Введение в дифференциальную защиту
Трансформаторы являются важными системными компонентами, доступными во многих конструкциях. Диапазон высоковольтных трансформаторов достигает от небольших распределительных трансформаторов (от 100 кВА) до крупных трансформаторов, имеющих несколько сотен МВА.
Существенную физику, лежащую в основе дифференциальной защиты трансформатора, которую вы должны знать (фото: Kam Abbott через Flickr)
Помимо большого количества простых двух- и трехмоторных трансформаторов, существует целый ряд сложных конструкций в виде многомоторных и регулирующих преобразователей.
Дифференциальная защита обеспечивает быструю и выборочную защиту от короткого замыкания самостоятельно или в качестве дополнения к защите Buchholz (газ).
Обычно он применяется на трансформаторах, прибл. 1 МВА. На больших блоках выше ок. 5 МВА стандартно.
Дифференциальная защита трансформатора содержит ряд дополнительных функций (адаптация к коэффициенту трансформации и векторной группе, стабилизация против притока и чрезмерного возбуждения), и поэтому требует фундаментального рассмотрения для расчета конфигурации и установки.
Существенная физика
Чтобы лучше понять реакцию защиты во время коротких замыканий и переключений, физические принципы трансформатора изначально подробно рассматриваются.
- Эквивалентная схема трансформатора
- Пусковой
- Симпатическая в-спешке
- Блокирование вторжений
- Перекрестная блокировка
- Трансформатор сверхвысокий
1. Эквивалентная схема трансформатора
Первичная и вторичная обмотка связаны через магнитный сердечник с помощью основного потока Φ Рисунок 1. Для получения потока требуется ток намагничивания (ток возбуждения) I m в соответствии с кривой намагничивания.
Рисунок 1 - Эквивалентная схема трансформатора
В электрической эквивалентной схеме это требование возбуждения соответствует основному сопротивлению X m. Поток утечки Φ σ1 и Φ σ2 связаны только с их собственными обмотками и составляют реактивные сопротивления утечки X σ1 и X σ2.
R 1 и R ' 2 являются соответствующими сопротивлениями обмотки. Все токи и импедансы относятся к первичной стороне.
X m = U / I m соответствует наклону кривой намагничивания. Во время нагрузки, особенно в случае короткого замыкания, рабочая точка находится ниже точки колена в крутой части кривой.
Ток намагничивания при номинальном напряжении составляет всего ок. 0, 2% I n, т. Е. В ненасыщенном сегменте кривой X m составляет ок. В 500 раз больше номинального импеданса трансформатора и прибл. В 5000 раз больше реакций утечки.
Поэтому при нагрузке и коротком замыкании для расчетов можно использовать упрощенную эквивалентную схему (рис. 2).
Рисунок 2 - Упрощенная схема эквивалентного трансформатора
Реактивное сопротивление серии X T соответствует напряжению короткого замыкания в% относительно номинального импеданса трансформатора:
Сопротивление серии соответствует омическому напряжению короткого замыкания в%, а также основано на номинальном импедансе. Для расчета тока короткого замыкания сопротивлением можно пренебречь, его следует учитывать только при вычислении постоянной времени постоянного тока.
В таблице 1 приведены типичные данные трансформатора.
Таблица 1 - Типичные данные трансформатора
|
Рейтинг (МВА) |
Коэффициент трансформации (КВ / кВ) |
Короткое замыкание напряжение u xt (%) |
Ток разомкнутой цепи (% I N) |
| 600 | 400/230 | 19 | 0, 25 |
| 300 | 230/110 | 24 | 0, 1 |
| 40 | 110/10 | 17 | 0, 1 |
| 16 | 30/10 | 8, 0 | 0.2 |
| 6, 3 | 30/10 | 7, 5 | 0.2 |
| 0, 63 | 10 / 0, 4 | 4, 0 | 0, 15 |
Вернуться к содержанию ↑
2. В-спешке
При подаче напряжения на трансформатор возникает одностороннее сверхвозбуждение из-за остатка, вызывающего большой ток намагничивания (ток в прямом направлении).
Флюс не возвращается к нулю, когда трансформатор выключен, но остается в точке останова Φ Rem, которая может быть выше 80% от номинальной индукции. Когда трансформатор снова активируется, в этот момент начинается увеличение потока. В зависимости от момента подачи энергии на синусоидальное напряжение (точка на волне) может возникнуть нерегулируемый ход потока.
Для больших значений потока в диапазоне насыщения требуется очень большой ток намагничивания, и это приведет к появлению пиков циклического тока.
Форма кривой соответствует синусоидальным полуволнам простого полуволнового выпрямленного переменного тока, который распадается с очень большой постоянной времени (рис. 3 ниже).
Рисунок 3 - Происхождение тока в прямом направлении
Ток течения особенно велик, когда сердечники из холоднокатаной стали с номинальной индукцией (от 1, 6 до 1, 8 Тесла) работают вблизи индукции насыщения (около 2 Тесла).
На трехфазном трансформаторе будет получен трехфазный ток течения, который зависит от группы векторов и метода заземления звезды на трансформаторе.
В общем случае две фазы будут насыщаться и вытягивать большие намагничивающие токи. На трансформаторах звезда-треугольник эти токи подключаются к ненасыщенной фазе через дельта-обмотку.
Это приводит к типичным токам пика, как показано на рисунке 5.
Токовые токи в трех фазах могут быть рассчитаны на основе требуемой намагниченности (I мА и I mC) двух насыщенных ядер-конечности A и C с данными уравнениями. Таким образом, ток на фазе В соответствует току в обмотке дельта I D. Показанная осциллограмма вхождения в прямом направлении подтверждает расчетные кривые.
Амплитуда и постоянная времени зависят от размера трансформатора (см. Рисунок 4).
Рисунок 4 - Типичный ток течения дельта-трансформатора звезды
Следует отметить, что аналогичный ток течения также возникает, когда внешнее короткое замыкание отключается, а трансформатор снова намагничивается восстановлением напряжения.
Однако он существенно меньше, чем при подаче тока после включения трансформатора.
Рисунок 5 - Типичные текущие текущие данные
Большие пиковые токи могут также возникать, когда асинхронные системы переключаются вместе через трансформатор, так как большая разность напряжений может вызвать переходное насыщение активной зоны.
Вернуться к содержанию ↑
3. Симпатическая лихорадка
Когда трансформаторы были подключены параллельно, было замечено, что дифференциальная защита трансформатора, находящегося в эксплуатации, выдает поездку.
Причиной этого является симпатический ток в прямом направлении, который возникает из-за тока течения трансформатора, который находится под напряжением (рис. 6).
Рисунок 6 - Симпатический пусковой ток
Падение напряжения, возникающее из-за начального тока токовой перегрузки по сопротивлению источника входного сигнала, влияет на второй трансформатор параллельно и вызывает симпатический ток в прямом направлении (I 2).
Ток из системы (I T) быстро распадается. Однако ток все еще циркулирует между двумя трансформаторами из-за малого затухания (большая постоянная времени τ = X / R обмоток).
Вернуться к содержанию ↑
4. Блокировка вторжения
Ток в потоке течет в защищенный объект с одной стороны и появляется как внутренняя ошибка. Поэтому дифференциальная защита трансформатора должна быть стабилизирована против этого явления.
Большое количество второй гармоники в потоке течения уже использовалось с обычной защитой для этой цели. Вторая гармоника фильтруется из дифференциального тока (рабочий ток) с помощью фильтра и затем используется в качестве дополнительного удерживающего тока в измерительном мостике.
Когда он был выше примерно 15% по отношению к основному значению 50 (60) Гц, было введено очень большое дополнительное ограничение для предотвращения отключения.
Другие производители сравнивали компоненты 100 (120) и 50 (60) Гц непосредственно с отдельной мостовой схемой, которая затем непосредственно блокировала защиту, как это делается в программном обеспечении цифровой защиты.
Компонент 100 (120) Гц в импульсном токе зависит от ширины основания синусоидальных крышек (как показано на рисунке 7).
Он уменьшается по мере увеличения ширины базы B.
Исследования показали, что ширина основания, превышающая 240 °, практически никогда не возникает на практике, что подразумевает минимальную составляющую второй гармоники 17, 5%. Таким образом, настройка на 15% имеет смысл для блокировки вторжения.
3-я гармоника не может быть использована для блокировки вторжения, поскольку она сильно представлена в токе короткого замыкания, когда происходит насыщение КТ.
Рисунок 7 - Гармоническое содержание токового тока
Более чувствительная настройка, чем 15% второй гармоники, обычно не должна применяться, поскольку отключенный ток короткого замыкания также будет иметь вторую гармоническую составляющую в случае насыщения КТ.
В редких случаях, например, при слабом подаче, может возникать мягкая энергия с очень малой составляющей второй гармоники. В этих условиях может быть рассмотрена уменьшенная установка, например, 12%. Однако предпочтение следует отдавать функции кросс-блокировки.
Вернуться к содержанию ↑
5. Кросс-блокировка
Эта функция, которая уже была применена в обычных реле, теперь доступна во всех числовых реле и может быть активирована, если это необходимо.
Он учитывает, что компонент второй гармоники в отдельных фазах различен и может быть недостаточным в фазе с наименьшим компонентом для активации блокировки.
Поэтому измерительная система во всех фазах блокируется, когда одна фаза обнаруживает условие блокировки спешки.
Вернуться к содержанию ↑
6. Трансформатор сверхпотока
Если трансформатор работает с чрезмерно высоким напряжением, то требуемая намагниченность также увеличивается. Намагничивающий ток резко возрастает, когда рабочая точка на кривой намагничивания близка к точке насыщения.
Форма волны становится все более искаженной с увеличением нечетного содержания гармоник (как показано на рисунке 8).
Рисунок 8 - Намагничивающий ток в случае переполнения трансформатора
Увеличенный ток намагничивания появляется в качестве тока отключения в дифференциальной защите с большим перенапряжением. Это может привести к отключению, в зависимости от конфигурации трансформатора.
В системе могут возникать перенапряжения из-за распределения потока реактивной мощности в случае проблем с устройством РПН или после сброса нагрузки. Это особенно справедливо для географически больших систем с длинными линиями.
Одним из важных моментов является выключение электростанции в условиях полной нагрузки, что приводит к серьезному перенапряжению на блочном трансформаторе в результате большого возбуждения генератора.
Трансформатор может переносить чрезмерное возбуждение, которое вызывает нагрев в течение заданного времени без повреждения. В течение этого времени регулирование системы должно гарантировать, что напряжение вернется в допустимый диапазон.
Только если этого не происходит, необходимо изолировать трансформатор специальной защитой от возбуждения, имеющей задержку времени, зависящую от U / f. Отключение дифференциальной защиты с быстрым измерением из-за этих условий следует избегать любой ценой.
Таким образом, современные числовые реле обеспечивают интегральную блокировку поездки в случае чрезмерного возбуждения (перенапряжения). Он основан на большой 5- й гармонической составляющей в токе отключения, который явно указывает на перенапряжение. Отключение блокируется, когда отношение I 150 Гц / I 50 Гц превышает заданное значение.
Для этой настройки следует отметить, что компонент 5- й гармоники снова уменьшается, если перенапряжение очень велико (рис. 8). Типичная настройка - 30%.
Если перенапряжение очень велико, блокировка более нечувствительна, так как трансформатор находится под угрозой. Таким образом, блокировка снова может быть повторно установлена, когда компонент 5-й гармоники находится выше установленного отношения компонента 50 Гц, что увеличивается по мере увеличения перенапряжения.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Цифровая дифференциальная защита Герхарда Циглера