Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты

Подождите немного. Документ загружается.

8. Дифференциальная защита трансформатора

Коррекция отклонения отношения первичного номинального тока к соответст-

вующему номинальному току трансформатора выполняется на программном

уровне.

Далее производится исключение тока нулевой последовательности. Указанное

необходимо, если нейтраль трансформатора является заземленной. Если ней-

траль трансформатора не заземлена или обмотки соединены в треугольник,

выполнять данную операцию нет необходимости

Ток нулевой последовательности равен:

()

CBA0

III

I ++⋅=

Исключение тока нулевой последовательности осуществляется согласно сле-

дующим выражениям:

0CC

0BB

0AA

II*I

−=

или в матричной форме:

211

121

112

⋅

−−

⋅=

Затем необходимо выполнить учет фазового сдвига группы соединения обмо-

ток силового трансформатора (на трехобмоточных трансформаторах их два).

Обмотка стороны ВН всегда является опорной при определении группы соеди-

нения обмоток трансформатора, т.е. при схеме соединения Yd5 опорной явля-

ется обмотка звезды.

Трехфазная система стороны низшего напряжения отстает на номер группы

соединения

обмоток в каждой фазе.

Выравнивание токов по фазе может быть определено непосредственно из со-

единения обмотки. Также могут быть использованы симметричные составляю-

щие.

Справедливы следующие общие выражения, где k i- номер группы соединения

обмоток силового трансформатора,

[]

()

[]

()

[

]

()

[][]

()

[]

()

[]

()

[][]

30kcos304kcos304ncos

304kcos

30kcos304kcos

304kcos

304kcos 30kcos

**I

ooo

⋅

⋅⋅−⋅+

⋅+

⋅⋅−

⋅−

⋅+⋅

⋅=

(8-6)

Для трансформатора Yd5 при k= 5 имеем следующее:

⋅⋅

−

110

011

101

**I

Измеряемые величины для сравнения дифференциальной защитой получают-

ся равнымиs:

**I

−∆

Таким образом, необходимо отметить, что за положительное направление про-

текания токов принято их протекание в сторону защищаемого объекта.

161

8. Дифференциальная защита трансформатора

Пример 8-1: Выравнивание сравниваемых токов в цифровом устройстве защи-

ты

Исходные

данные:

Силовой трансформатор Yd5 (в соответствии с рис. 8-10).

Определить: Последовательность производимых цифровым устройством

дифференциальной защиты вычислений при внешнем КЗ (см.

Рисунок). Доказать, что срабатывания защиты при данных усло-

виях не происходит.

Yd5

= 100 MVA

= 110 kV

= 20 kV

600/1 A

3000/5 A

2.400 A

7621 A

∆I

1 A

5 A

Рис. 8.10: Схема и данные для примера 8-1.

Решение: Ток однофазного КЗ равный 2400 A на стороне 110 кВ на стороне 20

кВ воспринимается как двухфазный:

7621A2400

110

=⋅⋅=⋅⋅=

−−

Обмотка ВН выбрана в качестве опорной обмотки W1.

Выравнивание токов на стороне 110 кВ (обмотка W1):

525A

110kV3

100MVA

W1Transf.N

⋅

−−

Номинальный ток устройства дифференциальной защиты транс-

форматора установлен равным 1 A.

По отношению к полному току нагрузки имеем:

4.57A4

525

600

I andA 4.02400

600

NormB,C-sec.A,

=⋅==⋅=

Функция исключения тока нулевой последовательности I

активиро-

вана:

162

8. Дифференциальная защита трансформатора

357.4*I

357.42*I

357.4*I

: therefore,

4.57

211

121

112

⋅−=

−⋅

−−

⋅=

Выравнивание токов на стороне 20 кВ (обмотка W2):

2887A

20kV3

100MVA

W2Transf.N

⋅

−−

Номинальный ток входного трансформатора тока для обмотки 2 ус-

тановлен равным 5 А..

По отношению к полному току нагрузки имеем:

A34.5734.4

2887

3000

I andA 34.43 13200

3000

Normsec. - c , b, a

=⋅==⋅=

Использовать функцию исключения тока нулевой последовательно-

сти на данной стороне нет необходимости и, следовательно, она не

введена.

Учет фазового сдвига группы соединения обмоток силового транс-

форматора Yd5 выполняется следующим образом:

357.4

110

011

101

**I

−⋅

−

, тем самым:

357.4**I

357.42**I

357.4**I

−=

⋅=

−=

Результирующий дифференциальный ток равен:

34.5734.57

34.57234.572

34.5734.57

**I*I

−

⋅+⋅−

−

−∆

Срабатывания дифференциальной защиты не происходит.

В некоторых случаях может потребоваться использование внешнего промежу-

точного ТТ. Характерным примером будет являться Трехобмоточный транс-

форматор, когда одна обмотка рассчитана на очень малую нагрузку. Указанное

иллюстрируется на следующем примере.

Пример 8-2: Пример применения внешнего промежуточного ТТ

Исходные

данные:

Трехобмоточный трансформатор (в соответствии с рис. 8-11).

Определить:

Конфигурацию и значение уставки функции выравнивания из-

меряемых величин.

Решение: Обмотка треугольника имеет очень маленькую мощность по

сравнению с другими обмотками. Первичный ток ТТ 1000/1 ста-

вится в соответствие с данным значением мощности (30 МВА

при 13.8 кВ соответствует номинальному току 1255 A).

Номинальный ток на стороне ВН (500 кВ) равен:

163

8. Дифференциальная защита трансформатора

A 1213

3500

MVA 1050

1W.TransfN

⋅

−−

В этом случае подходит ТТ 1500/5 A.

Номинальный ток обмотки 345 кВ:

A 1757

3345

MVA 1050

2W.TransfN

⋅

−−

ТТ с коэффициентом трансформации 2000/5A подходит для ис-

пользования в данном случае.

500 kV,

1050 MVA

345 kV, 1050 MVA

13.8 kV,

30 MVA

1500/5 A

2000/5 A

1000/1 A

1 / 0.2A

7SA513 relay (5A)

Рис. 8-11: Схема подключения и данные для примера 8-2

Номинальный ток третичной обмотки составляет:

A 1255

38.13

MVA 30

3W.TransfN

⋅

−−

Для этой обмотки выбран ТТ 1000/1 А. Он грубо соответствует но-

минальной мощности (30 МВА) и обеспечивает правильный коэф-

фициент трансформации для резервной МТЗ в этом месте установ-

ки. Однако при этом характерно значительное несоответствие но-

минальной мощности основной обмотки (1050 MВА), к которой

должна быть адаптирована дифференциальная защита.

Адаптация к мощности 1050 МВА

будет соответствовать току

43,949A13.85001213I

⋅=

на стоне 13.8 кВ. Будет необходимо

выравнивание согласно коэффициенту 43,949/1000= 44.

При выборе ТТ с номинальным вторичным током 1 А и при установ-

ке номинального тока входа устройства защиты равным 5 A будет

достигнута частичная (на коэффициент 5) адаптация тока. Остается

обеспечить выравнивание на коэффициент 44/5= 8.8. Указанное

может быть выполнено программным образом.

При использовании устройства 7UT5 рекомендуется, в связи

с точ-

ностью внутренних вычислений, не превышать коэффициент 4 для

. Тем самым, используется внешний промежуточный ТТ 5/1 (1 -

164

8. Дифференциальная защита трансформатора

0.2 A), и, таким образом, коэффициент выравнивания снижается до

8.8/5= 1.76. Тогда значение уставки “Номинальный первичный ток

ТТ” должно быть выбрано равным 1000⋅5⋅5= 25,000A для третичной

обмотки.

При определении номинальной кратности промежуточного ТТ необ-

ходимо учесть, что ток также очень мал и при КЗ. Отнесенный к ко-

эффициенту

трансформации 1000/1 A он не превышает более чем

в 10 раз номинальный ток I

. Промежуточный ТТ тогда может быть

сконфигурирован для номинального тока 1/0.2 A. При использова-

нии многоотпаечного промежуточного ТТ типа 4AM22-7AA (см. раз-

дел 5.8, рис. 5.33) правильным выбором будет 8 к 40 виткам.

Приведенный пример иллюстрирует комбинацию ТТ, промежуточного ТТ, вход-

ного трансформатора и функции программной компенсации для измеренных

величин. Промежуточный ТТ и измерительный вход могут быть включены

в вы-

ражение (8-4) для получения следующего результата для внутреннего тока, ко-

торый обрабатывается устройством защиты (как пример, для обмотки 1):

sec.C

sec.B

sec.A

W1-Transf.N

1 CTprim.N

1-MI-relay-N

1-CTsec.N

side c.t.CT Interp.N

siderelay CT Interp.N

−

−−

⋅⋅⋅=

(8-7)

N-relay-MI-1

– номинальный ток измерительного входа 1 устройства защиты. В об-

щем случае, номинальный ток каждого измерительного входа такой же, как и

номинальный ток устройства защиты. Если номинальный вторичный ток ТТ на

выводах трансформатора тока отличается, тогда для измерительных входов

должен быть выбран соответствующий ток при помощи изменения положения

перемычки. В примере выше

различие токов используется как преимущество

для обеспечения эквивалента промежуточному ТТ 5/1. Справедливо следую-

щее:

43949

1000

44000A

25000A

0.2A

sec.C

sec.B

sec.A

sec.C

sec.B

sec.A

−

⋅=⋅⋅⋅=

Указанное означает адаптацию к мощности 1050 МВА.

Алгоритм измерения

Адаптированные измеренные величины подвергаются оценки согласно цифро-

вым алгоритмам дифференциальной защиты.

Характеристика срабатывания имеет три ступени, что является стандартом для

цифрового устройства защиты. По сравнению с защитой генератора, базовый

порог срабатывания I

DIFF

> и наклон первой ветви должны иметь менее чувстви-

тельные значения уставок, поскольку токи намагничивания трансформатора и

погрешности коэффициента трансформации при установленном положении

отпайки РПН обуславливают возникновение небалансов. Адаптация коэффи-

циента трансформации в соответствии с положением отпайки устройства РПН

в теории возможна, однако из-за высокой сложности на практике не применяет-

ся.

165

8. Дифференциальная защита трансформатора

Стандартное значение уставки для трансформаторов без устройства РПН -

20% I

, для трансформаторов с устройством РПН (диапазон регулирования

±22%) – 30%.

Задание наклона первой ветви характеристики равным 25% и второго наклона

равным 50% является оптимальным решением в стандартных случаях. Ста-

бильность функционирования защиты при возникновении значительных диф-

ференциальных токов в случае насыщения ТТ обеспечивается встроенным де-

тектором насыщения, блокирующем действие защиты на отключение на неко-

торое время (рис. 8-12).

1234567891011

Stable operation

I DIFF >>

Res

/ I

7UT6

Additional stabilisation

for high fault current

/ I

I DIFF >

Tripping area

Ложная работа дифференциальной защиты при БНТ или в случае перевозбуж-

дения предотвращается функциями блокировки, описанными ранее. При внут-

ренних КЗ, сопровождающихся глубоким насыщением ТТ, также возможно на-

личие гармоник, которые обуславливают задержку действия защиты на отклю-

чение. В этом случае, однако, произойдет отключение трансформатора от диф-

ференциальной

токовой отсечки I

DIFF

>>.

Рис. 8-12: Характеристика срабатывания дифференциальной защиты

трансформатора (устройство защиты 7UT6)

Дифференциальная токовая отсечка

Ток КЗ, протекающий через трансформатор, ограничивается реактивным со-

противлением КЗ до

%)u100(I

⋅

. Таким образом, при внешних КЗ диффе-

ренциальный ток также не может превышать данное значение, даже в условиях

глубокого несимметричного насыщения ТТ.

Если рабочие токи превышают данный максимальный ток, тогда может быть

выполнено отключение без какой-либо выдержки времени без оценки величины

торможения.

В составе устройства дифференциальной защиты 7UT6 имеется соответст-

вующая

дифференциальная токовая отсечка. Она обеспечивает отключение

166

8. Дифференциальная защита трансформатора

также в тех случаях, когда при внутренних КЗ со значительной апериодической

составляющей и при глубоком насыщении ТТ вводиться временная блокировка

действия защиты на отключение трансформатора (блокировка при БНТ). По-

скольку глубокое насыщение ТТ не ожидается при ограниченных значениях то-

ка КЗ, протекающих через силовой трансформатор

, значение уставки диффе-

ренциальной токовой отсечки I

DIFF

>> может быть выбрано меньше, чем значе-

ние тока, соответствующего реактивному сопротивлению КЗ..

Дифференциальная токовая отсечка реагирует на основную гармонику тока КЗ,

что означает, что апериодическая составляющая и гармоники высшего порядка

исключаются. С учетом запаса 20%, значение уставки может быть принято рав-

ным приблизительно 60% от

Rush

)

, поскольку максимальное значение ос-

новной гармоники в БНТ составляет приблизительно 50% от максимального

значения тока броска. Значение уставки, предустанавливаемое на заводе, со-

ставляет 7.5⋅I

N-Trafo

. Данное значение является приемлемым в большинстве

случаев.

В случае возникновения внутренних КЗ близки к выводам трансформатора вы-

сокие токи КЗ могут приводить к насыщению ТТ. Указанное характерно для ма-

ломощных трансформаторов, подключенных к системе с большой мощностью

КЗ.

Таким образом, добавлен быстродействующий орган со значительным значе-

нием уставки. Срабатывание данного

органа происходит тогда, когда две вы-

борки превышают удвоенное значение уставки I

DIFF

>>. Указанное обеспечивает

быстродействующее отключение до момента насыщения ТТ. Алгоритм измере-

ния был рассмотрен в разделе 4.2.2.

Дифференциальная защита от КЗ на землю

В случае КЗ на землю в заземленной обмотке трансформатора будет характер-

но протекание токов КЗ, которые могут причинить серьезные повреждения

трансформатору. Со стороны питания соответствующие токи могут быть отно-

сительно маленькими, если замкнутыми являются несколько витков вторичной

обмотки.

На обмотках с глухозаземленной нейтралью величина тока будет значитель-

ной, если КЗ

возникает в нескольких витках от нейтрали (рис. 8-13).

167

8. Дифференциальная защита трансформатора

h⋅U

Infeed side

200

40 60

100

per unit

Short-circuited winding part h in %

Рис. 8-13: КЗ на землю в обмотке с глухозаземленной нейтралью [8-13]

Реактивное сопротивление обратно-пропорционально квадрату замкнутых вит-

ков, в то время, как наводимое напряжение уменьшается по линейной зависи-

мости. Соответственно характерной зависимостью является параболическая

зависимость. Тем самым, сопротивление обмоток носит ограничивающий ха-

рактер вблизи нейтрали.

Рис. 8-13 также применим для витковых КЗ. В этом случае

ток не возвращается

через землю, но протекает по закоротке без соединения с землей. Необходимо

отметить, что в этом случае ток повреждения I

не может быть обнаружен уст-

ройством, подключенным в цепь заземления нейтрали.

Если нейтраль заземлена через сопротивление, характерны условия представ-

ленные на рис. 8-14. Вторичный ток линейно пропорционален числу коротко-

замкнутых витков, в то время, как ток сто стороны питания обратно-

пропорционален квадрату числа замкнутых витков.

h⋅U

Infeed side

Short-circuited winding part h in %

Max

100

Рис. 8-14: КЗ на землю в трансформаторе с резистивно-заземленной ней-

тралью [8-13]

168

8. Дифференциальная защита трансформатора

В этом случае токи КЗ могут быть вычислены простым образом:

⋅

hI ⋅⋅⋅=

⋅

⋅= (8-8)

Первичный ток КЗ очень мал при КЗ близких к нейтрали, поэтому дифференци-

альная защита будет срабатывать только при КЗ ближе к выводам трансфор-

матора.

Следующее является примером этого:

Пример 8-3: Токи при повреждении в трансформаторе

Исходные

данные:

Трансформатор 20 МВА, U

= 132 кВ, U

= 13.8 кВ

Схема согласно рис. 8-14.

ТТ на стороне 132 кВ: 100/1 A

Ток КЗ на землю ограничивается сопротивлением R

до 2000 A

Место КЗ: расстояние 20% от нейтрали.

Определить: Будет ли дифференциальная защита чувствительная к данному

КЗ (значение уставки составляет 25% I

ном

Решение: Первичный ток КЗ (рабочий ток) составляет:

23A2000A

132

13.8

100

20%

=⋅⋅⋅=

При значении уставки 25% I

ном

, что эквивалентно 25 A, дифферен-

циальная защита работать не будет. При КЗ на землю на обмотке

13.8 кВ защита охватывает почти 80% обмотки.

В данном примере рекомендуется выполнить подключение ТТ с устройством

токовой защиты нулевой последовательности в цепи заземления нейтрали (по-

рог срабатывания 200 A) для увеличения области охвата до 90%. Однако дан-

ная защита должна иметь

значительную выдержку времени, поскольку токовые

защиты нулевой последовательности, установленные в сети, должны срабаты-

вать быстрее для обеспечения селективности.

Далее приводится описание дифференциальной защиты от КЗ на землю. При

рассмотренных условиях данная защита обеспечивает отключение поврежде-

ния без выдержки времени.

Дифференциальная защита от КЗ на землю

Дифференциальная защита от КЗ на землю является оптимальным дополне-

нием к фазной дифференциальной защите. В частности, на обмотках транс-

форматора с резистивно-заземленной нейтралью (ограничение тока повреж-

дения). При установке данной защиты улучшается чувствительность при КЗ на

землю [8-14].

Защита осуществляет сравнение тока нейтрали I

* с суммой фазных токов при-

соединения I

** (рис. 8-15).

169

8. Дифференциальная защита трансформатора

Для повышения чувствительности при обеспечении селективности действия

при реализации защиты на традиционной элементной базе применялись, так

называемые, реле произве-

дения. Данные реле поля-

ризуют рабочий ток током

нейтрали, так что защита

достигает своей наиболь-

шей чувствительности, ко-

гда рабочий (дифференци-

альный) ток и ток в

нейтра-

ли ТТ направлены в одну

сторону (имеют одну и ту же

полярность).

∆ I

Цифровое устройство за-

щиты 7UT6 реализует дан-

ный принцип в цифровом

виде.

Справедливы следующие

соотношения:

Рис. 8-15: Диф. защита от КЗ на землю

I**

⋅=++=

Два диапазона углов должны различаться для критерия срабатывания:

Основной диапазон углов срабатывания определяется приблизительным сов-

падением фаз токов I

* и I

**: . В данном диапазоне

торможения не выполняется. Рабочий ток соответствует току нейтрали I

()

90**I/ *I90 +≤ϕ≤−

*, по-

этому защита постоянно имеет малый порог срабатывания:

set0Op

I*II >=

Расширенный диапазон углов срабатывания определяется разницей фаз >90

которая имеет место при внутренних КЗ только в условиях насыщения ТТ:

()

270**I/ *I90 +≤ϕ≤+

В этом случае также характерен ток торможения:

**I*I**I*II

0000

+−−=

(8-9)

В данном диапазоне углов справедлив следующее условие срабатывания:

S0set0

IkI*I ⋅+>

(8-10)

Таким образом:

(

)

**I*I**I*IkI*I

0000

0set0

+−−⋅+>

(8-11)

Может быть получено следующее выражение:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ϕ⋅−−ϕ⋅+⋅⋅+

cos

**I

1cos

**I

1k21

set

(8-12)

При внешних КЗ на землю токи I

* и I

** протекают в одном направлении (имеют

различные знаки), поэтому характерно наличие только тока торможения и от-

сутствие дифференциального тока.

При внутренних КЗ токи I

* и I

** втекают в защищаемый объект и, тем самым,

имеют один и тот же знак (противоположные направления).

170