Отстройка защиты ДЗТ-20 от бросков тока намагничивания
Бросок тока намагничивания возникает в трансформаторе при включении его под напряжением или при восстановлении напряжения при отключении внешнего КЗ. В защите ДЗТ-20 принцип отстройки от броска тока намагничивания основан на одновременном использовании двух характерных свойств этого тока — наличия в нем в течение каждого периода значительных бестоковых пауз и второй гармонической слагающей. По наличию этих признаков и осуществляется блокирование защиты от броска тока намагничивания в защите ДЗТ-20.
На рисунке 1 показаны типичные осциллограммы изменения токов намагничивания iА, iВ, iС в трех фазах трансформатора при подключении его к источнику симметричного напряжения (для упрощения осциллограмма напряжения приведена только для одной фазы А).
Рисунок 1 - Осциллограммы фазных токов и напряжения фазы А при включении трехфазного трансформатора на холостой ход
Бросок тока намагничивания однофазного трансформатора представляет ряд однополярных (апериодических) импульсов, аналогичных кривым токов iВ и iС, приведенным на рисунке 1. Многочисленными опытами и теоретическими исследованиями установлено, что амплитуда апериодического броска тока намагничивания может достигать 6—8-кратных значений по отношению к номинальному току трансформатора. Исследования показали, что при однополярных бросках тока намагничивания длительность пауз между импульсами тока не может быть меньше 6,6 мс. Это свойство апериодического броска использовано в ДЗТ-20 для блокирования защиты при наличии в кривой тока пауз длительностью более 4,5—5 мс. Такая длительность принята в этих реле в качестве уставки времяимпульсного блокирования для отстройки от апериодического броска тока на намагничивание. Однако апериодический бросок характерен только для однофазного трансформатора.
Трехфазная группа однофазных трансформаторов имеет обмотки, соединенные в треугольник, и токи отдельных фаз такой трансформаторной группы оказывают взаимное влияние. В трехфазных трансформаторах дополнительно имеет место взаимное магнитное влияние фаз друг на друга. Поэтому бросок тока намагничивания в каждой фазе трехфазного трансформатора образуется под взаимным воздействием токов всех трех фаз и может отличаться от описанного выше броска намагничивания однофазного трансформатора.
В трехфазном трансформаторе и группе из трех однофазных трансформаторов возможны условия, когда апериодические составляющие токов каждой из двух фаз примерно равны (iВ, iС на рисунке 1) и бросок тока намагничивания третьей фазы (iА на рисунке 1) не содержит апериодической составляющей. Это так называемый периодический или разнополярный бросок тока намагничивания. Для образования разнополярного тока в реле дифференциальной защиты условия создаются также из-за соединения вторичных обмоток трансформаторов тока в треугольник, когда по обмотке реле протекает разность фазных токов.
Амплитуда импульсов тока при периодическом (разнополярном) броске хотя и меньше, чем при апериодическом, но может достигать двухкратных значений по отношению к номинальному току. Ширина пауз между импульсами при периодическом броске тока намагничивания меньше, чем при апериодическом броске, и может составить 4 мс, поэтому блокирование защиты при периодическом броске тока намагничивания не может быть осуществлено время импупьсным методом. Это обусловлено тем, что снижение уставки блокирования до требуемых 2,5—3 мс вызывает трудности по созданию элементов с более высокой стабильностью, и, что не менее важно, при таких уставках не удается избежать замедления защиты в переходном режиме КЗ в трансформаторе, в особенности при насыщении трансформаторов тока. Поэтому для блокирования зашиты при периодическом броске тока намагничивания использовано другое свойство защиты.
Анализ гармонического состава кривых бросков токов намагничивания показал, что в них кроме рассмотренных пауз содержится значительная доля второй гармоники. Исследования показали, что при периодическом броске тока намагничивания вторая гармоника составляет не менее 40% тока первой гармоники. Это свойство использовано в защите ДЗТ-20 для блокирования ее при периодическом броске тока намагничивания. В апериодическом броске тока намагничивания вторая гармоническая также есть, но ее относительное содержание значительно меньше, чем при периодическом, и может составлять примерно 15% первой гармоники. Использование этого относительно небольшого значения для блокирования защиты при апериодическом броске тока намагничивания возможно, но связано с трудностью создания фильтра с более высокой добротностью, а также приводит к замедлению защиты при отключении внутренних КЗ, особенно с большой кратностью тока, что является нежелательным. Поэтому в защите ДЗТ-20 применен комбинированный времяимпульсный метод блокирования защиты при появлении в кривой тока пауз заданной длительности в сочетании с торможением от второй гармоники дифференциального тока. Благодаря такому сочетанию обеспечиваются высокие чувствительность и быстродействие защиты.
Коррекция погрешностей трансформаторов тока
Принцип действия защиты ДЗТ-20 обеспечивает блокировку защиты, как описано выше, если трансформаторы тока точно воспроизводят первичный ток, в том числе и при броске тока намагничивания трансформатора. В действительности же при насыщении трансформаторов тока условия трансформации апериодической составляющей существенно ухудшаются. При этом во вторичном токе трансформаторов тока появляются отрицательные полуволны, а бестоковые паузы практически исчезают. Ориентировочная форма такого "трансформированного" апериодического тока показана на рисунке 2. Относительное содержание второй гармоники в "трансформированном" апериодическом токе больше, чем в первичном токе включения.
а — первичный ток трансформатора тока iп; б — вторичный ток трансформатора тока iв
Рисунок 2 - Трансформация броска тока намагничивания трансформатором тока
Рисунок 3 - Осциллограммы тока на входе рабочей цепи Iд (а) и на выходе корректирующего звена dIд/ dt (б) при периодическом разнополярном броске тока намагничивания
Для обеспечения правильной работы защиты необходима корректировка формы кривой вторичного тока трансформаторов тока в режиме их насыщения. Отстройка ДЗТ-20 от "трансформированных" токов включения достигается восстановлением бестоковых пауз с помощью корректирующего звена. Корректирующее звено выполнено по схеме, состоящей из трансреактора, вторичная обмотка которого нагружена на активное сопротивление. При этом обеспечивается правильная передача пауз в режиме как однополярного тока включения, так и разнополярного периодического.
Корректирующее звено повышает надежность работы защиты при КЗ с большими кратностями токов, особенно при наличии периодической составляющей, когда трансформаторы тока насыщаются и в их вторичном токе появляются паузы, длительность которых в течение некоторого времени может превышать 4,5—5 мс. В этом режиме корректирующее звено способствует уменьшению длительности пауз на своем выходе, благодаря чему обеспечивается правильная работа времяимпульсной схемы защиты при погрешности трансформаторов тока более 10%.
Ориентировочные кривые токов на входе рабочей цепи и на выходе корректирующего звена для периодического разнополярного, апериодического однополярного и апериодического "трансформированного" бросков тока намагничивания показаны на рисунках 3 и 9. На рисунке 9 апериодическому однополярному броску тока намагничивания соответствует первый период, а со второго периода апериодический бросок тока намагничивания "трансформированный", разнополярный.
Ориентировочные кривые токов на входе рабочей цепи и на выходе корректирующего звена при протекании тока КЗ с периодической составляющей при ненасыщенных и насыщенных трансформаторах тока даны на рисунках 4 и 10.
На рисунке 5 показаны кривые приведенных первичного и вторичного токов и индукции в трансформаторе тока в режиме глубокого насыщения при переходном процессе. Для качественной оценки принята прямоугольная характеристика намагничивания (ПХН) трансформатора тока. Из рисунка 5 видно, что вторичный ток iB будет отсутствовать (появятся паузы tп) при достижении индукцией В индукции насыщения. Паузы будут повторяться до тех пор, пока кривая iп не станет симметричной относительно оси времени.
Рисунок 4 - Осциллограммы тока на входе рабочей цепи Iд (а) и на выходе корректирующего звена dIд/dt (б) при апериодической составляющей Iап в токе КЗ и ненасыщенных трансформаторах тока
Рисунок 5 - Осциллограммы первичного iп и вторичного iв токов (а) в индукции В (б) в трансформаторе тока с ПХН в режиме глубокого насыщения
Для обеспечения достаточного быстродействия защиты в целом необходимо, чтобы в переходных режимах была обеспечена работа чувствительного измерительного органа при токах, меньших двухкратного тока срабатывания отсечки, при котором обеспечивается быстродействие последней. Для этого трансформаторы тока защиты целесообразно рассчитывать по кривым предельных кратностей для удвоенного тока срабатывания отсечки. Время срабатывания отсечки при двойной кратности тока на входе защиты находится в пределах 20-25 мс и с ростом кратности тока равномерно уменьшается. Поскольку время срабатывания время импульсной схемы больше периода промышленной частоты, введение дифференциальной отсечки уменьшает вероятность замедления защиты в целом, т. е. приводит к повышению ее быстродействия.
Торможение от второй гармоники, используемое в основном для отстройки от периодических бросков тока намагничивания, также создает возможность замедления срабатывания защиты в переходном режиме при насыщении трансформаторов тока.
По экспериментальным данным максимальное время срабатывания защиты при больших кратностях токов КЗ в защищаемой зоне составляет не более 66 мс (разность между временем срабатывания в данном режиме и минимальным временем срабатывания защиты равна 33 мс) при номинальной нагрузке трансформаторов тока. При снижении нагрузки трансформаторов тока время замедления защиты снижается. В реальных условиях нагрузка трансформаторов тока высокого напряжения, как правило, находится в пределах 0,3—0,7 номинальной.
В реальных условиях время срабатывания защиты зависит от вида КЗ. При всех многофазных КЗ возникновение условий, вызывающих одновременное замедление реле нескольких фаз защиты, практически невозможно, поэтому при этих видах КЗ защита срабатывает без замедления. Наиболее частым видом КЗ является однофазное короткое замыкание (90% общего числа повреждений). В этом случае замедление срабатывания маловероятно при питании места повреждения с нескольких сторон. При писании только с одной стороны возможно замедление срабатывания защиты, однако вероятность возникновения замедления согласно статистическим данным составляет менее 10%.
Отстройка от внешних коротких замыканий. Аналогично дифференциальным защитам с торможением на электромагнитных реле (например, типа ДЗТ-11) для отстройки от установившихся, а также переходных токов небаланса используют так называемое "процентное" торможение от токов плеч защиты.
Требование отстройки от небаланса переходного режима внешнего КЗ с помощью "процентного" торможения (в совокупности с другими факторами) является определяющим, поскольку форма тока небаланса переходного режима при определенных условиях может оказаться такой, что времяимпульсный принцип и торможение от второй гармоники будут недостаточными для обеспечения надежной отстройки защиты.
Рисунок 6 - Структурная схема защиты
Структурная схема защиты (рисунок 6) содержит: рабочую цепь РЦ; цепь торможения от второй гармоники ТЦ1; цепь процентного торможения ТЦ2, на вход которой подаются токи плеч защиты I1 и I2; времяимпульсный реагирующий орган РО; дифференциальную отсечку ДО, на вход которой с выхода РЦ подается выпрямленный ток; усилитель У, на входы которого подключаются выходы РО всех трех фаз; выходные реле ВР, на которые подается выход У и выходы ДО всех трех фаз; блок питания БП, служащий источником питания РО, У, ВР. На входы РЦ и ТЦ1 подается ток дифференциальной цепи защиты Iд. На вход РО с выхода рабочей цепи РЦ подается рабочий ток ip, выпрямленный по схеме двухполупериодного выпрямления без сглаживания, а с выходов тормозных цепей ТЦ1 и ТЦ2 — токи смещения iсм1 и iсм2, выпрямленные по схеме двухполупериодного выпрямления со сглаживанием и направленные встречно ip.
Элементы РЦ, ТЩ, ТЦ2, ДО и РО входят в модуль реле защиты дифференциальный МРЗД, отдельный для каждой фазы.
Элементы У, ВР и БП являются общими для всех трех фаз защиты и входят в модуль питания и управления МПУ.
Орган РО состоит из релейного формирователя прямоугольных импульсов РФ, элемента выдержки времени на возврат ВВ и элемента выдержки времени на срабатывание ВС.
В нормальном режиме и режиме внешнего КЗ рабочий ток на входе РО iр будет меньше суммы токов срабатывания РО (сумма тока ipо и тока смещения iсм = iсм1 + iсм2), поэтому сигнал на выходе РФ будет равен нулю.
При ip ≥ ipo + iсм1 + iсм2 на входе РО и на выходе РФ появляется единичный сигнал, поступающий на вход ВВ, а это в свою очередь приводит к появлению единичного сигнала на выходе ВВ. При исчезновении единичного сигнала на входе ВВ сигнал на выходе ВВ становится равным нулю только по истечении выдержки времени элемента ВВ на возврат (tв = 4,5 - 5 мс), принятой для исполнения защиты на 50 Гц. Выходной сигнал ВВ является входным для элемента ВС. Единичный сигнал на выходе ВС появляется при наличии единичного сигнала на входе ВС в течение времени, превышающего уставку элемента ВС на tС)Р, равную 21—23,5 мс. Этот сигнал усиливается усилителем У, и защита срабатывает через выходные реле ВР.
При однополярном броске намагничивающего тока (рисунок 7) длительностью пауз tп на выходе РФ больше выдержки времени tB и на выходе элемента ВВ имеются паузы с периодом следования, равным периоду промышленной частоты. При этом элемент ВС, имеющий установку t больше периода промышленной частоты, не срабатывает и сигнал на его выходе остается нулевым. При синусоидальном токе (рисунок 8) длительность пауз на выходе РФ зависит от отношения амплитуды тока iр к заданному уровню срабатывания iср. Если отношение такое, что tп < tв, то на выходе ВВ появляется единичный сигнал, не имеющий пауз. При этом спустя время tср на выходе ВС появляется сигнал, что приводит к срабатыванию защиты. Учитывая высокие уровни токов КЗ и то, что минимальный ток срабатывания защиты не более 0,7 номинального, можно считать, что при всех КЗ в защищаемой зоне обеспечивается соблюдение условия tп < tв. Рисунки 7 и 8 поясняют принцип выполнения защиты, но не учитывают действительные режимы трансформации больших токов трансформаторами тока и наличие в рабочей цепи РЦ корректирующего звена. На рисунке 9 дана временная диаграмма работы РО при реальных апериодических бросках тока намагничивания с "трансформированными" отрицательными полуволнами. За базу построения принят рисунок 2.
Рисунок 7 - Временная диаграмма работы реагирующего органа защиты при однополярном броске тока намагничивания
Рисунок 8 - Временная диаграмма работы реагирующего органа защиты при синусоидальном токе КЗ в защищаемой зоне
Рисунок 9 - Осциллограммы тока на входе рабочей цепи Iд (а), на выходе корректирующего звена dIп/dt
(б), на входе реагирующего органа ip (в) и временная диаграмма работы реагирующего органа при апериодическом броске тока намагничивания (г)
Определяющими для несрабатывания элемента Вср и РО в целом являются в данном режиме большие паузы с tп2 > tв; меньшие паузы с tп1 < tв на режим работы элементов ВВ и ВС, и РО в целом не влияют.
Устройство защиты
Дифференциальная защита ДЗТ-20 выполнена трехфазной, трехрелейной. Три модуля дифференциальных реле 1МРЗД — ЗМРЗД, а также модуль питания и управления МПУ устанавливаются в общей кассете. В зависимости от конкретной схемы и параметров защищаемого трансформатора, автотрансформатора или блока генератор-трансформатор кассета дополняется необходимым числом выравнивающих автотрансформаторов тока и приставок дополнительного торможения, которые устанавливаются на панели защиты отдельно от кассеты.
Принципиальная схема дифференциального модуля МРЗД защиты ДЗТ-20. Схема модуля содержит следующие основные узлы: рабочую цепь РЦ, дифференциальную отсечку ДО, цепь торможения от второй гармоники ТЦ1, цепь процентного торможения ТЦ2 и реагирующий орган РО.
Рабочая цепь состоит из трансреактора TAV, выпрямительного моста на диодах VD1 - VD4, резисторов R8, R9 и конденсатора С5. Трансреактор является согласующим и изолирующим элементом. Ответвления от его первичной обмотки wl служат для выравнивания токов в плечах защиты в диапазоне от 2,5 до 5 А. Обмотка w2 трансреактора через выпрямительный мост нагружена на резисторы R8 и R9. Сумма сопротивлений цепи дифференциальной отсечки R2 и R5 выбирается на порядок больше суммы сопротивлений R8 и R9, поэтому влиянием этой цепи на процессы в рабочей цепи можно пренебречь.
Конденсатор С5, включенный параллельно обмотке w2, предназначен для защиты вторичной цепи трансреактора от высокочастотных помех с частотами более 1 кГц. Емкость С5 незначительна и практически не оказывает влияния на характеристики защиты в рабочем диапазоне частот. Подбором обмоточных данных трансреактора и значений сопротивлений резисторов R8, R9, а также R3 в цепи ТЦ1 реализуется дифференцирующее корректирующее звено, обеспечивающее восстановление бестоковых пауз в "трансформированном" токе включения. Постоянная времени вторичной цепи трансреактора с учетом ветви намагничивания т равна примерно 0,06 периода промышленной частоты. Такое значение т позволяет увеличить отстройку от "трансформированных" токов включения в 3—5 раз. При этом защита не замедляется при синусоидальных токах КЗ в защищаемой зоне с апериодической составляющей, которая практически полностью поглощается ветвью намагничивания трансреактора за время, равное 0,18 периода промышленной частоты (3,6 мс).
Дифференциальная отсечка ДО выполнена на диоде VD5, резисторах R2, R4, R5, конденсаторах C1, C6 и реле с магнитоуправляемым контактом КА. Диод VD5 препятствует разряду конденсаторов С1 и С6 на рабочую цепь во время пауз в токе. С помощью переключателя SX2, выведенного на лицевую панель модуля 1 МРЗД, может быть получена Уставка отсечки 6 Iотв.ном или 9 Iотв.ном. Постоянная времени цепи
отсечки принята равной около 20 мс. Отсюда можно полагать, что реле КА реагирует на среднее значение напряжения на обмотке w2, пропорциональное току в обмотке wl трансреактора TAV. Благодаря этому обеспечивается некоторая отстройка отсечки от однополярных токов включения и переходных токов небаланса.
Цепь торможения от второй гармоники, питающаяся от обмотки трансреактора w3, содержит резистор R3, фильтр второй гармонической составляющей L-C2, выпрямительный мост VD10 — VD13, сглаживающий конденсатор С4 и резистор R10. Сопротивление резистора R3 выбрано значительно больше полного сопротивления L- C2 фильтра, поэтому приближенно можно считать приведенную нагрузку вторичной цепи трансреактора практически активной, что используется в выполнении корректирующего звена рабочей цепи. В качестве тормозного сигнала используется выпрямленный ток плеча фильтра, содержащего конденсатор С2. При таком включении и сравнительно низкой добротности фильтра (около 1,8) обеспечивается отстройка от периодического броска намагничивающего тока, имеющего длительность пауз не менее 4,4 мс для исполнения защиты на частоту 50 Гц. Чтобы избежать замедления защиты в переходных режимах КЗ в защищаемой зоне из-за появления второй гармонической составляющей во вторичном токе трансформаторов тока, введено ограничение тормозного сигнала на уровне, соответствующем периодическому броску намагничивающего тока с амплитудой 2 Iотв.ном с помощью стабилитронов VD10 и VD11. Наличие третьей и других высших гармоник во вторичном токе трансформаторов тока также увеличивает тормозной сигнал, однако ввиду малости этих гармонических в токах включения они практически не влияют на степень отстройки защиты.
Цепь процентного торможения состоит из промежуточных трансформаторов тока ТА1 и ТА2, выпрямительных мостов VS1 и VS2, диодов VD6 и VD7, стабилитронов VD8 и VD9, сглаживающего конденсатора СЗ и резисторов Rl, R6, Rll, R12. Процентное торможение осуществляется от полусуммы модулей токов плеч защиты. Первичные обмотки wl трансформаторов ТА1 и ТА2 позволяют выравнивать значение токов плеч защиты в диапазоне от 2,5 до 5 А. Токи плеч I1 и I2 после трансформации и выпрямления суммируются на сопротивлении R1. В схеме тормозной цепи предусмотрены выводы Х2:6а, и Х2:7а, позволяющие подключать одну или две приставки дополнительного торможения.
Ток смещения IСМ2 должен нарастать до значения, близкого к установившемуся, за время, не превышающее 15 мс (практически за время импульса тока включения или за время одной полуволны тока при внешних КЗ). С учетом этого постоянная времени заряда конденсатора СЗ, определяемая в основном его емкостью и сопротивлением R1, принимается равной примерно 2—3 мс. Для обеспечения малой зависимости тормозных характеристик реле от угла сдвига фаз между рабочим и тормозными токами постоянная времени разряда конденсатора СЗ, определяемая его емкостью и сопротивлениями R6, Rll, R12 (разряд происходит при закрытом диоде VD6), принимается равной 25-50 мс.
Тормозные характеристики защиты состоят из горизонтального и наклонного прямолинейных участков, между которыми имеется плавный переход. Для создания горизонтального участка служат стабилитроны VD8 и VD9. Они обеспечивают работу защиты без торможения при токах торможения меньших Iотв.ном или 0,6 Iотв.ном в зависимости от положения переключателя SX3 на лицевой панели модуля МРЗД.
