Дифференциальная защита трансформатора

Когда вы спрашиваете одного из опытных инженеров-реле, какое защитное реле никогда не будет выведено из эксплуатации на силовом трансформаторе, ответ всегда будет: дифференциальное реле. Хотя линии могут быть повторно замкнуты, а шинопроводы могут быть разделены, отказ трансформатора, который не был автоматически устранен, приводит к разрыву бака, возгоранию масла и длительному отключению. Дифференциальная защита — это самая быстрая и наиболее селективная защита, доступная для этого типа отказа, именно поэтому современное дифференциальное реле срабатывает в течение 20 миллисекунд.

Теперь мы опишем на практическом уровне, что включает зона, как реле принимает решения, каковы настройки защиты и как подключены ТТ в зависимости от конструкции обмотки рассматриваемого трансформатора. Если вы ищете трансформаторы или панели реле, а не реле, последние два абзаца будут вам интересны.

Краткий ответ: Дифференциальная защита трансформатора работает путем сравнения тока, поступающего в трансформатор, с током, выходящим из трансформатора. Если все в порядке, то оба тока будут одинаковыми; однако, если ток несбалансирован, реле сработает. Соответствующий код ANSI — 87T. Однако во многих системах используется схема дифференциальной защиты с процентным смещением, с установкой срабатывания примерно на уровне 20-30% от номинального тока трансформатора.

Зона, которую она защищает — и граница, которая имеет наибольшее значение

Система дифференциальной защиты защищает любое оборудование, расположенное между двумя наборами токовых трансформаторов. Что касается трансформатора с двумя обмотками, это охватывает обмотки, сердечник, переключатель отводов, внутренние провода и вводы до точки установки ТТ. Однако линии, идущие вниз, и системы шин высокого напряжения, которые подают электричество на трансформаторы, не включены в эти схемы.

Вот почему размещение токовых трансформаторов, возможно, является самым важным аспектом проектирования всей системы. Если высоковольтный ТТ расположен слишком далеко от трансформатора, то любой отказ, происходящий в проводе между распределительной комнатой и трансформатором, будет вне зоны действия как дифференциального реле, так и трансформатора, и для покрытия этого участка провода потребуются дополнительные устройства защиты от замыкания на землю или перегрузки. Обеспечение максимальной близости двух токовых трансформаторов к трансформатору фактически устраняет разрыв.

Как работает дифференциальный принцип

Концепция удивительно проста. Фактические принципы трансформатора не имеют значения; так же просто, трансформатор можно описать как устройство передачи тока. Поэтому токи на вторичных сторонах ТТ должны быть идентичными. Реле затем “ищет” аномалию или разницу, которой не существует. Это равенство сохраняется только в том случае, если сами ТТ правильно подобраны и подключены, что означает, что схема наследует каждую ошибку, допущенную в цепи ТТ — общая Методы подключения ТТ, используемые в защитных схемах стоит правильно настроить перед всем остальным.

Рабочий ток в основном является векторной суммой двух вторичных токов, производимых токовыми трансформаторами:

Iop= |I1сек– I2сек|

После появления неисправности внутри трансформатора появляется третья составляющая, которая не учитывалась трансформаторами, следовательно, сумма больше не может быть равна нулю. Но есть два фактора, которые усложняют ситуацию, потому что трансформатор всегда имеет магнитную ветвь, поэтому существует небольшое несоответствие, которое на самом деле является утечкой или несоответствующим током, даже когда система работает правильно. То же самое можно сказать о соотношениях трансформатора и работе оборудования для отборов, которые также обычно не одинаковы для всех трансформаторов, сталкивающихся с одной и той же ситуацией.

Таким образом, единственным полезным реле, которое можно придумать сегодня, может быть реле с смещением. Стоит упомянуть, что каждый токовый трансформатор производит ток ограничения, используя большее значение из двух токов (или их среднее). Это означает, что в нормальных условиях, даже если есть небольшая разница, ток остается в пределах токов ограничения. Когда существует реальная неисправность, реле работает идеально.

Кроме того, большинство реле также включает специальный элемент, который реагирует немедленно при очень высоком уровне тока (до 20 раз больше, чем уровень оборудования для отборов). Этот элемент необходим, потому что при очень высоких уровнях тока неисправности токовый трансформатор с одной стороны может так сильно насыщаться, что измерение с смещением дает сбой.

Настройки с процентным смещением, которые фактически используются

Руководства по реле показывают огромное количество вариаций, что не очень полезно, когда вы сталкиваетесь с контрольным списком ввода в эксплуатацию реле. Вот настройки, которые чаще всего используются на практике для стандартного реле 87T:

• Срабатывание (Id или Is1): 20–30% от номинального уровня тока трансформатора. Выберите 30%, если ТТ низкого класса или если нагрузка несбалансирована, при этом настройка 20% используется только тогда, когда ТТ и проводка хорошо согласованы.
• Угол наклона 1: 25–40%, для диапазона один, который соответствует нормальной нагрузке и умеренной неисправности.
• Угол наклона 2: 50–80%, для диапазона два, когда ток неисправности примерно в 2–4 раза выше номинального тока. Этот диапазон соответствует насыщению ТТ во время сильной внешней неисправности.
• Блокировка второго гармонического: 15–20%, используется для блокировки реле при возбуждении, чтобы оно не срабатывало из-за явления пускового тока.
• Блокировка пятого гармонического: 20–35%, используется для блокировки при работе в режиме перенапряжения.
• Мгновенная высокая установка: 8–20 × отбор, без гармонической блокировки.

Настройка второго гармонического значения также заслуживает предупреждения. Обычное блокирование, похоже, предполагает наличие второго гармонического значения в токе при пуске. Традиционная технология сердечников, использующая высокосиликоновую сталь, работает на этом предположении, но современные технологии сердечников трансформаторов, такие как аморфные металлы, значительно снизили наличие второго гармонического значения в токе при пуске. Таким образом, блокировка реле на 15% на таких трансформаторах может привести к ложным срабатываниям после включения. Общие решения включают перекрестное блокирование или детекцию на основе формы волны для тока при пуске. Поэтому, если вы указываете реле для трансформатора с низкими потерями, обязательно уточните, какой метод использует поставщик.

Подключения ТТ для дельта, звезда и зигзаг обмоток

Здесь мы можем увидеть разницу между классическими и современными схемами и источником многих ошибок при вводе в эксплуатацию.

В классических электромеханических схемах подключение ТТ такое же, как и подключение трансформатора. Для трансформаторов Dyn11 ТТ на стороне высокого напряжения имеют звездообразное подключение, а ТТ на стороне низкого напряжения имеют дельтовое подключение. Дельтовое подключение решает две проблемы одновременно: оно отменяет фазовый сдвиг на 30 градусов, вызванный дельтовой обмоткой трансформатора, и блокирует нулевой последовательный ток от прохождения через реле при наличии внешнего заземляющего короткого замыкания.

В числовом реле все ТТ подключены с помощью звездообразного подключения. Фазовый сдвиг, соответствие коэффициентов и фильтрация нулевой последовательности выполняются программным обеспечением. Проводка таким образом становится проще, а тестирование легче, однако это также создает одну точку, которая часто упускается из виду: реле должно блокировать нулевой последовательный ток с помощью программного обеспечения так же, как это делало дельтовое подключение в аппаратном обеспечении. Неактивация этого фильтра может привести к тому, что цепь ТТ будет работать под воздействием внешнего заземляющего короткого замыкания, что приведет к срабатыванию реле. Убедитесь, что настройки проверены; большинство компаний предоставляют это, но не всегда включают по умолчанию.

Независимо от технологии, необходимо соблюдать три правила:

• Коэффициенты должны совпадать. Коэффициент ТТ должен быть выбран таким образом, чтобы токи были 10% близки друг к другу с обеих сторон на номинальном отводе, чтобы избежать потери запаса.
• Необходимо учитывать переключатель отводов. Трансформатор с ±10% отводами изменяет свой коэффициент на 20% от конца до конца, и это различие должно быть учтено в характеристиках наклона реле; если оно будет слишком крутым, то чувствительность будет жертвоваться.
• Необходимо соблюдать полярность. Конвенция заключается в том, что все ТТ направлены к трансформатору. Если вы измените ориентацию одной из пар ТТ, то вместо разности реле будет распознавать общий ток.

Если вы работаете с проводкой на незнакомом устройстве, этот обзор как подключить трансформаторные дельта и звезда соединения охватывает обмоточную сторону той же проблемы, что полезно, когда вы сравниваете чертежи с табличкой.

Дифференциальная защита против REF — и где схема оказывается недостаточной

Защита от ограниченного земляного короткого замыкания, которая также называется ANSI 64REF или просто REF, считается “дифференциальной защитой одной обмотки”. Это вполне верно, поскольку REF — это схема с высоким импедансом, измеряющая ток, протекающий к звёздной точке одной обмотки, по сравнению с током, возвращающимся через фазовые трансформаторы тока (CT). Поскольку она обнаруживает ток только в одной обмотке, она гораздо более чувствительна, чем вся дифференциальная схема, обычно будучи примерно в десять раз более чувствительной.

Почему нужны обе? Потому что в случае короткого замыкания на землю, которое происходит рядом с нейтралью одной звёздной обмотки, ток будет мал, и большая его часть будет циркулировать в самой обмотке, а не проходить через дифференциальную зону. Общий реле 87T не может это увидеть. REF может.

Мы должны перечислить основные недостатки дифференциальной защиты, так как они определяют настройки:

• Насыщение трансформаторов тока (CT) в случае внешних коротких замыканий. Сильное внешнее короткое замыкание может привести к насыщению одной цепи CT, тем самым формируя ложный дифференциальный ток. В этом случае можно использовать смещение, другой наклон работы и CT с достаточной нагрузкой.
• Несоответствие фазного соотношения. Каждая мера компенсации приводит к снижению чувствительности системы.
• Регулируемый диапазон переключателя отводов. Чем больше диапазон переключателя отводов, тем больший дифференциальный ток должен быть допустим, следовательно, должен использоваться более высокий наклон работы.
• Входной ток и перенапряжение. Проблема решается с помощью гармонического ограничения, что приводит к снижению чувствительности устройства.
• Слепые зоны. Короткие замыкания находятся за пределами зоны CT, что делает их невидимыми.
• Целостность цепи CT. Я считаю, что в большинстве случаев проблема не возникает из-за работы трансформатора, а по другим причинам, связанным с работой цепи.

Для понимания того, как обнаружение земляного короткого замыкания построено на другой принцип, трансформатор тока с балансом сердечника является полезным контрастом: он обнаруживает остаточный ток, а не дифференциальный ток, и его можно использовать для кабельного или моторного земляного короткого замыкания, где дифференциальной зоны не существует.

Пусконаладочные и текущие проверки

При установке дифференциального реле важно провести пусконаладочные испытания, чтобы предотвратить проблемы в будущем. Ниже приведены минимальные требования, которые необходимо выполнить во время испытаний:

• Проверьте соотношение и полярность трансформаторов тока (CT) с обеих сторон в соответствии со схемами подключения. Метод первичного инжектирования является предпочтительным.
• Проверьте, что вторичные токи CT сбалансированы под нагрузкой; сохраните измеренный ток утечки.
• Подтвердите стабильность, инжектируя ток, равный внешнему токе короткого замыкания. Реле не должно срабатывать.
• Подтвердите чувствительность: установите ток чуть выше допустимого значения реле и проверьте, что реле срабатывает как задумано.
• Проверьте блокировку гармоник с помощью инжектирования второй гармоники.
• Проверьте нагрузку CT и сравните с номинальной нагрузкой для CT.

После пусконаладочного этапа реле рутинные проверки включают очень простые шаги: измеряйте и сохраняйте ток утечки каждый год, изменяйте записи реле для каждого короткого замыкания и следите за тем, добавляются ли новые нагрузки к запасной катушке CT. Для более широкого взгляда на то, что еще входит в ежегодную рутину трансформатора, это контрольный список обслуживания трансформаторов разумный шаблон, который можно адаптировать к вашему собственному объекту.

Часто задаваемые вопросы

Что такое дифференциальная защита трансформатора?

Это план защиты, который измеряет количество электричества, поступающего в трансформатор, по сравнению с тем, что выходит из него. Когда обе энергии совпадают, это означает, что короткого замыкания нет; если есть какое-либо отклонение выше порогового значения, определенного для защиты, обнаруживается внутренний сбой, и реле отправляет сигнал отключения на автоматические выключатели трансформатора через блокирующее реле.

Каков код ANSI для дифференциальной защиты трансформатора?

Дифференциальному реле трансформатора присвоен номер 87T. В то время как 87 является общим кодом для всех дифференциальных реле, 87T указывает на то, что оно было разработано специально для использования с трансформатором. Некоторые другие коды, которые могут быть найдены на той же панели, это 87G или 64REF в отношении ограниченного заземляющего короткого замыкания, 87B для дифференциальной защиты шин, 50/51 для резервной защиты по времени, Buchholz или резкое давление 63, 49 для тепловой защиты и 24 для перенапряжения.

Как рассчитать дифференциальную защиту трансформатора?

Выполните процесс в пять этапов. В качестве примера возьмем трансформатор 10 МВА, 33/11 кВ, Dyn11.

• Рассчитайте номинальные токи. Первичный ток составляет 10,000 ÷ (√3 × 33) = 175 A, а вторичный ток составляет 10,000 ÷ (√3 × 11) = 525 A.
• Выберите соотношения CT. Соотношения CT 200/1 на стороне 33 кВ и 600/1 на стороне 11 кВ дают 0.875 A и 0.875 A вторичного тока, что является идеальным соответствием на номинальном отводе. Убедитесь, что несоответствие не превышает 10% по всему диапазону отводов.
• Определите значение срабатывания. Оно составит 0.25 × 0.875 ≈ 0.22 A; округлите его до ближайшего доступного шага, который составляет примерно 0.25 A.
• Рассчитайте ограничение. Значение ограничения составляет 4 × 0.875 = 3.5 A для тока, равного 4-кратному номинальному току. Угол наклона при 30% означает, что реле должно срабатывать при токе, превышающем 1.05 A.
• Проверьте мгновенный элемент. Для настройки отводов 10 он даст значение 2.5A.

Для какого номинала трансформатора рекомендуется дифференциальная защита?

В практике существуют вариации в зависимости от утилиты и важности устройства, но обычно соблюдаются следующие пределы. Для значений менее примерно 1 MVA можно использовать предохранители и реле перегрузки. Для значений от около 1 до 5 MVA дифференциальная защита начинает применяться в критических устройствах и трансформаторах, питающих завод. Для значений более 5 и особенно для тех, что превышают около 10 MVA, установка дифференциальной защиты становится обязательной. Существуют два исключения из этого правила. Один из случаев — когда трансформатор такого типа, что его замена является очень сложной и/или дорогостоящей операцией. Другой причиной может быть низкий уровень токов короткого замыкания по сравнению с мощностью трансформатора.

Ссылки

1. Электротехнический портал — Схема дифференциальной защиты трансформатора
2. Circuit Globe — Дифференциальная защита трансформатора
3. Electrical4U — Дифференциальная защита трансформатора и дифференциальные реле
4. IEEE Standards Association — IEEE Std C37.91, Руководство по применению защитных реле для силовых трансформаторов
5. SEL — Примечания по применению дифференциальной защиты трансформатора

Заключение

Дифференциальная защита сама по себе проста: сравните вход с выходом и настройте порог так, чтобы нормальные расхождения не активировали вашу защиту. Проблема заключается в деталях: правильное размещение CT, соответствие коэффициентов, фильтр нулевой последовательности, использование гармонического блока и диапазон переключателя отводов. При условии, что эти детали правильные, реле дифференциальной защиты будет работать идеально в течение длительного времени, активируясь только тогда, когда это необходимо. Если эти детали неверны, они окажутся ошибочными, как только трансформатор будет под напряжением.

В случае, если трансформатор, о котором идет речь, является тем, который вы закупаете, а не защищаете, то мы производим масляные трансформаторы и оборудование сухого типа с полной соответствующей испытательной документацией, таким образом, у вас есть вся необходимая информация на табличке для выбора CT и настройки реле до отправки трансформатора. Вы можете запросить коммерческое предложение на трансформатор, включая испытательный отчет, чертежи и диапазон отводов, этого в большинстве случаев достаточно для инженера по защите, чтобы завершить настройки реле без дополнительных писем.