УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
DEVICE FOR DIFFERENTIAL PROTECTION OF POWER TRANSFORMER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для релейной защиты трансформаторов от коротких замыканий (КЗ), и может быть использовано для защиты двухобмоточных и трехобмоточных силовых трансформаторов.
Известно устройство дифференциальной защиты силового трансформатора, которое содержит: промежуточный трансформатор с нагрузочным резистором и выпрямителем, первый формирователь прямоугольных импульсов, к выходу которого присоединены последовательно первый инвертор, первый элемент выдержки времени, орган запоминания сигналов, второй инвертор и первый реагирующий орган. Данная часть устройства работает при внутренних КЗ, не сопровождающихся глубоким насыщением трансформаторов тока (ТТ). Для этого производится замер бестоковых пауз на входе первого формирователя прямоугольных импульсов, если паузы окажутся меньше заданного значения, то срабатывает первый реагирующий орган. При насыщении трансформаторов тока бестоковые паузы искажаются, и первый реагирующий орган не срабатывает.
К выходу выпрямительного моста также подключен второй формирователь прямоугольных импульсов, к выходу которого подключены второй и третий элементы выдержки времени, связанные через третий и четвертый инверторы с управляющими входами элементов ЗАПРЕТ, основные входы которых подключены ко второму формирователю прямоугольных импульсов. При этом выход первого элемента ЗАПРЕТ через последовательно включенный первый преобразователь длительности импульсов и элемент памяти связан с первым входом блока сравнения, а выход второго элемента ЗАПРЕТ через второй преобразователь длительности импульсов связан со вторым входом блока сравнения, выход которого подключен к входу второго реагирующего органа. Данная часть устройства сравнивает амплитуды треугольных импульсов второго периода переходного процесса с амплитудами треугольных импульсов последующих периодов, при этом амплитуды данных импульсов соответствуют длительности полуволн дифференциального тока на определенном уровне замера. Если в определенный момент времени амплитуда импульса одного из последующих периодов превышает амплитуду треугольного импульса второго периода, то производится отключение защищаемого трансформатора [Авторское свидетельство SU 1095298 А1, 30.05.1984].
Недостатком данного устройства является низкое быстродействие в режимах внутренних КЗ, при которых происходит насыщение ТТ. А именно, возможны режимы, в которых насыщение ТТ может начаться в первый период переходного процесса, а выход из насыщения - намного позже. При этом момент времени, когда амплитуда импульса одного из последующих периодов превышает амплитуду треугольного импульса второго периода, происходит не раньше момента начала выхода ТТ из насыщения, что и обуславливает значительную задержку в срабатывании защиты.
Известно также устройство дифференциальной защиты силового трансформатора, которое является прототипом предлагаемого изобретения. Прототип содержит: датчики тока, состоящие из вторичной обмотки, сердечника из магнитного материала и установленные по концам защищаемого объекта; рабочую цепь, состоящую из трансреактора, выпрямителя и дифференциальной отсечки; первую цепь торможения, состоящую из трансреактора, фильтра второй гармоники, выпрямителя и сглаживающего фильтра; вторую цепь торможения, состоящую из блока формирования тормозного сигнала, схемы, реализующей тормозную характеристику, и сглаживающего фильтра; реагирующий орган, состоящий из релейного формирователя прямоугольных импульсов, двух выдержек времени и двух инверторов.
В данном устройстве для отстройки от бросков тока намагничивания (БТН) используется сочетание время-импульсного принципа отстройки с торможением от второй гармоники дифференциального тока. Ток второй гармоники выделяется с помощью пассивного фильтра, входящего в состав первой тормозной цепи. Вторая тормозная цепь осуществляет отстройку от установившихся токов небаланса использованием процентного торможения суммой модулей токов плеч. Дифференциальный ток в прототипе формируется из вторичных сигналов датчиков тока и выпрямляется в рабочей цепи [Дмитриенко А. М. Дифференциальная защита трансформаторов и автотрансформаторов. - «Электричество», 1975, №2, с.1-9].
К недостаткам прототипа можно отнести следующее. Для определения текущего режима работы силового трансформатора в устройстве определяется длительность бестоковых пауз на определенном уровне замера. Очевидно, что при насыщении датчика тока в результате протекания через него броска тока намагничивания уровень замера пауз будет увеличиваться с тем, чтобы надежно отстроиться от такого режима. Для этого предназначен пассивный фильтр, который выделяет вторую гармонику из дифференциального сигнала. По уровню выделенной второй гармоники производится завышение уставки и, соответственно, отстройка от БТН. Возможен также аварийный режим, в котором происходит насыщение датчика тока при протекании через него сверхтоков внутреннего КЗ. Насыщение датчика приводит к тому, что пассивный фильтр выделяет вторую гармонику из дифференциального тока и завышает при этом уровень замера бестоковых пауз. Очевидно, что в этом случае величина проведенного измерения может оказаться достаточной для блокировки реагирующего органа. Возможен также максимальный нагрузочный режим работы, когда в дифференциальной цепи протекает значительный ток небаланса. Увеличение уставки срабатывания для отстройки от этого тока приводит к снижению чувствительности защиты к токам внутреннего повреждения небольшой кратности, например, к витковым замыканиям (ВЗ). Таким образом, недостатки прототипа заключаются в снижении быстродействия защиты при насыщении датчика тока при протекании через него тока внутреннего КЗ, а также в снижении чувствительности к витковым замыканиям в силовом трансформаторе при протекании максимальных нагрузочных токов.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия защиты при внутренних КЗ, а также повышение чувствительности к витковым замыканиям в силовом трансформаторе в максимальных нагрузочных режимах.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для дифференциальной защиты силового трансформатора, которое содержит датчики тока, состоящие из вторичной обмотки, сердечника и установленные по концам защищаемого объекта, реагирующий орган, первую цепь торможения и вторую цепь торможения, которая содержит блок формирования тормозного сигнала, сердечники датчиков тока выполнены из немагнитного материала, а на выход каждого датчика присоединен сглаживающий фильтр. При этом в устройство дополнительно введены первый и второй органы блокировки, преобразователь сигналов, блок формирования дифференциального сигнала, первый формирователь действующего значения входного сигнала и блок формирования уставки срабатывания. Все выходы сглаживающих фильтров подключены к входам преобразователя сигналов, второй и третий выходы которого подключены к входам второго органа блокировки, а первый, второй и третий выходы - к входам блока формирования дифференциального сигнала и к входам второй цепи торможения. Вход первой цепи торможения и первого формирователя действующего значения входного сигнала подключены к выходу блока формирования дифференциального сигнала. Выход второй цепи торможения подключен к первому входу, а выход второго органа блокировки - ко второму входу блока формирования уставки срабатывания, выход которого подключен к третьему входу реагирующего органа. Выход первой цепи торможения подключен к первому входу, а выход первого формирователя действующего значения входного сигнала - ко второму входу первого органа блокировки. Выход первого формирователя действующего значения входного сигнала также присоединен ко второму входу реагирующего органа, к первому входу которого присоединен выход первого органа блокировки.
Первая цепь торможения содержит блок задержки сигнала, сумматор и второй формирователь действующего значения входного сигнала, причем вход второго формирователя действующего значения входного сигнала подключен к выходу сумматора, первый вход которого подключен к выходу блока задержки сигнала, а второй вход объединен с входом блока задержки сигнала. Во вторую цепь торможения введен третий формирователь действующего значения входного сигнала, вход которого подключен к выходу блока формирования тормозного сигнала. Реагирующий орган содержит компаратор и блок логики, причем управляющий вход компаратора подключен к выходу первого формирователя действующего значения входного сигнала, а опорный вход - к выходу блока формирования уставки срабатывания, первый вход блока логики подключен к выходу первого органа блокировки, а второй вход - к выходу компаратора.
Предлагаемое устройство реализовано в виде микропроцессорной защиты, структурная схема которой приведена на Фиг.1. На Фиг.2 приведена структурная схема первой цепи торможения, на Фиг.3 приведена структурная схема второй цепи торможения, на Фиг.4 приведена структурная схема реагирующего органа, а на Фиг.5 - тормозная характеристика защиты. Кроме того, на Фиг.6-7 приведены осциллограммы работы предлагаемого устройства в режиме внутреннего КЗ, а на Фиг.8-9 приведены осциллограммы работы при броске тока намагничивания.
Предлагаемое устройство (Фиг.1) содержит:
1. Датчики тока с сердечником из немагнитного материала. Датчики установлены на каждой стороне защищаемого силового трансформатора;
2. Сглаживающие фильтры. Выход каждого датчика тока 1 присоединен к входу сглаживающего фильтра;
3. Преобразователь сигналов. Выходы всех сглаживающих фильтров 2 подключены к входам преобразователя сигналов;
4. Блок формирования дифференциального сигнала (БФДС). Все входы данного блока подключены к выходам преобразователя сигналов 3;
5. Вторая цепь торможения. Все входы второй цепи торможения подключены к выходам преобразователя сигналов 3;
6. Второй орган блокировки. Входы данного органа подключены ко второму и третьему выходу преобразователя сигналов 3;
7. Первая цепь торможения. Вход первой цепи торможения подключен к выходу БФДС 4;
8. Первый формирователь действующего значения входного сигнала (ФДЗ). Вход ФДЗ, как и вход первой цепи торможения, подключен к выходу БФДС 4;
9. Блок формирования уставки срабатывания (БФУС). Первый вход БФУС подключен к выходу второй цепи торможения 5, а второй вход - к выходу второго органа блокировки 6;
10. Первый орган блокировки. Первый вход данного блока подключен к выходу первой цепи торможения 7, а второй вход - к выходу первого формирователя действующего значения входного сигнала 8;
11. Реагирующий орган (РО). Первый вход РО подключен к выходу первого органа блокировки 10, второй вход подключен к выходу первого ФДЗ 8, а третий вход - к выходу БФУС 9.
Первая цепь торможения (Фиг.2) содержит:
12. Блок задержки сигнала (БЗС). Вход данного блока подключен к выходу БФДС 4;
13. Сумматор. Первый вход сумматора подключен к выходу, а второй - к входу БЗС 12;
14. Второй формирователь действующего значения входного сигнала. Вход второго формирователя действующего входного сигнала значения подключен к выходу сумматора 13.
Вторая цепь торможения (Фиг.3) содержит:
15. Блок формирования тормозного сигнала (БФТС). Все входы БФТС подключены к выходам преобразователя сигналов 3;
16. Третий формирователь действующего значения входного сигнала. Вход третьего формирователя подключен к выходу БФТС 15.
Реагирующий орган (Фиг.4) содержит:
17. Компаратор. Первый вход компаратора подключен к выходу первого ФДЗ 8, а второй вход - к выходу БФУС 9;
18. Блок логики (БЛ). Первый вход блока логики подключен к выходу первого органа блокировки 10, а второй вход подключен к выходу компаратора 17.
В различных режимах предлагаемое устройство работает следующим образом. Поскольку дифференциальная защита выполняется пофазно, то дальнейшее описание выполнено для одной фазы защиты, а дальнейшее изложение предполагает программную реализацию на микропроцессоре. Вышеперечисленные блоки имеют следующие функции:
2. Сглаживающие фильтры. Обеспечивают снижение уровня высокочастотных составляющих;
3. Преобразователь сигналов. Так как устройство выполнено на микропроцессорной элементной базе, то выходные сигналы каждого сглаживающего фильтра преобразуются в цифровые значения, а защита оперирует уже с информацией о протекающих в первичной цепи токах в цифровой форме. Оцифрованные сигналы от сторон силового трансформатора поступают на преобразователь сигналов, который осуществляет при необходимости устранение фазового сдвига, обусловленного группой соединения обмоток защищаемого трансформатора, а также приведение амплитуд входных сигналов к базовой стороне. Величины коэффициентов приведения определяются через значения номинальных токов сторон защищаемого трансформатора;
4. Блок формирования дифференциального сигнала. Формирует
d
1А
2А
3А
дифференциальный сигнал защиты I из токов сторон трансформатора I, I, I суммированием их мгновенных значений;
t
RMS
5. Вторая цепь торможения. Формирует на своем выходе действующее значение тормозного сигнала защиты I_. Совместно со вторым органом блокировки 6 и блоком формирования уставки срабатывания 9 осуществляет отстройку защиты от установившихся токов небаланса;
2А
3А
6. Второй орган блокировки. Данный орган предназначен для формирования блокирующего сигнала, который запрещает блоку 9 вычислять уставку срабатывания защиты по тормозной характеристике только в случае отсутствия обоих сигналов I и I;
f
RMS
7. Первая цепь торможения. Формирует на своем выходе действующее значение тормозного сигнала защиты I_- Совместно с первым органом блокировки 10 обеспечивает отстройку защиты от БТН;
d
d
RMS
8. Первый формирователь действующего значения входного сигнала. ФДЗ вычисляет действующее значение дифференциального сигнала Iи устанавливает на своем выходе сигнал соответствующего уровня I_
t
RMS
9. Блок формирования уставки срабатывания. Данный блок вычисляет уставку срабатывания защиты в соответствии с тормозной характеристикой (Фиг.5) в зависимости от величины тормозного сигнала I_и наличия запрещающего сигнала от второго органа блокировки;
10. Первый орган блокировки. Данный орган предназначен для блокирования защиты в режиме БТН;
11. Реагирующий орган. Идентификация текущего режима работы защищаемого трансформатора осуществляется реагирующим органом, который при выявлении внутреннего КЗ производит выдачу команды на отключение выключателей защищаемого трансформатора;
12. Блок задержки сигнала. Осуществляет задержку входного сигнала на полпериода промышленной частоты;
d
f
13. Сумматор. Суммирует дифференциальный сигнал защиты I с таким же сигналом, но задержанным на 10 мс. Благодаря этому обеспечивается отсутствие в выходном сигнале сумматора I первой гармоники промышленной частоты;
f
f
RMS
14. Второй формирователь действующего значения входного сигнала. Вычисляет действующее значение тормозного сигнала I и устанавливает на своем выходе сигнал соответствующего уровня I_;
t
1A
2A
3A
15. Блок формирования тормозного сигнала. Формирует тормозной сигнал защиты I как сумму модулей мгновенных значений сигналов I, I и I;
t
t
RMS
16. Третий формирователь действующего значения входного сигнала. Вычисляет действующее значение тормозного сигнала I, и устанавливает на своем выходе сигнал соответствующего уровня I_;
d
RMS
ср
17. Компаратор. Сравнивает действующее значение дифференциального сигнала I_ с уставкой срабатывания I. Компаратор для обеспечения коэффициента возврата, меньшего единицы, имеет зону нечувствительности;
18. Блок логики. Идентифицирует текущий режим работы силового трансформатора, используя входные логические сигналы.
I. Режим внутреннего КЗ (Фиг.6-7).
d
Используя скорректированные по фазе и амплитуде сигналы от преобразователя сигналов 3, БФДС 4 производит вычисление дифференциального сигнала I, а БФТС 15 - тормозного сигнала Далее ФДЗ 8 и ФДЗ 16 определяют их действующие значения. ФДЗ работает следующим образом. Входной сигнал возводится в квадрат и интегрируется двумя интеграторами, которые поочередно обнуляются с интервалом в 10 мс. Перед обнулением каждого интегратора из накопленного им значения извлекается квадрат и на выходе ФДЗ устанавливается значение, равное полученному результату. Такой способ вычисления действующего значения используется во всех ФДЗ, при этом моменты обнуления во всех блоках синхронизированы.
2A
3А
2A
3А
2A
3А
ср
t
RMS
2A
3А
ср0
t0
t
ср0
Помимо БФДС 4 и второй цепи торможения выходы блока 3 присоединены ко второму органу блокировки 6. Данный орган предназначен для формирования блокирующего сигнала, который запрещает блоку формирования уставки срабатывания 9 вычислять уставку срабатывания защиты по тормозной характеристике только в случае отсутствия обоих сигналов I и I. Для этого орган блокировки 6 вычисляет действующие значения входных сигналов сторон трансформатора без источников питания, а именно I и I. Полученные результаты сравниваются с заданной уставкой, выбираемой таким образом, чтобы при отсутствии обоих сигналов I и I, а орган блокировки не снимал запрещающий сигнал со своего выхода под действием случайных помех в канале измерения. Если в первичной цепи протекает ток хотя бы по одной из сторон, не имеющей источника питания, то уставка срабатывания I определяется в соответствии с тормозной характеристикой (Фиг.5) в зависимости от величины тормозного сигнала I_. При отсутствии обоих сигналов I и I появляется запрещающий сигнал от второго органа блокировки 6, и уставка срабатывания остается постоянной и определяется начальным током срабатывания I. Параметры тормозной характеристики определяются начальным током торможения I, коэффициентом торможения K, начальным током срабатывания I и задаются соответствующими уставками.
d
ср
При КЗ в защищаемом трансформаторе сигнал в дифференциальной цепи пропорционален току замыкания. Если действующее значение дифференциального сигнала I превышает уставку срабатывания I, получаемую от блока 9, то компаратор 17 срабатывает и устанавливает на своем выходе сигнал логической единицы. При снижении дифференциального сигнала ниже уставки возврата компаратор устанавливает на своем выходе логический нуль, возвращаясь тем самым в исходное состояние.
f
f
RMS
Одновременно с этим первая цепь торможения 7 формирует тормозной сигнал для отстройки от БТН. Поскольку в качестве первичных датчиков тока используются датчики с сердечником из немагнитного материала, которые не насыщаются при протекании первичных токов с апериодическими составляющими, то при внутреннем КЗ дифференциальный сигнал всегда остается синусоидальным, в то время как при БТН дифференциальный сигнал, кроме основной, содержит вторую гармонику и гармоники более высоких порядков. Апериодическая составляющая тока КЗ значительно ослабляется такими датчиками и можно считать, что она полностью затухает за полпериода промышленной частоты. Предложенная схема, включающая в себя блок задержки 12 и сумматор 13, исключает первую гармонику в своем выходном сигнале I, позволяя тем самым выполнять блокирование защиты в режимах бросков тока намагничивания по наличию второй гармоники в дифференциальном токе. Действующее значение тормозного сигнала I_ поступает на первый вход первого органа блокировки 10, а действующее значение дифференциального - на второй вход. Первый орган блокировки определяет отношение входных сигналов по формуле
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>f_RMS</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>d_RMS</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>f_RMS</mtext></mrow></msub></mrow>
где
- действующее значение тормозного сигнала от первой цепи торможения 7,
<mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>d_RMS</mtext></mrow></msub></mrow>
- действующее значение дифференциального сигнала от блока 8.
f
Далее полученный результат сравнивается блоком 10 с заданной уставкой. Если уставка больше полученного соотношения, то на выходе органа блокировки 10 устанавливается сигнал логической единицы, запрещающий срабатывание реагирующего органа 11. Если уставка меньше полученного соотношения, то на выходе блока устанавливается логический нуль. Так как в режиме внутреннего КЗ сигнал I быстро затухает и становится равным нулю (Фиг.6), то в определенный момент после сравнения с уставкой на выходе блока 10 запрещающий сигнал снимается.
Блок логики 18 идентифицирует текущий режим работы силового трансформатора, используя входные логические сигналы. В нормальном режиме работы силового трансформатора БЛ находится в исходном состоянии и его выходной сигнал равен нулю. При одновременном срабатывании компаратора 17 и снятии блокирующего сигнала первым органом блокировки 10 блок 18 переводится в состояние тревоги и запускает выдержку времени длительностью 10 мс. По истечении выдержки времени блок логики снова производит проверку входных сигналов. Если при этом состояние сигналов не изменилось, то текущий режим работы трансформатора признается аварийным и на выходе блока устанавливается сигнал логической единицы. Если же при этом компаратор 17 вернулся в исходное состояние или появился запрещающий сигнал от первого органа блокировки 10, то текущий режим работы трансформатора признается неаварийным и блок логики 18 возвращается в исходное состояние. Так как через 10 мс после перевода в режим тревоги сигналы на входе БЛ не изменяются (Фиг.7), то текущий режим работы защищаемого трансформатора признается аварийным и производится выдача команды на отключение выключателей силового трансформатора.
II. Режим БТН (Фиг.8-9).
d
ср
При включении защищаемого трансформатора на холостой ход или при отключении внешнего КЗ по стороне питания протекает однополярный или разнополярный бросок тока намагничивания. В таком режиме действующее значение дифференциального сигнала Iпревышает уставку срабатывания I и вызывает срабатывание компаратора 17.
d_RMS
<mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>f_RMS</mtext></mrow></msub></mrow>
В то же время на выходе сумматора 13 формируется сигнал, обусловленный высшими гармониками БТН, который приводит к тому, что результат вычисления процентного отношения между действующими значениями сигналов Iи
оказывается больше уставки первого органа блокировки 10. В связи с этим на выходе блока 10 запрещающий сигнал не снимается и срабатывание защиты не происходит. Таким образом, при протекании в дифференциальной цепи броска тока намагничивания защита надежно блокируется.
Предлагаемое устройство содержит датчики тока с немагнитным сердечником, которые не насыщаются при протекании токов большой кратности. Отсутствие насыщения исключает появление второй гармоники в дифференциальном токе и повышает быстродействие защиты в режимах внутренних КЗ любой кратности. Кроме того, апериодическая составляющая тока КЗ значительно ослабляется такими датчиками и можно считать, что она не влияет на быстродействие защиты. Отсутствие насыщения исключает также появление переходного тока небаланса при внешних КЗ, а также уменьшает как установившийся ток небаланса, так и его приращение при росте сквозного тока через силовой трансформатор. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить минимальный ток срабатывания защиты и уменьшить коэффициент наклона тормозной характеристики. В максимальных нагрузочных режимах ток срабатывания предлагаемого устройства увеличивается незначительно, позволяя тем самым повысить чувствительность защиты к витковым замыканиям в силовом трансформаторе.