Дифференциальная компенсация
Дифференциальная компенсация
9.2.2. Особенности дифференциальной защиты трансформаторов
Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей по сравнению с продольной дифференциальной защитой линий.
1. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по величине и в общем случае не совпадают по фазе.
В режиме нагрузки и внешнего КЗ: III>II, отношение токов— равно коэффициенту трансформации силового трансформатора.
2. В трансформаторе с соединением обмоток Y/— токиIIиIIIразличаются и по величине и по фазе: угол сдвига зависит отгруппы соединенияобмоток трансформатора. Наиболее распространённое соединение обмотокY/–11 гр. Векторные диаграммы распределения токов в обмотках трансформатора с такой группой соединения показаны на рис. 9.2.2.
В связи с вышеизложенным необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов по величине: , а при разных схемах соединения обмоток и по фазе, с тем, чтобы поступающие в реле токи в нормальном режиме и при внешнем КЗ были равны.
Пояснение к рис.:
Фазные токи сдвига не имеют. Однако, в месте установки трансформатораТА2проходят токи, равные геометрической разности фазных токов, так в фазеАпроходит ток:IAII = IA – IB. ТокIAIIсдвинут относительноIAIна угол 330.
9.2.3. Меры по выравниванию вторичных токов
9.2.3.1. Компенсация сдвига токовI1иI2по фазе
Выравнивание вторичных токов в плечах защиты по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмоток трансформаторов тока, установленных на стороне звезды силового трансформатора (см. рис. 9.2.3.).
Такой способ обеспечивает компенсацию сдвига фаз не только при симметричной нагрузке и трехфазных КЗ, но и при любом несимметричном повреждении.
9.2.3.2. Выравнивание величин токовI1иI2
Выравнивание величин вторичных токов в плечах дифференциальной защиты осуществляется подбором коэффициентов трансформации nT1иnT2трансформаторов тока и параметрами, специально для этой цели установленных, промежуточных автотрансформаторов или трансформаторов (см. рис. 9.2.4.).
(9.1.)
где: N– коэффициент трансформации силового трансформатора.
Ток в плече, подсоединенном к трансформаторам тока включенным в треугольник , а в плече присоединенном к трансформаторам тока, соединенным в звезду, с учетом этого:
(9.2.)
Задаваясь одним из коэффициентов трансформации, например nTIIможно найти, пользуясь выражениями (9.1.) или (9.2.), расчетное значение второгоnTI, но он, как правило, получается нестандартным. Используют трансформатор тока с стандартным значением коэффициента трансформации, ближайшим к расчетному значению, а компенсация оставшегося неравенства вторичных токов осуществляется с помощью выравнивающих автотрансформаторов или трансформаторов
Использование автотрансформатора(см. рис. 9.2.4. б)):
Коэффициент трансформации автотрансформатора naподбирается так, чтобы его вторичный токI2aбыл равен токуI1в противоположном плече защиты:
(9.3.)
Использование трансформатора(см. рис. 9.2.5.):
В данном случае используется промежуточный компенсирующий трансформатор с тремя первичными обмотками:y1иy2—уравнительные, включаются в плечи защиты;∂—дифференциальная, включаемая на разность токовI1–I2. Вторичная обмотка2питает дифференциальное релеКА.
Число витков обмоток подбирается из условия:
(9.4.)
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПРОЕКТ РЕКОМЕНДАЦИЙ
ПО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Компенсация – включение источников емкостной реактивной мощности в определенном узле электрической сети для обмена реактивной энергией между этим источником и индуктивным потребителем с целью разгрузки сети от реактивной энергии.
Конденсатор – устройство, состоящее из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, способное накапливать электроэнергию.
Батарея конденсаторов – группа последовательно и параллельно включенных конденсаторов.
Реактор – катушка индуктивности.
Регулируемое устройство компенсации – источник реактивной энергии, мощность которого можно изменять.
Компенсирующая установка (КУ) – установка, включающая в себя батарею конденсаторов, реактор, устройства управления и защиты.
2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
2.1. Рекомендации распространяются на устройства компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения тяги поездов на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токe 3 кВ и переменном токе 25 кВ частотой 50 Гц.
Основное назначение установки КУ – компенсация реактивной мощности тяговой нагрузки.
2.2. Целью рекомендаций является определение основных положений по выбору схемы, размещения КУ и их параметров для решения следующих задач:
— снижения потерь электрической энергии и падений напряжения;
— фильтрация токовых гармоник;
— разгрузки генераторов энергосистемы.
2.3. Рекомендации предполагают применение в качестве источника реактивной мощности конденсаторов, имеющих сравнительно низкие удельные стоимости, малые потери в сравнении с синхронными компенсаторами, возможность установки их в различных точках системы электроснабжения, в том числе на электротяговом подвижном составе.
2.4. Необходимость установки, количество и мощность КУ определяется проектными организациями по согласованию с энергосистемой, исходяиз минимума приведенных затрат и требований национальных стандартов.
2.5. Технико-экономическое обоснования применения КУ должно учитывать взаимоотношения с национальными электроснабжающими организациями (в зависимости от методов расчета за потребленную реактивную электроэнергию).
2.6. С учетом уменьшения (спада) перевозок, уменьшению и неравномерности тяговых нагрузок необходим перерасчет мощности КУ и ее регулирование.
3. ВЫБОР МЕСТА ВКЛЮЧЕНИЯ И СХЕМЫ КУ.
3.1. Компенсировать реактивную мощность экономически выгодно на том напряжении, на котором она потребляется.
3.2. Места установки и режимы работы КУ следует выбирать такими, чтобы обеспечивались наилучшие технико-экономические показатели.
3.3. На тяговых подстанциях постоянного тока КУ рекомендуется подключать к шинам, от которых питаются тяговые трансформаторы.
3.4. На участках, электрифицированных на переменном токе, КУ рекомендуется подключать к шинам 27,5 кВ тяговых подстанций или постов секционирования.
3.5. КУ тяговых подстанций постоянного тока выполняются трехфазными. При этом группы конденсаторов соединяются в звезду или треугольник с предохранителями (рис.1), с трансформаторами тока (рис. 2) или согласно рис.3.
3.6. КУ на участках переменнoro тока 25 кВ выполняются однофазными (рис.4).
3.7. В связи со значительными колебаниями тяговой нагрузки, а следовательно изменением величины потребления реактивной мощности по техническим соображениям целесообразно применять регулируемые КУ (рис. 5). Необходимость применения регулируемого КУ определяется в зависимости от местных энергетических условий и на основании экономических расчетов.
4. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КУ
4.1. Определение мощности КУ рекомендуется проводить в следующей последовательности: намечаются места размещения КУ, производится расчет мощности по приведенным расходам из условия уменьшения потерь активной мощности в тяговой сети, трансформаторах, питающих линиях до подстанции энергосистемы и в КУ. Если полученная по расчету мощность КУ меньше заданной энергосистемой по условию баланса реактивной мощности, то расчет следует повторить. Места установки КУ при этом должны быть определены по согласованию с энергосистемой.
4.2. Максимальный ток компенсирующей установки Iкуmax определяется, исходя из броска напряжения при включении КУ:
Uку — напряжение при включенном КУ;
U — напряжение до включения КУ;
Хп — сопротивление питающей системы (от шин подстанции энергосистемы до места подключения КУ).
4.3. Напряжение на батарее конденсаторов КУ ( Uc ) выше напряжения шин (Uш) на величину, определяемую соотношением сопротивлений реактора и конденсатора:
Хс — сопротивление конденсаторов;
Хр — сопротивление реактора.
С учетом этого, а также ряда других факторов, количество последовательно включенных конденсаторов определяется из выражения:
1,03 х Uш х a x b
1,03 — коэффициент, учитывающий разброс емкости рядов конденсаторов;
U с — напряжение на шинах, к которым подключена КУ;
а — коэффициент увеличения напряжения на конденсаторах, вызванного наличием реактора;
b — коэффициент, учитывающий дополнительный нагрев от высших
гармоник и солнечной радиации;
Uн — номинальное напряжение одного конденсатора.
Количество параллельных рядов конденсаторов выбирают, исходя из выбранной мощности КУ.
4.4. Для обеспечения заданного энергосистемой коэффициента мощности cos ? энергия КУ должна быть определена из выражения:
Wc = Wg – W x tg ?o ,
Wg – W — фактически потребляемые активная и реактивная энергии.
Реактивная мощность трансформатора, подлежащая компенсации:
Q = ?3 x U x I0 x sin ?o ,
U — напряжение сети;
I 0 — ток трансформатора в режиме холостого хода.
Общая емкость конденсатора:
Q — мощность конденсаторов.
4.5. Последовательная резонансная цепь имеет для основной гармонической емкостной характер и для высших гармонических индуктивный характер.
Напряжение Uc вследствие индуктивности реактора:
Напряжение на реакторе: Uр = (а – 1) х U ,
f0 — частота, на которую настроена резонансная цепь;
f1 — частота основной гармонической.
W20 x C a W21 x C
Частота, на которую должна быть настроена резонансная цепь, должна быть определена расчетом и экспериментальными измерениями.
4.6. Для КУ с регулируемой компенсационной мощностью Q c в случае применения регулировочной параллельной дроссельной катушки обычно исходят из максимальной реактивной мощности Qmax, уменьшенной на значение регулируемой мощности Qpp
Qc = Qmax — Qpp K
причем, коэффициент регулирования К меняется от 1 до 0.
К = 1 для минимальной реактивной мощности установки, при которой
исключена опасность перекомпенсации.
К = 0 при максимальной реактивной мощности установки.
5. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО КУ.
5.1. В КУ электрифицированных участков, как правило, применяются высоковольтные конденсаторы наружной установки. Они должны быть экологически безопасны, обладать высокой надежностью и долговечностью.
Конденсаторы допускают длительную работу при повышении напряжения до 110 % и действующем значении тока до 130 % от номинального.
Для снижения нагрева конденсаторов солнечными лучами рекомендуется устраивать над ними навес.
В установках компенсации рекомендуется выполнять параллельное соединение конденсаторов в каждом ряду, что позволяет допустить большой разброс емкости отдельных конденсаторов.
Подбирать конденсаторы в каждом ряду следует так, чтобы сопротивления рядов не отличались друг от друга более чем на 2 — 3 %.
5.2. Для предотвращения резонансных явлений последовательно с батареей конденсаторов включается реактор. Реакторы должны быть выполнены с ответвлением обмотки для изменения величины индуктивности и возможности применения в КУ различной мощности, предпочтительно сухие, экологически безопасные.
5.3. В качестве коммутирующих аппаратов целесообразно применять вакуумные или элегазовые выключатели. В случае применения для этих целей масляных выключателей, для предотвращения повторных пробоев и значительных перенапряжений при этом, следует вводить в цепь КУ ограничивающий резистор.
5.4. Для разряда конденсаторов после отключения КУ параллельно им устанавливается трансформатор напряжения, используемый также в качестве датчика для защиты КУ по напряжению.
5.5. Все электрические соединения конденсаторов друг с другом и шинами должны исполняться гибкими проводниками.
6.1. КУ рекомендуется оборудовать следующими защитами, действующими на отключение:
— от токов короткого замыкания без выдержки времени;
— от перегрузки конденсаторов высшими гармониками с выдержкой времени;
— от повышения напряжения на конденсаторах с выдержкой времени;
— от витковых замыканий в сухих реакторах.
6.2. Для защити от токов короткого замыкания применяется максимальная токовая защита, которая должна быть отстроена от pабочих токов,токов включения и разряда КУ в сеть.
Максимальная токовая защита может быть дополнена продольной дифференциальной защитой для повышения чувствительности при повреждении удаленных от выключателя рядов конденсаторов,
В качестве токовой защиты может быть применена только дифференциальная защита.
6.3. Защита от перегрузки настраивается на отключение действующих токов, превышающих 1,3 Iн.
6.4. Защита по максимальному напряжению должна отключать КУ при повышении напряжения выше 1,1 Uн.
Защита по максимальному напряжению дополняется дифференциальной защитой по напряжению реагирующей на разность напряжений половин рядов конденсаторов (Рис. 6).
6.5. Защиту от витковых замыканий необходимо применять при использовании в КУ сухих реакторов.
7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ КУ.
7.1. Осмотры, ремонты и профилактические испытании оборудования и устройств защиты проводятся в объемах и сроках, которые определяются национальными нормами.
7.2. При осмотрах КУ без отключения рекомендуется обращать особое внимание на отсутствие вздутий конденсаторов и течи диэлектрика, а также на уровень напряжения установки и температуру окружающей среды (особенно в жаркое время года).
7.3. При ремонтах с отключением КУ следует мегомметром проверить отсутствие замыканий между зажимами и корпусом конденсаторов и целость цепи разряда.
7.4. При проведении профилактических испытаний следует проверять распределение напряжений по рядам и измерять емкость конденсаторов.
7.5. Эксплуатация КУ запрещается:
— при напряжении на шинах выше 1,1 Uн;
— при температуре окружающего воздуха превышающей наивысшую и наинисшую температуру, допустимую для конденсаторов данного типа;
— если имеется капельная течь жидкости из конденсаторов или
повреждение изоляторов.
9-2. Дифференциальная защита
а) Область применения и принцип действия
Дифференциальная защита применяется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Ввиду ее сравнительной сложности дифференциальная защита устанавливается не на всех трансформаторах (автотрансформаторах), а лишь в следующих случаях [Л. 41]:
1) на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВ *А и выше;
2) на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4 000 кВ *А и выше;
3) на трансформаторах мощностью 1 000 кВ*А и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 1 с.
При параллельной работе трансформаторов (автотрансформаторов) дифференциальная защита обеспечивает не только быстрое, но и селективное отключение поврежденного трансформатора (автотрансформатора), что поясняется на рис. 9-1.
Если параллельно работающие трансформаторы T1 и Т2 имеют только максимальные токовые защиты, то при повреждении, например, в точке К на вводах низшего напряжения трансформатора T1 подействуют максимальные токовые защиты обоих трансформаторов, а так как их выдержки времени одинаковы, отключатся оба трансформатора.
Дифференциальная защита, действующая без выдержки времени, обеспечивает в рассмотренном случае отключение только поврежденного трансформатора. Для выполнения дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) устанавливаются трансформаторы тока со стороны всех его обмоток, как показано на рис. 9-2 для двухобмоточного трансформатора. Вторичные обмотки соединяются в дифференциальную схему (см. §8-3) и параллельно к ним подключается токовое реле. Аналогично выполняется дифференциальная защита автотрансформатора.
При рассмотрении принципа действия дифференциальной защиты условно принимается, что защищаемый трансформатор имеет коэффициент трансформации, равный единице, одинаковое соединение обмоток и одинаковые трансформаторы тока с обеих сторон.
Согласно выражению (8-2) при прохождении через трансформатор сквозного тока нагрузки или к. з. ток в реле равен:
При принятых выше условиях и пренебрегая током намагничивания трансформатора, который в нормальном режиме имеет малую величину, можно считать, что первичные токи равны II= III и, следовательно, вторичные токи I1 = I2. С учетом этого
Таким образом, если схема дифференциальной защиты выполнена правильно и трансформаторы тока имеют точно совпадающие характеристики, то при прохождении через трансформатор тока нагрузки или тока сквозного к. з. ток в реле дифференциальной защиты трансформатора отсутствует. Следовательно, дифференциальная защита трансформатора, так же как дифференциальная защита линий, на такие режимы не реагирует.
Практически вследствие несовпадения характеристик трансформаторов тока вторичные токи не равны и поэтому в реле проходит ток небаланса, т. е.
Для того чтобы дифференциальная защита не подействовала от тока небаланса, ее ток срабатывания должен быть больше этого тока, т. е.
При к. з. в трансформаторе или любом другом месте между трансформаторами тока направление токов III и I2 изменится на противоположное, как показано на рис. 9-2, б. При этом ток в реле согласно (8-9) станет равным
Таким образом, при к. з. в зоне дифференциальной защиты в реле проходит полный ток к. з., деленный на коэффициент трансформации трансформаторов тока. Под влиянием этого тока защита срабатывает и производит отключение поврежденного трансформатора.
б) Особенности, влияющие на выполнение дифференциальной защиты трансформаторов (автотрансформаторов)
1. Наличие намагничивающего тока, проходящего только со стороны источника питания
Даже в том случае, когда трансформатор (автотрансформатор) имеет коэффициент трансформации, равный единице, и одинаковое соединение обмоток, ток со стороны источника питания больше тока со стороны нагрузки на величину намагничивающего тока.
Намагничивающий ток в нормальном режиме составляет примерно 1—5% номинального тока трансформатора (автотрансформатора) и поэтому вызывает лишь некоторое увеличение тока набаланса.
Иные явления происходят при включении холостого трансформатора (автотрансформатора) под напряжение или при восстановлении напряжения после отключения к. з.
В этих случаях в обмотке трансформатора (автотрансформатора) со стороны источника питания возникает бросок намагничивающего тока, величина которого в первый момент времени в 5—8 раз превышает номинальный ток трансформатора (автотрансформатора), но быстро в течение времени порядка 1 с затухает до величины порядка 20% номинального тока.
Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты от броска намагничивающего тока ток срабатывания защиты должен быть больше максимального значения намагничивающего тока, т. е.
Величина Iнам.макс зависит от конструкции трансформатора (автотрансформатора), момента его включения под напряжение и ряда других условий, трудно поддающихся учету. Поэтому при практических расчетах дифференциальной защиты ток срабатывания определяется на основании опыта эксплуатации и специальных испытаний по формуле
где Iном — для трансформаторов номинальный ток обмотки, имеющей наибольшую мощность; для автотрансформаторов — номинальный ток, определенный по его типовой мощности; — коэффициент надежности отстройки, принимаемый равным от 1 до 4, в зависимости от типа реле, используемых в схеме дифференциальной защиты.
Автотрансформаторы характеризуются двумя значениями мощности: номинальной или проходной мощностью SН0М и типовой или расчетной мощностью Sтип.
Номинальной мощностью автотрансформатора называется та предельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор на стороне высшего напряжения.
Типовой мощностью автотрансформатора называется мощность, на которую рассчитаны его обмотки.
Номинальная (проходная) и типовая (расчетная) мощности находятся между собой в следующем соотношении:
UB — номинальное высшее напряжение; UC — номинальное среднее напряжение.
Установка величины тока срабатывания больше максимального значения намагничивающего тока — не единственный способ отстройки от бросков намагничивающего тока. Ранее довольно широко применялись дифференциальные защиты трансформаторов с током срабатывания, меньшим номинального тока защищаемого трансформатора, но с выдержкой времени порядка 0,5—0,8 с. За это время, как указывалось выше, намагничивающий ток затухает и токовые реле дифференциальной защиты возвращаются в исходное положение еще до истечения указанной выдержки времени. В настоящее время дифференциальная защита с выдержкой времени не применяется. Наличие выдержки времени ухудшает защиту самого трансформатора (автотрансформатора), увеличивая размеры повреждений, а также приводит к необходимости повышения выдержек времени защиты линий для обеспечения селективности их действия с дифференциальной защитой трансформаторов.
Некоторые иностранные фирмы выпускали реле для дифференциальной защиты трансформаторов (автотрансформаторов), снабженные специальными блокирующими устройствами для отстройки от бросков намагничивающего тока. Однако из-за сложности и недостаточной надежности такие реле в СССР распространения не получили.
2. Неравенство вторичных токов и разнотипность трансформаторов тока
Из принципа действия дифференциальной защиты следует, что для получения наименьших токов небаланса трансформаторы тока должны иметь одинаковые характеристики, что при осуществлении дифференциальной защиты трансформаторов (автотрансформаторов) практически невыполнимо.
Поскольку у трансформаторов и автотрансформаторов токи со стороны обмоток высшего, среднего и низшего напряжений не равны, трансформаторы тока, выбираемые по номинальным токам обмоток, имеют разные коэффициенты трансформации и различное конструктивное выполнение. Вследствие этого они имеют различные характеристики и погрешности.
Номинальные токи обмоток трансформаторов (автотрансформаторов), как правило, не совпадают со шкалой номинальных токов трансформаторов тока. Поэтому при выборе трансформаторов тока принимается трансформатор тока, номинальный ток которого является ближайшим большим по отношению к номинальному току обмотки трансформатора (автотрансформатора).
Так, например, номинальные токи обмоток трансформатора мощностью 5 600 кВ • А, напряжением 35/6,6 кВ составляют:
со стороны обмотки 35 кВ
При определенных выше номинальных токах трансформаторы тока должны иметь коэффициенты трансформации: со стороны 35 кВ — 100/5 и со стороны 6,6 кВ — 600/5. При этом вторичные токи трансформаторов тока составляют (рис. 9-3, а):
со стороны обмотки 35 кВ
Таким образом, вследствие неравенства вторичных токов в плечах дифференциальной защиты в дифференциальном реле при номинальной нагрузке трансформатора проходит ток небаланса, равный:
При сквозном к. з. этот ток возрастает пропорционально току к. з., а также вследствие возрастания погрешностей трансформаторов тока, имеющих неодинаковые характеристики, что может вызвать ложное действие дифференциальной защиты.
Поэтому для снижения тока небаланса, вызванного неравенством вторичных токов трансформаторов тока дифференциальной защиты, производится выравнивание этих токов путем включения специальных промежуточных автотрансформаторов тока AT или путем использования выравнивающих или уравнительных обмоток дифференциальных реле (см. ниже).
Промежуточные автотрансформаторы тока, как показано на рис. 9-3, б и в, могут включаться как со стороны обмотки низшего напряжения, так и со стороны обмотки высшего напряжения. Рекомендуется включать их со стороны более мощных трансформаторов тока.
Для рассмотренного выше трансформатора промежуточный автотрансформатор тока AT, установленный со стороны 6,6 кВ (рис. 9-3, б), должен повышать ток с 4,08 до 4,62 А, т. е. должен включаться как повышающий и иметь коэффициент трансформации:
При установке промежуточного автотрансформатора тока со стороны 35 кВ (рис. 9-3, в) он должен понижать ток с 4,62 до 4,08 А, т. е. должен включаться как понижающий и иметь коэффициент трансформации
3. Неодинаковые схемы соединения обмоток трансформаторов
Рассмотренные выше соотношения токов в схеме дифференциальной защиты справедливы только для трансформаторов, имеющих одинаковые схемы соединения обмоток: звезда — звезда или треугольник — треугольник. При неодинаковых схемах соединения обмоток, например звезда :— треугольник, эти соотношения несправедливы, так как токи со стороны обмотки, соединенной в звезду, и токи со стороны обмотки, соединенной в треугольник, оказываются сдвинутыми относительно друг друга па некоторый угол, величина которого зависит от схемы соединения обмоток. Угловой сдвиг токов создает большие токи небаланса в реле дифференциальной защиты.
Прохождение токов через трансформатор с соединением обмоток звезда — треугольник и векторные диаграммы, поясняющие образование углового сдвига, показаны на рис. 9-4.
Как видно, токи в фазах обмотки, соединенной в звезду , и в фазах обмотки, соединенной в треугольник (рис. 9-4, б и в), не имеют углового сдвига. Однако в месте установки трансформаторов тока 2Т со стороны обмотки, соединенной в треугольник, проходят токи, равные геометрической разности фазных токов (рис. 9-4, г); так, в фазе АII проходит ток равный разности фазных токов аналогично в фазе В II проходит ток и в фазе СII — ток
Эти токи, как видно из векторной диаграммы па рис. 9-4, г и д, сдвинуты относительно токов на угол 330°
по движению часовой стрелки (или на 30° против движения часовой стрелки).
Соединение обмоток трансформатора по схеме звезда — треугольник, создающее такой угол между токами, называется 11-й группой.
Из рис. 9-4, д видно, что даже при равенстве величин первичных токов со стороны обмоток, соединенных в звезду и в треугольник, т. е. когда их геометрическая разность из-за наличия углового сдвига не равна нулю, а равна вектору
При угловом сдвиге 30° и равенстве величин токов величина тока Iр определяется выражением
или с учетом того, что sin 15° = 0,26,
Таким образом, угловой сдвиг первичных токов трансформатора является источником значительных токов небаланса в реле дифференциальной защиты.
Поэтому при выполнении дифференциальной защиты трансформаторов производится компенсация углового сдвига вторичных токов путем специального соединения вторичных обмоток трансформаторов тока.
Вторичные обмотки трансформаторов тока 1T, установленных со стороны обмотки ВН трансформатора, соединенной в схему звезды, соединяются в такой же треугольник, как и обмотка НН трансформатора, а вторичные обмотки трансформаторов тока 2Т, установленных со стороны обмотки НН трансформатора, соединенной в схему треугольника, соединяются в такую же звезду, как и обмотка ВН трансформатора.
При таком соединении вторичных обмоток трансформаторов тока, как показано на рис. 9-5, в трансформаторах тока 1T, вторичные обмотки которых соединены в треугольник, создается сдвиг токов на такой же угол, как и в соединенной в треугольник обмотке НН трансформатора, что и обеспечивает совпадение фаз вторичных токов в плечах дифференциальной защиты.
При определении коэффициента трансформации промежуточного автотрансформатора тока в случае соединения одной из групп трансформаторов тока в треугольник необходимо учитывать увеличение в 1,73 раза тока, подходящего со стороны этих трансформаторов тока.
Если принять, что обмотки рассмотренного выше трансформатора соединены по схеме звезда — треугольник, то трансформаторы тока должны быть соединены по схеме рис. 9-5. При этом вторичный ток со стороны обмотки 35 кВ будет равен:
Соответственно разлость вторичных токов при отсутствии промежуточного автотрансформатора тока возрастет до
Поэтому промежуточный автотрансформатор тока при установке его со стороны 6,6 кВ должен иметь коэффициент трансформации
Для уменьшения коэффициента трансформации промежуточного автотрансформатора тока коэффициент трансформации трансформаторов тока, устанавливаемых со стороны обмотки трансформатора, соединенной в звезду, выбирается по номинальному току обмотки, увеличенному в 1,73 раза.
Так, для рассмотренного выше трансформатора при номинальном токе обмотки 35 кВ, 92,5 А коэффициент трансформации трансформаторов тока выбирается по току 92,5*1,73=160 А и принимается равным 200/5. Тогда вторичный ток трансформаторов тока со стороны 35 кВ будет равен:
При этом коэффициент трансформации промежуточного автотрансформатора тока становится близким к единице и равным при установке его со стороны 6,6 кВ
При таких коэффициентах трансформации промежуточных автотрансформаторов тока их можно вообще не устанавливать.
4. Наличие токов небаланса в схеме дифференциальной защиты
Токи небаланса в схеме дифференциальной защиты трансформаторов и автотрансформаторов имеют место из-за погрешностей трансформаторов тока, из-за изменения коэффициента трансформации защищаемого трансформатора (автотрансформатора) при регулировании напряжения, из-за неточного выравнивания вторичных токов.
Для отстройки дифференциальной защиты от тока небаланса при сквозном к. з. ее ток срабатывания должен удовлетворять условию
где — коэффициент надежности отстройки, принимаемый равным 1,3.
Величина расчетного тока небаланса, определяемая погрешностями трансформаторов тока, вычисляется по формуле:
где — коэффициент, учитывающий влияние на быстродействующие защиты переходных процессов при к. з., которые сопровождаются прохождением апериодических составляющих в токе к. з.; принимается равным 1 для реле, имеющих БНТ с короткозамкнутыми обмотками, и равным 2 для реле без БНТ; — коэффициент однотипности условий работы трансформаторов тока, принимаемый равным 0,5 в тех случаях, когда трансформаторы тока обтекаются близкими по величине токами, и равным 1 в остальных случаях; f = 0,1 — погрешность трансформаторов тока, удовлетворяющих 10%-ной кратности (см.гл. 3); Iк.з.макс — наибольший ток к. з. при сквозном к. з.
Величина расчетного тока небаланса, определяемая изменением коэффициента трансформации защищаемого трансформатора при регулировании напряжения, вычисляется по формулам:
при регулировании с одной стороны трансформатора (автотрансформатора)
при регулировании с двух сторон трансформатора (автотрансформатора)
где — половина регулировочного диапазона с соответствующей стороны от среднего значения, для которого производится выравнивание вторичных токов (например, при половине регулировочного диапазона N = 10% = 0,1).
Величина расчетного тока небаланса, определяемая неточным выравниванием вторичных токов, вычисляется по формуле:
где —расчетные числа витков обмоток БНТ реле РНТ для неосновных сторон (сторон с меньшим вторичным током); — принятые числа витков обмоток БНТ реле РНТ для неосновных сторон (ближайшие большие или меньшие целые числа витков); Iк.з.макс — наибольшие значения токов к. з. при сквозном к. з. со стороны, где включены обмотки БНТ с витками
Таким образом, суммарный расчетный ток небаланса определяется как сумма трех составляющих, т. е.
Обычно при расчете дифференциальной защиты трансформаторов (автотрансформаторов) вначале определяется ток небаланса как сумма
Затем после выбора тока срабатывания и определения расчетных чисел витков БНТ реле РНТ определяется дополнительно суммарный ток небаланса по формуле (9-10) и производится уточнение ранее выбранного тока срабатывания.
в) Схемы и расчет дифференциальной защиты
1. Дифференциальная отсечка
Дифференциальной отсечкой называется дифференциальная защита мгновенного действия, имеющая ток срабатывания больше броска намагничивающего тока. Принципиальная схема дифференциальной отсечки двухобмоточ-ного трансформатора приведена на рис. 9-6.
Ток срабатывания дифференциальной отсечки определяют главным образом условием отстройки от броска намагничивающего тока согласно формуле (9-3), принимая = 3 4.
Броски намагничивающего тока в первый момент включения трансформатора могут иметь большие значения и даже превышать ток срабатывания дифференциальной отсечки, выбранный с указанным коэффициентом надежности отстройки. Однако эти токи очень быстро затухают, что дает возможность отстроиться от них за счет собственного времени действия реле дифференциальной отсечки. Для этого в схеме дифференциальной отсечки применяют выходное промежуточное реле (реле П на рис. 9-6) типа РП-251, которое имеет время срабатывания 0,07—0,08 с.
Ток срабатывания дифференциальной отсечки определяется также условием отстройки от токов небаланса, который вычисляется по формуле (9-11). Из двух значений тока срабатывания принимается большее. В тех случаях, когда погрешность трансформаторов тока не превышает 10%, определяющим является условие (9-3).
Основным достоинством дифференциальной отсечки является простота схемы и быстродействие. Недостатком является большой ток срабатывания, вследствие чего защита в ряде случаев оказывается недостаточно чувствительной.
Чувствительность дифференциальной отсечки характеризуется коэффициентом чувствительности
где Iк.з.мин — минимальный ток к. з. при повреждениях в зоне действия дифференциальной отсечки; Iс.з— ток срабатывания дифференциальной отсечки.
Коэффициент чувствительности должен быть не менее двух.
2. Дифференциальная защита с реле РНТ-565
Принципиальные схемы дифференциальной защиты с реле РНТ-565 (см. гл. 3) приведены на рис. 9-7 и 9-8.
Быстронасыщающийся трансформатор реле РНТ-565 является одновременно и промежуточным трансформатором для компенсации неравенства вторичных токов в плечах дифференциальной защиты и имеет для этой цели специальные уравнительные обмотки. Ток во вторичной обмотке БНТ, к которой подключено реле, определяется суммарным магнитным потоком в сердечнике, который создается как рабочей, так и уравнительными обмотками. Для того чтобы при прохождении через трансформатор сквозного тока нагрузки или к. з. ток во вторичной обмотке был равен нулю, необходимо правильно включить рабочую и уравнительные обмотки в дифференциальную схему и так подобрать число витков обмоток, чтобы компенсировать неравенство вторичных токов трансформаторов тока и установить необходимый ток срабатывания.
При выполнении дифференциальной защиты двухобмо-точного трансформатора (рис. 9-7) цепи от трансформаторов тока с обеих его сторон присоединяются к уравнительным обмоткам У1 и У2 так, чтобы при прохождении через трансформатор сквозного тока токи в уравнительных обмотках были направлены встречно. В принципе для компенсации неравенства вторичных токов трансформаторов тока можно было бы использовать только одну уравнительную обмотку БНТ. Однако при использовании обеих обмоток обеспечивается более точная компенсация неравенства вторичных токов.
Расчет дифференциальной защиты производится в следующей последовательности:
1) Определяется ток срабатывания защиты по первому условию по формуле (9-3), при коэффициенте надежности отстройки,
Определяется расчетный ток небаланса по формуле (9-11) и ток срабатывания по второму условию по формуле (9-5). Принимается большее значение тока срабатывания защиты Iс з.
2) Определяются первичные токи для всех обмоток защищаемого трансформатора (автотрансформатора), соответствующие номинальной мощности наиболее мощной обмотки трансформатора или проходной мощности автотрансформатора при среднем положении устройства регулирования напряжения, и вторичные токи в плечах дифференциальной защиты.
3) Определяется вторичный ток срабатывания, отнесенный к стороне с большим вторичным током:
где nT1— коэффициент трансформации трансформаторов тока с большим вторичным током.
4) Определяется расчетное число витков обмоток БНТ со стороны с большим вторичным током, которая называется основной:
где —суммарное число витков рабочей и первой уравнительной обмоток с основной стороны; 100 — намагничивающая сила срабатывания реле РНТ-565, А.
В соответствии с имеющимися на обмотках отпайками для регулирования числа витков принимается ближайшее меньшее к значение, которое может быть установлено на рабочей и первой уравнительной обмотках в сумме или на одной из этих обмоток полностью. Таким образом, установленное число витков с основной стороны в общем случае равно:
5) Определяется расчетное число витков со стороны с меньшим вторичным током, которая называется неосновной, из условия, чтобы при прохождении через трансформатор сквозного тока ток во вторичной обмотке В был равен нулю. Это условие выполняется, когда равен нулю суммарный магнитный поток в сердечнике БНТ, что имеет место при равенстве нулю магнитодвижущих сил, создаваемых его обмотками, т. е. при условии
В соответствии с имеющимися отпайками для регулирования числа витков второй уравнительной обмотки принимается ближайшее меньшее или большее значение, которое может быть установлено на этой обмотке,
6) После расчета чисел витков обмоток БНТ и подбора отпаек вычисляется по формуле (9-9) ток небаланса, вызванный неточной компенсацией вторичных токов, и суммарный расчетный ток небаланса по формуле (9-10). Затем по формуле (9-5) вновь определяется ток срабатывания дифференциальной защиты, и если он получился больше определенного в п. 1, то необходимо вновь пересчитать числа витков обмоток БНТ. Расчет повторяется до тех пор, пока ток срабатывания, определенный с учетом Iз.нб.расч станет равным или меньше тока срабатывания, определенного предыдущим расчетом.
7) Определяется коэффициент чувствительности при к. з. в зоне дифференциальной защиты при условиях, когда ток к. з. Iк.з.мин имеет наименьшее значение. В соответствии с рекомендациями [Л. 76] коэффициент чувствительности можно определять (упрощенно) по полному току к. з., отнесенному к основной стороне по формуле:
где Iср1 — вторичный ток срабатывания, отнесенный к основной стороне и определяемый по формуле (9-13);