Дифференциальное реле с магнитным торможением. Дифференциальное реле с механическим торможением.

В дифференциальных РЗ, установленных на трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой или многообмоточных трансформаторах с несколькими питающими обмотками, токи небаланса в установившемся режиме имеют значительную величину. Чувствительность дифференциальной РЗ в указанных случаях может быть повышена применением дифференциальных реле с торможением. Принцип действия таких реле был рассмотрен в гл. 12.

Схема и характеристики дифференциальной защиты с торможением. Схема РЗ для двух- и трехобмоточного трансформаторов показана на рис. 16.35. Рабочая обмотка реле включается дифференциально, т. е. на разность токов ТТ, а тормозные - в плечи дифференциальной РЗ с таким расчетом, чтобы в любом случае внешнего КЗ хотя бы одна тормозная обмотка реле обтекалась током сквозного КЗ. При этих условиях ток срабатывания РЗ (т. е. ток в рабочей обмотке, необходимый для действия РЗ) под влиянием тока, протекающего в тормозной обмотке реле, возрастает, что повышает надежность отстройки РЗ от появляющихся в этом случае токов небаланса (рис. 16.36).

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Рис. 16.35. Дифференциальная зашита с торможением для трансформатора:

а - двухобмоточного; б - трехобмоточного

При КЗ в зоне ток повреждения Iк, протекающий по тормозным обмоткам, загрубляет реле (увеличивает его Iс.р) так же, как и в условиях внешнего КЗ, но несмотря на это чувствительность тормозного реле оказывается выше, чем у реле с БНТ без торможения, что видно из диаграммы, приведенной на рис. 16.36 (точки а и б). Чувствительность тормозного реле при КЗ в зоне можно повысить, если тормозные обмотки включать не во все плечи РЗ (как показано на рис. 16.35), а только там, где это необходимо для торможения при внешних КЗ.

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Рис. 16.36. Характеристики реле с торможением и без торможения: 1 — характеристика реле с торможением; 2 — характеристика реле с БНТ без торможения; 3 — ток небаланса; 4 - ток в реле при КЗ в зоне.

Для обеспечения достаточной надежности действия РЗ при повреждениях в зоне и селективности при внешних КЗ коэффициент торможения, характеризующий наклон характеристики реле (рис. 16.36), принимается равным 30-60%, а начальный ток Iс.ро при Iт = 0 выбирается равным 1,5 - 2 А, т. е. 30-40%.

Новочеркасским государственным технологическим университетом разработано реле с магнитным торможением ДЗТ-11, обеспечивающее отстройку как от бросков Iнам, так и от токов небаланса. Реле (рис. 16.37, а) состоит из трехстержне- вого насыщающегося трансформатора 1, питающего обмотку электромагнитного реле 2. Насыщающийся трансформатор имеет, как и обычный НТТ, первичную рабочую обмотку wp и вторичную обмотку w2, в цепь которой включено дифференциальное реле. Для осуществления торможения на магнитопровод насыщающегося трансформатора насажена третья - тормозная обмотка wт. Рабочая обмотка включается дифференциально, а тормозная - в рассечку плеча токовой цепи РЗ, т. е. так же, как соответствующие обмотки обычного тормозного реле. Тормозная и вторичная обмотки реле состоят из двух секций Л и В, расположенных на крайних стержнях магнито- провода. Рабочая обмотка помещена на среднем стержне.

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Рис. 16.37. Реле с магнитным торможением:

а -схема включения обмоток реле; б - тормозные характеристики реле ДЗТ-11, ДЗТ-11/2, ДЗТ-11/З, ДЗТ-11/4, ДЗТ-11/5

Секции wтА и wтВ тормозной обмотки соединены так, что создаваемый ими магнитный поток Фт замыкается по крайним стержням. Поток Фт наводит в секциях w2A и w2B вторичной обмотки ЭДС ЕтА и ЕтB, которые, однако, взаимно уничтожаются, так как они равны по значению и взаимно противоположны по направлению. В результате этого ток тормозной обмотки не создает тока в реле и служит только для подмагничивания крайних стержней магнитопровода, насыщая их и ухудшая трансформацию тока из рабочей обмотки во вторичную.

Поток Фр, создаваемый рабочей обмоткой, замыкается по крайним стержням и наводит в секциях вторичной обмотки согласно направленные ЭДС, обусловливающие ток в реле.

Поток Фр = Ip wp / Rм. Отсюда следует, что ток Iр, необходимый для создания потока Фр, достаточного для действия реле 2, зависит от магнитного сопротивления Rм, которое увеличивается с насыщением крайних стержней магнитопровода вследствие подмагничивания их током тормозной обмотки. Чем больше ток Iт, тем больший ток Iр требуется для действия реле (рис. 16.37, б).

При отсутствии тормозного тока реле работает как обычное реле с БИТ, но без короткозамкнутых обмоток. Поэтому оно хуже отстраивается от бросков Iнам и апериодической составляющей Iнб.

При внешнем КЗ ток, проходящий по тормозной обмотке, насыщает крайние стержни магнитопровода, в результате чего ток срабатывания реле возрастает, одновременно с этим ухудшается трансформация тока небаланса, появляющегося в рабочей обмотке трансформатора.

При повреждении в зоне РЗ ток в рабочей обмотке равен или больше тока Iт; в этих условиях, несмотря на подмагничивание магнитопровода, в реле появляется ток, достаточный для его действия.

Магнитная индукция при токе срабатывания реле достигает значения, при котором начинается насыщение магнито- провода (1,1-1,2 Тл), благодаря чему апериодический ток почти не трансформируется во вторичную обмотку, как и в обычном БНТ. Поэтому рассмотренное реле не реагирует на апериодическую составляющую, содержащуюся в намагничивающем токе и токе небаланса при неустановившихся режимах.

Важнейшими преимуществами реле являются: простота конструкции, наличие тормозной характеристики, относительно небольшая зависимость Iс р от фазы тормозных токов, надежная отстройка от апериодической составляющей токов намагничивания и возможность выполнения реле с тремя и более тормозными обмотками. Последнее решает задачу РЗ многообмоточных трансформаторов.

Тормозная характеристика каждого конкретного реле располагается между двумя кривыми, приведенными на рис. 16.37, б, в зависимости от угла между тормозным и рабочим токами, а также от схемы питания тормозной обмотки.

Дифференциальная РЗ с реле ДЗТ-11, имеющим промежуточный насыщающийся трансформатор и одну тормозную обмотку, устанавливается по действующим правилам на понижающих двухобмоточных трансформаторах 110-220 кВ, оснащенных устройством РПН. Защита выполняется в двухрелей- ном исполнении и подключается к ТТ по схеме, приведенной на рис. 16.31. В зону действия дифференциальной РЗ, кроме выводов НН трансформатора, попадают также подключенные к ним реакторы 6-10 кВ. Ток срабатывания РЗ выполняется большим Iном. Коэффициент чувствительности РЗ при КЗ за реактором kч > или = 1,5, а на выводах НН kч > или = 1,5 для трансформаторов мощностью менее 80 MB • А и kч > или = 2 для трансформаторов мощностью 80 MB • А и более.

Если необходимый коэффициент чувствительности при КЗ за реактором не обеспечивается, дифференциальная РЗ выполняется в виде двух комплектов (с использованием реле типа ДЗТ-11): грубого, действующего без выдержки времени с током срабатывания РЗ Iс.з > Iном, и чувствительного с выдержкой времени tc.з = (0,5 -:- 1) с и Iс.з = (0,75 -:- 1) Iном - При использовании со стороны ВН ТТ с вторичным током 1 А РЗ должна выполняться с реле типа ДЗТ-11/З.

Ниже дан пример расчета дифференциальной токовой защиты двухобмоточного понижающего трансформатора мощностью 25 MB • А с расщепленной обмоткой (рис. 16.38). Расчет ведется в соответствии с § 16.9. Сопротивления защищаемого трансформатора с устройством регулирования напряжения под нагрузкой РПН рассчитаны при двух крайних реально возможных положениях регулятора. Сопротивления указаны в омах и приведены к стороне ВН (в расчете использованы крайние положения регулятора).

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Рис. 16.38. К примеру расчета дифференциальной защиты трансформатора: а — исходная схема; б — схема замещения; в — схема подключения обмоток ДЗТ-11

Расчет защиты производится в следующем порядке:

1. Определяют первичные токи на сторонах защищаемого трансформатора, соответствующие его номинальной мощности:

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

2. Выбирают стандартные коэффициенты трансформации трансформаторов тока ТА1 и ТА2 с учетом схем соединения их вторичных обмоток (на стороне ВН - треугольник, на стороне НН - звезда). Приняты КII = 300 / 5; КIII = 1000 / 5.

3. Определяют вторичные токи в плечах защиты с учетом коэффициента схемы kсх:

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Сторона НН с большим током в плече защиты принята основной.

4. Выбирают ток срабатывания защиты. Расчет ведут по стороне ВН, исходя из двух условий:

1) условия отстройки от броска намагничивающего тока (БНТ) Iс.з = 1,3 Iном = 1,3 • 126 = 163,8 А;

2) условия отстройки от максимального значения тока небаланса при внешнем КЗ (рассматривается трехфазное КЗ в точке К1 при максимальном режиме работы системы и минимальном значении сопротивления трансформатора, см. рис. 16.38, а, 6).

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

где kодн = 1 (так как трансформаторы тока ТА1 и ТА2 разнотипны); kа = 1 (используются реле с НТТ); еi- = 0,1 (10%-ная допустимая погрешность ТТ, ранее проверенных по кривым предельной кратности при расчетной нагрузке); AU = 0,16 (относительная погрешность, обусловленная регулированием напряжения);

Iнб max = ( 1 * 1 * 0,1 + 0,16) 780 = 202 A

Iс.з = Котс Iнб max = 1,3 * 202 = 263 А

Из двух условий выбора тока срабатывания защиты принимается наибольшее значение, т. е. Iс.з = 263 А.

5. Производят предварительную проверку чувствительности защиты при замыкании в зоне защиты - точке К2 (в минимальном режиме работы питающей системы и при максимальном сопротивлении трансформатора):

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Из расчета следует, что для обеспечения требуемой чувствительности необходимо использовать реле с торможением типа ДЗТ-11. Тормозную обмотку следует подключить к ТТ, установленным со стороны НН, что обеспечит отсутствие торможения при КЗ в трансформаторе.

При этих условиях принятый ток срабатывания защиты должен удовлетворять только первому условию, т. е. Iс з = 163,8 А.

Тогда Кч = 385 / 163,8 = 2,35

6. Определяют токи срабатывания реле и число витков обмоток НТТ реле ДЗТ-11 для двух сторон трансформатора: для основной стороны - НН

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

где Fc.р - МДС срабатывания реле, равная 100 А.

В соответствии с внутренней схемой реле (см. рис. 16.38, в) принимается ближайшее меньшее значение используемых витков wIIур = 11 (замыкаются гнезда 4 и 7). В рассматриваемом примере дан вариант использования только уравнительных обмоток НТТ.

Расчетное число витков для неосновной стороны - ВН

wIpacч = wIIур IIIв / IIв = 11 * 6,88 / 3,63 = 20,8

Принимается 21 виток wIyp = 21 (замыкаются гнезда 0 и 21).

7. Определяют число витков тормозной обмотки, для чего предварительно необходимо найти значение расчетного тока небаланса с учетом составляющей I'''нб.комп, обусловленной округлением расчетного числа витков неосновной стороны:

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

По данным реле принимается 11 витков.

8. Производят проверку чувствительности защиты по окончательно принятому току срабатывания.

Значение уточненного тока срабатывания защиты (приведенного к стороне ВН)

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Дифференциальная защита с торможением на время-импульсном принципе отстройки от бросков тока намагничивания и тока небаланса.

Для РЗ трансформаторов и автотрансформаторов большой мощности дифференциальные защиты с магнитным торможением (с реле ДЗТ-11) не обеспечивают требуемой чувствительности и быстродействия. Для таких трансформаторов и AT разработаны и получили распространение РЗ с реле типа ДЗТ-20, которые обладают более высокой чувствительностью (ток срабатывания регулируется в пределах 0,3-0,7 Iнoм) и имеют независимое торможение от двух групп ТТ (при необходимости обеспечить торможение от трех групп ТТ используется приставка дополнительного торможения типа ПТ-1).

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Рис. 16.39. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия дифференциальной защиты типа ДЗТ-21:

а — выпрямленный рабочий ток в реле при броске тока намагничивания; б — то же при симметричном токе КЗ; в — импульсы и паузы на выходе органа, формирующего импульсы при броске тока намагничивания; г — то же при симметричном токе КЗ

В реле ДЗТ-21 (ДЗТ-2Э) для отстройки от бросков намагничивающего тока силовых трансформаторов и переходных токов небаланса используется времяимпульсный принцип блокирования РЗ в сочетании с торможением от составляющих второй гармонической.

Времяимпульсный принцип основывается на анализе длительности пауз, появляющихся в кривой дифференциального тока (рис. 16.39, в, г). При апериодическом броске Iнoм паузы tп между моментами, когда мгновенные значения iнoм превышают ток срабатывания реагирующего органа РЗ (РО), велики (рис. 16.39, а, в). При синусоидальном токе (режим КЗ в защищаемой зоне) паузы между мгновенными значениями выпрямленного тока КЗ, превышающими ток срабатывания РО, малы (рис. 16.39, б, г). Таким образом, оценивая с помощью специальной схемы (см. ниже) продолжительность пауз, РЗ может отличить режим броска (блокировки РЗ) от режима КЗ в зоне.

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение.

Рис. 16.40 Однолинейная структурная схема защиты ДЗТ-21.

Сочетание в ДЗТ-21 (ДЭТ-23) двух указанных способов позволяет обеспечить отстройку РЗ от бросков тока намагничивания при необходимых быстродействии и чувствительности. В РЗ предусмотрено также торможение от фазных токов в двух плечах РЗ, улучшающее отстройку от установившихся и переходных токов небаланса. При больших кратностях тока в защищаемой зоне, особенно при наличии апериодической составляющей, может наступить насыщение ТТ РЗ. При этом во вторичных токах ТТ появляются паузы, которые могут вызвать замедление или отказ РЗ. Для обеспечения надежности и быстродействия РЗ в этих режимах в схеме предусмотрена дополнительная отсечка.

Реле ДЗТ-21 (ДЭТ-23) выполнено трехфазным в четырехмо- дульной кассете: три фазных модуля (по числу фаз) и четвертый общий модуль питания и управления (стабилизатор питания полупроводниковых цепей, выходное промежуточное реле, сигнализация и др.).

Однолинейная структурная схема РЗ приведена на рис. 16.40. Она содержит промежуточные автотрансформаторы TL1 и TL2 для выравнивания вторичных токов; промежуточные трансформаторы TL3, TL4 и выпрямители VS1, VS2, через которые формируется тормозной ток плечей РЗ, подаваемый к РО; стабилитрон VD, включенный последовательно в тормозную Цепь и обеспечивающий при небольших токах работу РЗ без торможения; трансреактор TAV, к вторичным обмоткам которого подключено через выпрямитель VS3 реле дифференциальной отсечки КА и цепь торможения от тока второй гармоники; фильтр тока второй гармоники ZF и выпрямитель VS4, через которые подается к РО тормозной ток второй гармоники; устройство формирования, подготавливающее токи смещения, подаваемые в РО, пропорциональные тормозным токам. Реле выполнено на вторичный ток Iном = 5 А; присоединение к ТТ с вторичным током 1 А осуществляется через AT тока типа АТ-31 (повышающие). Эти AT, как и AT типа АТ-32 (понижающие), используются также для выравнивания токов в плечах РЗ, поскольку в реле предусмотрено всего шесть ответвлений в цепи рабочей и четыре ответвления в цепи тормозной обмотки, что может обеспечить только грубое выравнивание.

Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение

Рис. 16.41. Функциональная схема дифференциального реле типа РСТ-15

Реле для дифференциальной защиты типа РСТ-15. Дифференциальные реле тока серии РСТ-15 (для сетей 50 Гц) и РСТ-16 (для сетей 60 Гц) применяются в качестве измерительных органов дифференциальной защиты понижающих трансформаторов и мощных двигателей. Реле выполнены на интегральных микросхемах. В состав реле входят (рис. 16.41):

- датчик тока - трансреактор TAV, содержащий три первичных обмотки: основную (дифференциальную), имеющую 30 витков с отводами от 12, 16, 20, 25-го витков и две дополнительные (уравнительные) по три витка в каждой с отводами от 1-го витка;

- узел формирования реле, состоящий из нагрузочного моста (VD1, VD2, R2, R1); делителя R3, R4 и активного фильтра нижних частот (ФНЧ) А1;

- узел сравнения, состоящий из компаратора А2 и элемента выдержки времени A3 с установленным на нем временем 22 мс;

- узел выхода У В;

- узел питания УП.

Переключатель К позволяет исключить резистор R5 из схемы делителя. При этом значение выходного сигнала, подаваемого на А1, изменяется в отношении 1 : 2. Переключатель К служит для ступенчатого изменения уставки реле по току срабатывания в 2 раза.ъ

Формы сигналов, образующихся на выходе узла формирования при появлении повышенного дифференциального тока, резко различаются в зависимости от того, является он током КЗ или током включения. Это позволяет получать управляющий сигнал на выходе сравнения только при КЗ в зоне защиты. Для обеспечения релейного эффекта выход элемента времени A3 соединен положительной обратной связью с входом компаратора А2. Реле РСТ-15 характеризуется высокой степенью отстройки от переходных токов небаланса, возникающих при включении трансформаторов и двигателей под напряжение. Вследствие этого ток срабатывания дифференциальной защиты при использовании реле РСТ-15 можно устанавливать порядка 0,5 Iном - Ток срабатывания реле может быть установлен в пределах (0,4 - 1,2) Iном при К = 1 и (0,8 - 2,4) Iном при К = 2. Уставка осуществляется штеккером, помещенным в соответствующее гнездо на лицевой плате реле.

Тормозные обмотки в реле РСТ-15 не предусмотрены; при необходимости их использования следует применять комплектное устройство РЗ типа ЯРЭ-2201.