распределительных сетей характерно именно одностороннее питание. При этом значения расчетного тока в реле дифференциальной защиты Iр.мин могут быть определены по табл. 2-1. Минимальный первичный ток на питающей стороне ВН при трехфазном КЗ на стороне НН (СН) трансформаторов с РПН определяется по формуле (2-11). Как правило, требуется kч = 2, но допускается для редких случаев снижение kч до 1,5 [1].

Задачей расчета дифференциальной защиты трансформатора с реле серии РНТ является определение тока срабатывания по условиям (2-36)-(2-38) и чисел витков обмоток НТТ.

Расчет тока небаланса. Составляющие тока небаланса, входящие в выражение (2-35), определяются расчетом следующим образом.

а) Составляющая, обусловленная погрешностью трансформаторов тока,

где Iк.макс — периодическая составляющая (при t = 0) при расчетном внешнем трехфазном металлическом КЗ; ε — относительное значение тока намагничивания, при выборе трансформаторов тока, по кривым предельных кратностей принимается равным 0,1 (§ 1-5); kодн — коэффициент однотипности, принимается равным 1,0, если на всех сторонах трансформатора имеется не более одного выключателя, может приниматься равным 0,5, если трансформатор присоединен к сети через два выключателя, но только при рассмотрении внешнего повреждения на этой стороне, k апер — коэффициент, учитывающий переходный режим, для реле с НТТ может быть принят равным 1.

б) Составляющая, обусловленная регулированием напряжения защищаемого трансформатора (автотрансформатора),

где Iα к.макс и Iβ к.макс - периодические составляющие токов (при t = 0), проходящих при расчетном внешнем КЗ на сторонах, где производится регулированием напряжения; Δ U*α и Δ U*β - относительные погрешности, обусловленные регулированием напряжения на сторонах защищаемого трансформатора или автотрансформатора (ΔU*РПH)- В «Руководящих указаниях» рекомендуется принимать ΔU равным половине суммарного (полного) диапазона регулирования напряжения на соответствующей стороне трансформатора; при этом определение вторичных токов в плечах защиты, выбор чисел витков обмоток НТТ для выравнивания магнитодвижущих сил производится при среднем значении регулируемого напряжения. Наряду с этим разработан («Теплоэлектропроектом») расчетный прием вычисления составляющих I'нб и I"нб при так называемом оптимальном положении регулятора РПН (Uопт на рис. 2-19). Основное отличие этой методики состоит в том, что расчетное значение тока небаланса определяется не при среднем, а при некотором оптимальном положении регулятора РПН, которое находится между средним и тем крайним положением регулятора, которому соответствует максимальное значение сквозного тока КЗ Iк.макс.вн. В ряде случаев этот прием позволяет повысить чувстви­тельность дифференциальной защиты с реле РНТ и применяется, когда по каким-либо причинам нецелесообразно или невозможно использовать дифференциальные реле с торможением типа ДЗТ.