УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА СО СХЕМОЙ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК Y/Y
BACKUP OVERCURRENT PROTECTION OF TRANSFORMER WITH Y/Y WINDING CONNECTION

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите, и может быть использовано для резервной защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y от двухфазных коротких замыканий на стороне низшего напряжения.
Известно устройство резервной максимальной токовой защиты трансформатора с комбинированным пуском по напряжению (Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учеб. для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2006. - 639 с.: ил.). Однако оно обладает недостаточной чувствительностью при удаленных двухфазных коротких замыканиях (КЗ) на стороне низшего напряжения трансформатора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y, содержащее первый, второй, третий преобразователи тока в напряжение (ПТН), подключенные к трансформаторам тока фаз А, В, С на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора, первый, второй, третий выпрямители, максиселектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения, реле времени, промежуточное реле (Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с.: ил.).
н
K
H
Недостатком устройства является малая чувствительность к КЗ на присоединениях, отходящих от шин низшего напряжения защищаемого трансформатора, обусловленная большим сопротивлением этого присоединения (например, трансформатор малой мощности). Кратность тока такого КЗ к максимальному току I нагрузки трансформатора может оказаться на уровне 0,15-0,2, в то время как устройство способно реагировать на ток КЗ I≥1,4·I.
Технический результат изобретения - повышение чувствительности резервной защиты трансформатора с соединением обмоток Y/Y к несимметричным коротким замыканиям на стороне низшего напряжения.
Технический результат достигается тем, что в устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y, содержащее первый, второй, третий преобразователи тока в напряжение (ПТН), подключенные к трансформаторам тока фаз А, В, С на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора, первый, второй, третий выпрямители, максиселектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения, реле времени, промежуточное реле, дополнительно введены первый, второй, третий вычитатели, первый, второй, третий сумматоры, четвертый, пятый, шестой выпрямители, первый, второй, третий делители, усилитель, причем выход первого ПТН подключен к первым входам первого вычитателя и первого сумматора, ко вторым входам третьего вычитателя и третьего сумматора, выход второго ПТН - к первым входам второго вычитателя и второго сумматора, ко вторым входам первого вычитателя и первого сумматора, выход третьего ПТН - к первым входам третьего вычитателя и третьего сумматора, ко вторым входам второго вычитателя и второго сумматора, выход первого (второго, третьего) вычитателя подключен ко входу первого (третьего, пятого) выпрямителя, выход первого (второго, третьего) сумматора - ко входу второго (четвертого, шестого) выпрямителя, выходы первого и второго (третьего и четвертого, пятого и шестого) выпрямителей подключены к первому (второму, третьему) делителю, выходы делителей - ко входам максиселектора, выход максиселектора подключен ко входу усилителя, выходы усилителя и источника опорного напряжения подключены ко входам порогового устройства, выход порогового устройства подключен ко входу реле времени, выход реле времени - к промежуточному реле.
Устройство содержит (см. чертеж) первый, второй, третий ПТН 1, 2, 3 для фаз А, В, С, первый, второй, третий вычитатели 4, 5, 6, первый, второй, третий сумматоры 7, 8, 9, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой выпрямители 10, 11, 12, 13, 14, 15, первый, второй, третий делители 16, 17, 18, максиселектор 19, усилитель 20, источник опорного напряжения (ИОН) 21, пороговое устройство 22, реле 23 времени, промежуточное реле 24, причем входы ПТН 1 (2, 3) подключены к трансформаторам тока фаз А (В, С) на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора, выход ПТН 1 подключен к первым входам вычитателя 4 и сумматора 7, ко вторым входам вычитателя 6 и сумматора 9, выход ПТН 2 - к первым входам вычитателя 5 и сумматора 8, ко вторым входам вычитателя 4 и сумматора 7, выход ПТН 3 - к первым входам вычитателя 6 и сумматора 9, ко вторым входам вычитателя 5 и сумматора 8, выход вычитателя 4 (5, 6) подключен ко входу выпрямителя 10 (12, 14), вход выпрямителя 11 (13, 15) - к выходу сумматора 7 (8, 9), первый вход делителя 16 (17, 18) подключен к выходу выпрямителя 10 (12, 14), второй вход - к выходу выпрямителя 11 (13, 15), выходы делителей 16, 17, 18 подключены ко входам максиселектора 19, выход которого подключен ко входу усилителя 20, первый вход порогового устройства 22 подключен к выходу усилителя 20, второй - к выходу ИОН 21, выход порогового устройства 22 - ко входу реле 23 времени, выход которого - ко входу промежуточного реле 24.
Устройство работает следующим образом.
I
I
I
I
I
I
I
I
I
A
B
B
C
C
A
A
B
C
В любом режиме в ПТН 1, 2, 3 производится преобразование тока в напряжение. В вычитателях 4, 5, 6 находятся разности напряжений, соответствующих токам  и , и ,  и  (, ,  - токи фаз А, В, С на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора), в сумматорах 7, 8, 9 - суммы напряжений, соответствующих этим же токам. Напряжения на выходе вычитателей 4, 5, 6 и сумматоров 7, 8, 9, пропорциональные соответственно разности и сумме фазных токов, выпрямляются выпрямителями 10, 11, 12, 13, 14, 15, после чего делители 16, 17, 18 находят их отношения. На выходе делителей 16, 17 и 18 появляются напряжения, пропорциональные значениям выражений (I):
и
Максимальное из этих напряжений подается максиселектором 19 на вход усилителя 20, где оно линейно увеличивается до значения, удобного для дальнейших операций (к примеру, если максимальное из выражений (1) равно 1, то на выходе усилителя 20 появляется напряжение 1В). Затем в пороговом устройстве 22 полученное напряжение сравнивается с опорной величиной U на выходе ИОН 21. Если оно превышает опорную величину, то пороговое устройство 22 подает сигнал на реле 23 времени, которое, спустя выдержку времени, подает сигнал на промежуточное реле 24, действующее на отключение выключателя защищаемого трансформатора.
В режиме симметричной нагрузки токи в фазах приблизительно равны. Поэтому в этом режиме:
I
I
A
B
Соответственно на выходе усилителя 20 устанавливается напряжение 1,73 В. Величину опорного напряжения на выходе ИОН 21 необходимо выбирать из условия допустимой несимметрии токов в нормальном режиме. Если наибольший и наименьший вектора токов в фазах А, В, С по амплитуде отличаются на 10% (например  и ), то в соответствии с (1) можно записать:
отс
Напряжение на выходе ИОН 21, соответствующее этой несимметрии с учетом коэффициента отстройки k=1,1, получается следующим:
U=1,1·1,74=1,9≈2,0 B.
Оно и принимается к установке на ИОН 21. Поскольку в нормальном режиме наибольшее из отношений (1) равно 1,74, пороговое устройство 22 на своем выходе сигнал не выдает, и устройство не работает.
В режиме двухфазного КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора, например между фазами В и С, токи в фазах А, В, С на стороне его высшего напряжения:
I
I
I
I
I
A
B
K
C
K
=0; =; =-,
I
K
где  - ток короткого замыкания, приведенный к стороне высшего напряжения.
Поскольку погрешности трансформаторов тока при КЗ могут достигать 10%, примем:
I
I
I
I
I
A
B
K
C
K
=0; =0,9·; =-.
Тогда значения отношений (1) следующие:
Напряжение в вольтах на выходе усилителя 20, численно равное максимальному из значений, полученных по формулам (2), превышает напряжение U на выходе ИОН 21, пороговое устройство 22 подает сигнал на реле 23 времени, которое, доработав, подает сигнал на промежуточное реле 24. Оно, в свою очередь, подает сигнал на отключение защищаемого трансформатора.
Оценить чувствительность защиты можно по минимальному току двухфазного КЗ  на который она способна реагировать. Для этого наложим на симметричные токи нагрузки Iн ток короткого замыкания в фазах В и С, представляя его как
H
К
BC
H
K
H
K
где φ - угол между током и напряжением фазы А, φ - угол между током двухфазного КЗ и междуфазным напряжением Е, k - кратность тока КЗ по отношению к максимальному току нагрузки. При расчетах удобнее использовать разность φ и φ. Поэтому введем угол φ=φ-φ. После подстановки в (1) токов из (3) и ряда элементарных математических преобразований, получим условие срабатывания защиты:
При cos(φ)=1 и U=2B из (4) имеем:
k>0,14.
Таким образом, данная защита способна реагировать на удаленные двухфазные КЗ за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Y с минимальным током  (защита, принятая за прототип, распознает двухфазные КЗ с минимальным током
Применение предлагаемого устройства позволяет выявлять удаленные двухфазные КЗ за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Y с токами, значительно меньшими номинальных.
Технико-экономическая эффективность заключается в том, что предлагаемое устройство позволяет исключить возможность разрушения трансформатора, коммутационных элементов при удаленных двухфазных КЗ на стороне низшего напряжения при отказе или недостаточной чувствительности основных защит.