Способ дифференциальной защиты силового трансформатора от витковых замыканий
METHOD OF DIFFERENTIAL PROTECTION OF POWER TRANSFORMER FROM TURN FAULTS

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для релейной защиты силового трансформатора (СТ) от витковых замыканий (ВЗ) в обмотках, и может быть использовано для защиты двухобмоточных и трехобмоточных СТ от ВЗ. Заявляемое изобретение полезно для повышения чувствительности дифференциальных защит (ДЗ) к этому виду повреждений в условиях работы СТ в режиме перевозбуждения (ПВ).
Известен способ ДЗ СТ от ВЗ, который можно усмотреть из работы устройства [Дмитриенко А.М. Дифференциальная защита трансформаторов и автотрансформаторов. - «Электричество», 1975, №2, С. 1-9]. В указанном способе для отстройки от БТН используется сочетание времяимпульсного принципа отстройки с торможением от второй гармоники дифференциального тока и от суммы модулей токов плеч ДЗ. Для сигнала, получаемого с помощью выпрямления первой производной дифференциального тока, производится сравнение длительности бестоковых пауз на заданном уровне измерения с заданным временем (уставкой). Формирование управляющего воздействия на отключение защищаемого СТ производится в случае фиксации в контролируемом сигнале отсутствия в течение определенного времени (несколько превышающего период промышленной частоты) бестоковых пауз, имеющих длительность, большую значения уставки. Уставка по времени длительности бестоковой паузы фиксирована, а уровень измерения повышается при увеличении тормозного сигнала, пропорционального содержанию второй гармонической составляющей в дифференциальном токе (что необходимо для предотвращения ложного действия ДЗ при исчезновении бестоковых пауз в результате насыщения измерительных ТТ при БТН) и сумме модулей токов плеч ДЗ (необходимо для отстройки ДЗ от установившихся токов небаланса при КЗ вне зоны ее действия).
Однако указанный способ имеет следующий недостаток. Применение времяимпульсного принципа действия ДЗ одновременно для выявления аварийных токов малой - в случае ВЗ - и большой - в случае коротких замыканий (КЗ) - кратности в зоне защиты приводит к задержкам в отключении КЗ при искажении входных сигналов тока вследствие насыщения измерительных трансформаторов тока (ТТ). Так, для определения текущего режима работы СТ в прототипе определяется длительность бестоковых пауз на определенном уровне замера. Очевидно, что при искажении сигнала тока в режиме БТН уровень замера пауз будет увеличиваться с тем, чтобы надежно отстроиться от такого режима. Для этого выделяют вторую гармонику из дифференциального сигнала, после чего по уровню выделенной второй гармоники производят завышение уставки, чем обеспечивается несрабатывание защиты при искажении сигнала тока в этом режиме. Однако возможны ситуации, когда искажение сигнала тока происходит в режиме внутреннего повреждения СТ. Искажение полезного сигнала приводит к увеличению измеренного значения второй гармоники в дифференциальном токе, что в свою очередь приводит к завышению уровня замера бестоковых пауз. Повышение уровня замера бестоковых пауз может привести к блокированию ДЗ, так как бестоковые паузы (возникшие вследствие искажения входного сигнала тока) возникают в полезном сигнале и сохраняются на протяжении длительного времени. Таким образом, недостаток способа заключается в снижении быстродействия защиты при искажении входного сигнала тока в режиме внутреннего КЗ.
т
т
т
т
т
т
номСТ
номСТ
Кроме того, известен способ ДЗ СТ от ВЗ [Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты. Принципы и область применения: Под редакцией чл.-корр. РАН А.Ф. Дьякова. - Нюрнберг, 2005. - 273 с.: ил.], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, в котором для защиты СТ от ВЗ используется ненаклонная часть характеристики срабатывания ДЗ с торможением от токов плеч. В указанном способе значение тока срабатывания ДЗ корректируют в зависимости от уровня тормозного сигнала I, пропорционального сумме токов плеч ДЗ, при этом в области малых значений I значение тока срабатывания сохраняют на неизменном уровне. При превышении I определенного значения значение тока срабатывания пропорционально увеличивают, чем обеспечивают несрабатывание ДЗ при повреждениях вне зоны защиты, когда ток небаланса возрастает. Коэффициент пропорциональности между током срабатывания и I в общем случае изменяют в зависимости от измеренного значения I. При внешних КЗ в условиях, когда возможно искажение рабочего сигнала под действием больших токов, протекающих по первичным обмоткам ТТ, на некоторое время, с запасом превышающее время, необходимое для отключения внешнего повреждения защитами смежных элементов, вводят запрет на действие ДЗ СТ. Временный запрет на действие ДЗ активируют в случае фиксации больших сквозных токов (увеличение I) при относительно небольшом значении дифференциального тока, что соответствует попаданию рабочей точки на характеристике срабатывания ДЗ в определенную область (область дополнительной стабилизации при больших аварийных токах). В указанном способе для обеспечения недействия ДЗ при броске тока намагничивания (БТН) СТ используют блокировку 2-й гармоникой дифференциального тока: ДЗ выводят из действия (блокируют), если процентное содержание второй гармоники относительно основной гармоники превышает пороговое значение (порядка 10-15%). Это позволяет иметь начальную уставку срабатывания защиты на уровне, не превышающем I, где I - номинальный ток СТ, что позволяет добиться повышенной чувствительности ДЗ к ВЗ. Обычно ДЗ СТ выполняется пофазной. При этом применяют блокирование ДЗ во всех трех фазах при фиксации превышения дифференциального тока 2-й гармоники порогового уровня хотя бы в одной фазе (перекрестная блокировка) или применяют блокирование ДЗ только в той и только в той фазе, в которой дифференциальный ток 2-й гармоники превысил пороговое значение.
Однако в указанном способе используется блокировка ДЗ СТ, если в дифференциальном токе зафиксировано значительное процентное содержание тока 5-й гармоники (порядка 30%), что является характерным признаком режима ПВ. Необходимость блокировки ДЗ с малым током срабатывания в режиме ПВ обусловлена ростом действующего значения основной гармоники дифференциального тока в этом режиме, что без принятия соответствующих мер способно привести к ложному отключению СТ, поскольку режим ПВ является допустимым в течение довольно продолжительного времени, зависящего от кратности ПВ.
Поэтому для защиты СТ от ПВ используется отдельная защита, реагирующая на отношение подведенного к СТ напряжения U и частоты этого напряжения ƒ. При превышении отношения U/ƒ порогового значения запускается обратнозависимая выдержка времени, которая отключает СТ тем скорее, чем выше отношение U/ƒ. При этом для количественной оценки величины ПВ используется величина, называемая кратностью ПВ М, определяемой по формуле [Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.]:
ном
U, U - соответственно текущее и номинальное напряжение, подведенное к обмотке СТ, кВ;
ном
ƒ, ƒ - соответственно текущая и номинальная частота напряжения сети, Гц.
Однако в режиме ПВ значительно увеличиваются активные потери в стали сердечника и увеличивается нагрев конструктивных элементов СТ, что приводит к ускоренному старению их изоляции. В этих условиях также повышается вероятность возникновения ВЗ, вызывающих протекание малых дифференциальных токов, от которых защита не срабатывает вследствие наличия блокировки. Защита от ПВ, реагирующая на М, не способна почувствовать данное повреждение по принципу действия. Как указывается в [Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.], при возникновении ВЗ защита СТ должна сформировать управляющее воздействие на отключение СТ не более чем за 40÷50 мс. Защита от ПВ, реагирующая на М, быстро отключает СТ только при значительных кратностях ПВ, однако существует вероятность возникновения ВЗ при существенно меньших кратностях. Таким образом, вследствие недостаточной чувствительности прототипа в режиме ПВ возможна недопустимо длительная работа СТ при наличии в нем ВЗ, что может привести к значительному повреждению обмоток СТ.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение чувствительности ДЗ СТ к ВЗ в режиме ПВ.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе дифференциальной защиты силового трансформатора от витковых замыканий, при котором формирование управляющего воздействия на отключение защищаемого силового трансформатора производят в случае превышения дифференциального тока уставки срабатывания, причем значение этой уставки увеличивают (уменьшают) при росте (снижении) тормозного сигнала, пропорционального сумме токов плеч дифференциальной защиты, когда тормозной сигнал принимает значения из заданного диапазона, и отсутствия в дифференциальном токе второй гармонической слагающей выше заданного порогового значения, определяющего процентное содержание второй гармонической слагающей к основной гармонике, при этом независимо от значения дифференциального тока в случае значительного увеличения тормозного сигнала при относительно малом увеличении дифференциального тока вводят запрет на формирование управляющего воздействия на отключение защищаемого силового трансформатора в течение времени, достаточного для устранения повреждения вне зоны защиты устройствами защитами смежных элементов, аварийный режим силового трансформатора к тому же определяют, когда в выпрямленном дифференциальном токе фиксируют отсутствие в течение определенного времени, превышающего период промышленной частоты, бестоковых пауз, имеющих длительность, большую значения уставки, при условии отсутствия более чем в одном плече дифференциальной защиты тока выше заданного порогового значения и отсутствия четных гармоник в дифференциальном токе, а значение уставки по времени длительности бестоковой паузы задают, исходя из текущей кратности перевозбуждения, причем при фиксации неисправности измерительных цепей напряжения со стороны источника питания силового трансформатора уставку по времени длительности бестоковой паузы задают на уровне, который соответствует предельной кратности перевозбуждения, при превышении которой требуется немедленно отключить силовой трансформатор.
На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Функционирование устройства рассмотрено на примере организации защиты двухобмоточного СТ. Устройство содержит следующие элементы.
1. Измерительные ТТ на каждой стороне защищаемого СТ, посредством которых получают информацию о токах в обмотках СТ.
2. Измерительный трансформатор напряжения (ТН), посредством которого получают информацию об уровне напряжения U, подведенном к СТ, и частоте этого напряжения ƒ.
3. Измерительные органы (ИО) напряжения и тока, выполненные, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы ТТ и ТН подключены к входам ИО.
4. Блок контроля исправности измерительных цепей напряжения (КИН), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы ИО напряжения подключены к входам КИН.
5. Блок расчета бестоковой паузы (БРП) в дифференциальном токе, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы всех ИО тока подключены к входам БРП.
6. Блок определения режима (БОР), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы всех ИО тока подключены к входам БОР.
7. Блок дифференциальной защиты (БДЗ), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы всех ИО тока подключены к входам БДЗ.
8. Блок расчета уставки бестоковой паузы (БРУП) при текущей кратности ПВ СТ, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы ИО напряжения и выход КИН подключены к входам БРУП.
9. Реагирующий орган (РО), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы БРУП и БРП подключены ко входам РО.
10. Блок формирования управляющего воздействия (БФУП), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы РО и БОР подключены к входам БФУП.
Способ осуществляется следующим образом. Для выявления ВЗ в режиме отсутствия передачи мощности через СТ, в том числе в режиме ПВ, используют времяимпульсный принцип, заключающийся в том, что ВЗ фиксируют в случае, если в рабочем сигнале на заданном уровне замера отсутствуют бестоковые паузы заданной длительности в течение времени, несколько превышающем период промышленной частоты. Обработку рабочего сигнала производят только при условии, что защищаемый СТ находится на холостом ходу (поскольку только в этом случае в дифференциальной цепи не протекает синусоидальный ток небаланса, в котором отсутствуют бестоковые паузы) и что в режиме холостого хода не возникает БТН. Рабочий сигнал формируют как выпрямленный дифференциальный ток. Чтобы повысить чувствительность защиты от ВЗ через дугу, когда бестоковые паузы присутствуют в рабочем токе (что возможно при неполных витковых замыканиях [Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.]), уставку по ширине бестоковой паузы пересчитывают и корректируют в режиме реального времени, исходя из текущей кратности ПВ СТ. При этом уровень замера бестоковой паузы не превосходит амплитудное значение тока намагничивания СТ в нормальном рабочем режиме. При фиксации неисправности измерительных цепей напряжения, когда информация о текущем значении U и ƒ оказывается недостоверной, уставку по бестоковой паузе устанавливают такой, чтобы обеспечить недействие защиты при кратностях ПВ, допустимых в течение непродолжительного времени и не требующих немедленного отключения СТ. Контроль исправности измерительных цепей напряжения осуществляют, например, с помощью методик, описанных в [Чернобровов Н.В., Семёнов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с.: ил.]. Для выявления ВЗ в режимах работы СТ, когда ПВ отсутствует, используют основную ДЗ СТ с торможением от токов плеч ДЗ, т.е. выполняют над рабочим сигналом те же операции, что описаны в прототипе.
С помощью ИО принимают сигналы с вторичных обмоток ТТ и ТН и преобразуют аналоговые величины в удобную для дальнейшей обработки форму.
a1
b1
c1
a2
b2
c2
С помощью КИН получают информацию о текущих значениях напряжений на вторичных обмотках ТН - на основной обмотке (значения u(t), u(t), u(t))и на дополнительной обмотке (значения u(t), u(t), u(t)) - и осуществляют контроль исправности измерительных цепей напряжения. Если фиксируют неисправность вторичных цепей ТН, то на выходе КИН формируют логический сигнал «1», иначе - логический сигнал «0».
n
a1
b1
c1
a2
b2
c2
n
При помощи БРП определяют длительность бестоковой паузы t в выпрямленном дифференциальном токе. Дифференциальный ток рассчитывают по значениям токов фаз сторон высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН) СТ, то есть соответственно по значениям i(t), i(t), i(t) и i(t), i(t), i(t). Измеренное значение t передают в РО.
При помощи БОР определяют, находится ли защищаемый СТ в режиме холостого хода, а также фиксируют отсутствие БТН в этом режиме. Если фиксируют режим холостого хода СТ и БТН в этом режиме отсутствует, то на выходе БОР формируют логический сигнал «1», иначе - логический сигнал «0».
БДЗ представляет собой цифровую ДЗ СТ с торможением от токов плеч ДЗ, то есть при помощи этого блока входные сигналы обрабатывают тем же образом, что и в прототипе. В случае, если в результате такой обработки сигналов фиксируют аварийный режим, то на выходе БДЗ формируют сигнал на отключение СТ.
n.уст
С помощью БРУП определяют текущую кратность ПВ СТ по замеренным значениям U и ƒ по напряжению на основной обмотке ТН. По текущей кратности ПВ рассчитывают значение уставки по длительности бестоковой паузы t.
n.уст
n
С помощью РО производят сравнение рассчитанного значения бестоковой паузы в дифференциальном токе со значением уставки. На выходе РО формируют логический сигнал «1» при превышении t над t иначе на выходе РО формируют логический сигнал «0». Формирование сигнала «1» осуществляют спустя время, несколько превышающее период промышленной частоты.
При помощи БФУП производят операцию логического умножения входных сигналов блока и формируют команду на отключение СТ, если все входы БФУП являются логическими единицами, иначе - команду на отключение не формируют.
n.уст
n.расч
Значение t рассчитывают следующим образом. С помощью БРУП производят расчет предельного угла бестоковой паузы θ при текущем значении кратности ПВ М, рассчитанной по напряжениям от измерительного ТН, по следующей формуле для случая, когда измерительные ТТ со стороны СТ, подключенной к источнику питания, соединяют по схеме «звезда» [Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.]:
n.расч
В случае, если измерительные ТТ со стороны СТ, подключенной к источнику питания, соединяют по схеме «треугольник», то θ рассчитывают по формуле:
max
max
max
max
Значение M соответствует такой кратности ПВ, когда ток намагничивания СТ превышает ток холостого хода СТ в нормальном режиме и, попадая в дифференциальную цепь, может повлечь срабатывание чувствительной ДЗ. Согласно [Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.], такое пороговое значение M для СТ с сердечником из горячекатаной стали и магнитопроводов с отверстиями для стяжных шпилек принимают равным 1,38, а для СТ с сердечником из холоднокатаной стали принимают пороговое значение M равным 1,21. Однако желательно для каждого отдельного случая принимать значения M, рекомендованные производителем защищаемого СТ.
n.расч
Длительность бестоковой паузы t при текущем значении М рассчитывают как
с
где ω - круговая частота сети, рад/с.
Значение уставки по длительности бестоковой паузы определяют по формуле:
н
где K>1 - коэффициент надежности.
n.уст
Когда информация о текущей кратности ПВ становится недостоверной, что фиксируют в случае срабатывания КИН (когда блок КИН выдает сигнал «1») уставку по выдержке времени t изменяют так, чтобы уставка соответствовала бестоковой паузе в рабочем сигнале при такой кратности ПВ, выше которой необходимо отключение СТ без выдержки времени. В работе [Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.] рекомендуется в качестве этого значения принимать кратность ПВ, допустимую в течение 2,5 секунд. Таким образом, защиту не выводят из действия при аварии в измерительных цепях напряжения, однако этого достигают путем снижения ее чувствительности к развивающимся ВЗ.
С помощью БОР распознают переход СТ в режим отсутствия нагрузки следующим образом. Если предположить, что ДЗ имеет N плеч, то переход защищаемого СТ в режим холостого хода выявляют по выполнению следующего условия для не менее чем N-1 числа плеч ДЗ и для всех соответствующих им фаз:
где I - измеренное действующее значение тока, А;
уст
I - уставка по току для определения режима холостого хода, А;
уст
t - время, в течение которого выполняется условие I<I, с;
уст
t - уставка по времени, при превышении которой фиксируют переход СТ в режим отсутствия передачи мощности, с.
уст
уст
уст
уст
Значение уставки t принимают равным 2÷3 периода промышленной частоты или более. Значение I выбирают с небольшим запасом большим тока холостого хода СТ в нормальном режиме. Если фиксируют появление тока выше этого значения в двух или более плечах ДЗ, то считают, что СТ перешел режим передачи мощности и выявление ВЗ в режиме ПВ прекращают, формируя при этом логический нуль на выходе БОР. При помощи БОР также определяют отсутствие БТН в режиме холостого хода СТ, контролируя отсутствие четных гармоник в невыпрямленном дифференциальном токе. Несмотря на то, что в токе намагничивания при броске содержатся бестоковые паузы, они исчезают при насыщении измерительных ТТ. Обеспечение правильной работы защиты от ВЗ при ПВ, выполненной на времяимпульсном принципе, в этом случае потребует значительного усложнения защитного алгоритма, поэтому выявлять ВЗ при ПВ целесообразно только после завершения переходных процессов в защищаемом СТ. Завершение переходных процессов в СТ выявляют средствами гармонического анализа дифференциального тока. Считают, что БТН отсутствует, если процентное содержание четных гармоник не превышает 10% от содержания основной гармоники, в противном случае на выходе БОР формируют сигнал «0». Также считают, что БТН отсутствует, если действующее значение токов плеч в N плечах ДЗ меньше значения I в течение времени как минимум t. Если фиксируют отсутствие нагрузки и отсутствие БТН, то на выходе БОР формируют логическую единицу.
Таким образом, в соответствии с предложенным способом, ВЗ выявляют с помощью основной ДЗ СТ с торможением, когда режим ПВ отсутствует, и при помощи времяимпульсного принципа, когда СТ входит в режим ПВ. Совместное применение двух указанных принципов позволяет использовать преимущества каждого из них и одновременно с этим устранить их недостатки. Применение основной ДЗ с торможением малоэффективно при ПВ, поскольку уставка чувствительной защиты должна быть завышена для обеспечения несрабатывания ДЗ при ПВ или же при меньшей уставке ДЗ должна блокироваться при выявлении ПВ (что имеет место в прототипе), что вызывает снижение чувствительности к ВЗ в этом режиме. Поэтому в режиме отсутствия передачи мощности через СТ, то есть именно тогда, когда в большинстве случаев имеет место режим ПВ (включение ненагруженного СТ через длинную питающую линию, повышение напряжения на стороне низшего напряжения СТ блока в результате отключения генератора от энергосистемы и его останова при ошибочно включенном автоматическом регуляторе возбуждения и т.п.), ВЗ выявляют с помощью времяимпульсного принципа, при этом уставку по бестоковой паузе корректируют в зависимости от текущей кратности ПВ СТ, что позволяет защите эффективно выявить развивающиеся ВЗ и при этом не срабатывать в режиме ПВ. Использование измерительных цепей напряжения отрицательно влияет на надежность предлагаемого способа. Однако в случае повреждения измерительных цепей напряжения уставка по бестоковой паузе в дифференциальном токе уменьшается до значения, при котором защита не срабатывает при такой кратности ПВ, выше которой необходимо отключение СТ без выдержки времени. Чувствительность защиты от ВЗ в этом режиме несколько снижается, однако все равно остается выше, чем у прототипа, поскольку защиту не выводят из действия.
Таким образом, технический результат - повышение чувствительности ДЗ к ВЗ в режиме ПВ СТ - достигнут.