Электромагнитные реле тока и напряжения - Токи небаланса в дифференциальных защитах

Одной из основных причин появления тока небаланса в обмотках реле дифференциальных защит как в нормальном режиме, так и при внешнем коротком замыкании являются погрешности трансформаторов тока.
Величина погрешностей зависит от величины и характера нагрузки на трансформаторы тока и возрастает при увеличении первичного тока.
Установившееся значение тока небаланса. Для того чтобы при внешних коротких замыканиях величины токов небаланса не достигали чрезмерных значений, трансформаторы тока выбираются по 10%-ным кривым предельно допустимых погрешностей [4]. При правильно выбранной нагрузке в цепях вторичных обмоток сердечники трансформаторов тока не достигают пределов магнитного насыщения при любых возможных кратностях токов внешних КЗ. Токи небаланса не превышают допустимых пределов даже в случае применения разнотипных трансформаторов тока, резко отличающихся по точности работы.
В дифференциальных защитах генераторов, несмотря на равенство первичных токов, вторичные токи в плечах защиты несколько различаются по величине (в пределах 10 %) и по фазе (до 7°) из-за наличия погрешностей у трансформаторов тока. Для снижения тока небаланса, обусловленного погрешностями трансформаторов тока, нужно соблюдать следующие правила:
использовать сердечники с возможно более высокими характеристиками намагничивания (класса Д, Р);
подбирать экземпляры трансформаторов тока так, чтобы характеристики намагничивания двух трансформаторов, установленных на одной и той же фазе, были наиболее близкими. Целесообразно заранее снять характеристики намагничивания и сгруппировать трансформаторы тока попарно для монтажа в каждой фазе со стороны выводов и нуля защищаемого генератора;
снизить, насколько возможно, нагрузку на трансформаторы тока и постараться сделать ее в обоих плечах защиты примерно одинаковой изменением сечения и длины жил соединительного кабеля.
В дифференциальных защитах шин ток небаланса, как правило, больше, чем в дифференциальных защитах генераторов. На рис.5, б видно, что через трансформаторы тока поврежденного элемента проходит сумма токов+ 7з. Через трансформаторы тока остальных присоединений проходит только часть тока внешнего КЗ. Чем больше первичный ток, тем больше ток намагничивания в трансформаторах тока. Следовательно, трансформаторы тока поврежденного присоединения работают с большими погрешностями, что обычно обусловливает повышенные значения тока небаланса в реле по сравнению с дифференциальными защитами генераторов. Поэтому подбор трансформаторов тока с наиболее высокими характеристиками намагничивания и снижение нагрузок на трансформаторы тока в дифференциальных защитах шин приобретают особенно важное значение.
Установившиеся значения тока небаланса наиболее велики в дифференциальных защитах трансформаторов (однако, так же как и в дифференциальных защитах генераторов и шин, должны находиться в пределах допустимых 10% по величине и 7° по фазе).
Кроме перечисленных выше причин, определяющих ток небаланса, в дифференциальных защитах генераторов и сборных шин, в защитах трансформаторов существенную роль играет конструктивная разнотипность трансформаторов тока, устанавливаемых на сторонах высшего, среднего и низшего напряжений защищаемого трансформатора. У разнотипных трансформаторов тока, характеристики намагничивания резко различаются, и даже при одинаковых сопротивлениях нагрузки на трансформаторы тока разница в токах намагничивания велика. Для трансформаторов тока, вторичные обмотки которых соединены в треугольник, нагрузки увеличиваются в 3 раза.

Рис.6. Неустановившийся ток при замыкании цепи с индуктивностью
Иначе говоря, даже при одинаковом сопротивлении в плечах трансформаторы тока, соединенные в треугольник, более загружены, чем трансформаторы тока, соединенные в звезду.
Следует также иметь в виду, что в дифференциальных защитах трансформаторов (автотрансформаторов) на величину тока небаланса дополнительно влияют намагничивающий ток и изменение коэффициента трансформации защищаемого трансформатора.
Токи небаланса в переходном режиме, обусловленные апериодической составляющей в первичном токе. В переходном режиме, например, в начальный момент КЗ на величину и характер тока небаланса большое влияние оказывает апериодическая составляющая первичного тока.
Известно, что при включении или отключении элементов электрической системы токи на всех участках принимают новые установившиеся значения постепенно. Процесс изменения токов называется переходным процессом. Причиной возникновения переходных процессов является наличие индуктивности в полном сопротивлении линий электропередачи, обмоток генераторов, трансформаторов, реакторов.
На рис.6 показано, что полный ток неустановившегося (переходного) процесса /полн при замыкании цепи с индуктивностью состоит из двух слагающих: постепенно затухающего апериодического и синусоидального токов.
Апериодический ток, изменяющийся только по величине, а по знаку остающийся постоянным, называется свободной составляющей полного тока /св. Переменный по знаку синусоидальный ток называется установившейся составляющей полного тока /у.
Так как в цепи с индуктивностью ток не может измениться скачком, а до включения цепи он был равен нулю, то ток должен остаться равным нулю и в первый момент после включения. Поэтому начальное значение свободного (апериодического) тока равно по значению, но обратно по знаку установившейся составляющей тока /у в момент включения (г = О). При этом /ПОЛн = ^св + /у = 0.
Во все последующие моменты полный ток, представляющий собой алгебраическую сумму свободной и установившейся составляющих, уже не равен нулю. До момента времени, соответствующего точке а (рис.6), /св и /у имеют разные знаки, /полн определяется как разность /св и /у. На участке ав токи /св и /у суммируются. Через полпериода от момента включения (t = Г/2)/св складывается с максимальным (амплитудным) значением установившегося тока /у, и ток /полн также будет максимальным. В дальнейшем /св затухает, /полн достигает установившегося значения. Следует заметить, что на рис.6 показан процесс изменения токов при наиболее неблагоприятном режиме, когда момент включения соответствует максимальному значению /у.
Аналогичный процесс изменения тока происходит при КЗ в электросети. Разница заключается лишь в том, что ток до момента КЗ, как правило, равен не нулю, а току нагрузки и возрастает после возникновения КЗ.
Максимальное мгновенное значение полного тока называется ударным током (точка б, рис.6). Ударный ток больше установившегося значения тока короткого замыкания примерно в 1,5—1,8 раза.
В дифференциальных защитах при внешнем КЗ, как указывалось, проходит лишь ток небаланса, обусловленный погрешностью трансформаторов тока. Особенно большой величины ток небаланса достигает во время переходного процесса. Объясняется это тем, что неизменная по знаку апериодическая составляющая первичного тока подмагничивает сердечники трансформаторов тока, насыщение сердечников приводит к резкому увеличению погрешности трансформаторов и повышению тока небаланса в дифференциальной цепи. Кривая тока небаланса, форма которой определяется сложными переходными процессами, протекающими одновременно в первичной и во вторичной цепях трансформаторов тока, приведена на рис.7, а. Характерной особенностью кривой тока небаланса при внешнем КЗ является то, что она смещена относительно горизонтальной оси, т.е. имеет большую апериодическую составляющую. Токи небаланса в реле дифференциальной защиты могут* достигать больших значений также при включении под напряжение ненагруженных силовых трансформаторов, а также при восстановлении на них напряжения после отключения внешнего КЗ.
Ток намагничивания силового трансформатора проходит только по обмотке, включаемой под напряжение. Для дифференциальной защиты трансформатора такой режим соответствует КЗ в защищаемой зоне, так как вторичные токи поступают в реле только от одного плеча токовых цепей. Большие броски тока намагничивания объясняются тем, что в момент подачи или восстановления напряжения индуктивное со-

Рис.7. Токи небаланса в переходном режиме:
а - кривые первичного тока небаланса при внешнем КЗ; б - включение трансформатора под напряжение; в - характеристика намагничивания трансформатора; г - кривая тока намагничивания
противление трансформатора резко уменьшается из-за насыщения магнитопровода.
На рис.7, в изображена характеристика намагничивания трансформатора. Установившийся ток холостого хода (намагничивающий ток) невелик и составляет 0,5-5% номинального тока трансформатора. Величина намагничивающего потока Ф, который зависит от напряжения, поданного на обмотку трансформатора:

(4)
где Ux — амплитудное значение напряжения, поданного на первичную обмотку трансформатора; /— частота переменного тока, равная 50 Гц; Wj — число витков первичной обмотки; Фм — амплитудное значение магнитного потока в сердечнике трансформатора.
В момент подачи напряжения магнитный поток не может изменяться скачком от нуля до установившегося значения. Возникает переходный процесс, характеризующийся наличием двух потоков: постепенно затухающего свободного потока Фсв и установившегося потока Фу. При t = 0 результирующий поток ФПОлн = 0. ПРИ 1 = 7*/2 совпадающие по знаКУ Фсв + Фу дают максимальное значение результирующего потока Фм. Максимальное значение результирующего потока превышает его установившееся значение в 1,5—1,8 раза. По характеристике намагничивания видно, что в установившемся режиме холостого хода величина Фуст соответствует точке, расположенной на крутой части кривой, при этом ток намагничивания невелик.
Максимальное значение магнитного потока при переходном процессе соответствует пологой части кривой и обусловливает насыщение магнитопровода трансформатора. При этом начальный "бросок" намагничивающего тока превышает в сотни раз амплитуду намагничивающего тока при холостом ходе и в 3-10 раз — амплитуду номинального тока трансформатора.
Начальный "бросок" намагничивающего тока спадает очень резко, приближаясь к установившемуся значению /х, так как в пологой части характеристики намагничивания (отрезок а-б) небольшому изменению потока ДФ соответствует значительное изменение тока Д/нам.
На рис.7, г показано изменение намагничивающего тока во времени. До тех пор пока намагничивающий ток не достигнет установившегося значения, кривая располагается несимметрично относительно оси времени. "Бросок" тока намагничивания может увеличиться еще больше за счет Фост, обусловленного намагничиванием сердечника трансформатора в предшествующем режиме. Если свободная составляющая совпадает с Фост, суммарное значение магнитного потока в 2-2,5 раза превысит установившееся значение, что вызовет еще большее увеличение броска тока намагничивания.
Поскольку токи небаланса в установившемся режиме относительно малы, от них можно отстроиться уставкой срабатывания реле. Но от больших значений /нб, обусловленных "бросками" тока намагничивания в неустановившемся режиме, уставкой -срабатывания отстроиться трудно, так как защита окажется нечувствительной к КЗ в защищаемой зоне. Поэтому ток срабатывания дифференциальной защиты отстраивают от максимального значения тока небаланса в установившемся режиме (после затухания апериодической составляющей переходного процесса). Для предотвращения ложной работы дифференциальной защиты от бросков намагничивающего тока силовых трансформаторов при включении их под напряжение, а также от бросков тока небаланса при внешних КЗ токовые реле включаются в дифференциальные цепи через специальные промежуточные насыщающиеся трасформаторы тока (НТТ).