Устройство продольной дифференциальной защиты двухобмоточных силовых трансформаторов

Изобретение относится к устройствам релейной защиты силовых трансформаторов. Технический результат - возможность установки тока срабатывания защиты в четыре и более раз меньше, чем у электромагнитных реле, при регулировании напряжения трансформатора под нагрузкой до ±12,5%. В устройстве на выходе каждого ТТ устанавливаются нагрузочные сопротивления равные 0,1-0,2 Ом (1% точности). Напряжения с этих сопротивлений, пропорциональные токам, поступают на два канала электронного устройства, где они затем в канале ТТ ВН последовательно соединяются с фильтром низких частот, выполненного по схеме с нулевым смещением и прецизионным двухполупериодным выпрямителем на операционных усилителях (ОУ), с выхода выпрямителя отрицательное напряжение поступает одновременно на входы сумматора и быстродействующего время импульсного преобразователя, выход этого преобразователя соединяется с базой транзистора, переключающего коэффициент усиления выходного усилителя для отстройки от бросков намагничивающего тока, в канале ТТ НН от ТТ производится последовательное соединение фильтра низких частот, фазовращателя, для фазировки токов от ТТ ВН и ТТ НН и прецизионного двухполупериодного выпрямителя на ОУ с регулируемым коэффициентом усиления для компенсации разности вторичных токов ТТ ВН и ТТ НН, с выхода выпрямителя положительное напряжение поступает одновременно на входы сумматора и быстродействующего время импульсного преобразователя, выход этого преобразователя соединяется с базой другого транзистора, переключающего коэффициент усиления выходного усилителя для отстройки от токов трехфазного КЗ. 14 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам релейной защиты силовых трансформаторов и может быть применено в качестве реле для продольной дифференциальной защиты двухобмоточных силовых трансформаторов.

В качестве аналога, с точки зрения функционального назначения и порядка расчета дифференциальной защиты, принимается электромагнитное реле дифференциальной защиты с торможением тока типа ДЗТ-11, а в качестве прототипа статическое дифференциальное реле типа РСТ-15.

В источниках аналога (Чернобровов Н.В., Семенов В.А. - Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1998, §16 Защита трансформаторов), (Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Энергоатомиздат, 1992. - 588 с.: ил.), (Копьев В.Н. Релейная защита основного электрооборудования электростанций и подстанций. Вопросы проектирования. Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. - Томск: изд. ЭЛТИ ТПУ, 2005. - 107 с.) приводится краткое описание принципа действия, порядок и примеры расчета продольных дифференциальных защит трансформаторов с реле типа ДЗТ-11.

Реле с магнитным торможением ДЗТ-11, обеспечивающее отстройку как от бросков тока намагничивания I_HAM, так и от токов небаланса I_НБ, состоит из трехстержневого насыщающегося трансформатора (рис.1), который имеет, как и обычный НТТ, первичную на центральном стержне рабочую обмотку w_1РАБ и расщепленную на двух крайних стержнях вторичную обмотку w_2РАБ, в цепь которой включено токовое реле ОТ. Для осуществления торможения на крайние стержни магнитопровода насыщающегося трансформатора насажена третья расщепленная тормозная обмотка w_ТОРМ. Рабочая обмотка включается дифференциально, а тормозная - в рассечку плеча токовой цепи РЗ, то есть так же, как соответствующие обмотки обычного тормозного реле.

Секции тормозной обмотки соединены так, что создаваемый ими магнитный поток Ф_Т замыкается по крайним стержням. Поток Ф_Т наводит в секциях w_2РАБ вторичной обмотки две ЭДС Е_Т1 и Е_Т2, которые взаимно уничтожаются, так как они равны по значению и взаимно противоположны по направлению. В результате этого ток тормозной обмотки не создает тока в реле ОТ и служит только для подмагничивания крайних стержней магнитопровода, насыщая их и ухудшая трансформацию тока из рабочей обмотки во вторичную.

Поток Ф_Р, создаваемый рабочей обмоткой, замыкается по крайним стержням и наводит в секциях вторичной обмотки согласно направленные ЭДС, обусловливающие ток в реле.

Поток Ф_Р=I_Рw_Р/R_М. Отсюда следует, что ток I_Р, необходимый для создания потока Ф_Р, достаточного для действия реле ОТ, зависит от магнитного сопротивления R_М, которое увеличивается с насыщением крайних стержней магнито-провода вследствие подмагничивания их током тормозной обмотки. Чем больше ток I_Т, тем больший ток I_Р требуется для действия реле ОТ.

При отсутствии тормозного тока реле работает как обычное реле с БНТ, но без короткозамкнутых обмоток. Поэтому оно хуже отстраивается от бросков тока намагничивания I_HAM и апериодической составляющей тока небаланса I_НБ.

При внешнем КЗ ток, проходящий по тормозной обмотке, насыщает крайние стержни магнитопровода, в результате чего ток срабатывания реле возрастает, одновременно с этим ухудшается трансформация тока небаланса, появляющегося в рабочей обмотке трансформатора.

При повреждении в зоне РЗ ток в рабочей обмотке равен или больше тока I_T, при этом, несмотря на подмагничивание магнитопровода, в реле ОТ появляется ток, достаточный для его действия.

Магнитная индукция при токе срабатывания реле достигает значения, при котором начинается насыщение магнитопровода (1,1-1,2 Тл), благодаря чему апериодический ток почти не трансформируется во вторичную обмотку. Поэтому рассмотренное реле не реагирует на апериодическую составляющую, содержащуюся в намагничивающем токе и токе небаланса при неустановившихся режимах.

Важнейшими преимуществами реле являются: простота конструкции, наличие тормозной характеристики, относительно небольшая зависимость тока срабатывания I_СР от фазы тормозных токов, надежная отстройка от апериодической составляющей токов намагничивания и возможность выполнения реле с тремя и более тормозными обмотками. Последнее решает задачу РЗ многообмоточных трансформаторов.

Дифференциальная РЗ с реле ДЗТ-11, устанавливается по действующим правилам на понижающих двухобмоточных трансформаторах 110-220 кВ, оснащенных устройством РПН. Защита выполняется в двухрелейном исполнении. В зону действия дифференциальной РЗ, кроме выводов НН трансформатора, попадают также подключенные к ним реакторы 6-10 кВ. Коэффициент чувствительности РЗ при КЗ за реактором k_Ч≥1,5, а на выводах НН k_Ч≥1,5 для трансформаторов мощностью менее 80 МВА и k_Ч≥2 для трансформаторов мощностью 80 МВА и более.

Если необходимый коэффициент чувствительности при КЗ за реактором не обеспечивается, дифференциальная РЗ выполняется в виде двух комплектов (с использованием реле типа ДЗТ-11): грубого, действующего без выдержки времени с током срабатывания РЗ I_СЗ>I_НОМ, и чувствительного с выдержкой времени t_СЗ=(0,5-1) с и I_СЗ=(0,75-1)I_НОМ.

Таким образом в электромагнитном реле с торможением тока за счет магнитной системы получают уменьшение коэффициента передачи при внешних КЗ и при включении трансформатора.

Расчет защиты продольной дифференциальной защиты с реле ДЗТ-11 производится в следующем порядке:

1. Определяются номинальные токи на сторонах высокого напряжения (ВН) I_НОМ.ВН и низкого напряжения (НН) I_НОМ.НН защищаемого трансформатора, соответствующие его номинальной мощности.

2. Выбираются стандартные коэффициенты трансформации трансформаторов тока ТА1 и ТА2 с учетом схем соединения их вторичных обмоток (на стороне ВН - треугольник, на стороне НН - звезда).

3. Определяются вторичные токи в плечах защиты с учетом коэффициента схемы включения трансформаторов тока (ТТ) для соединения ТТ в треугольник с высокой стороны и k_СХ=1 для соединения ТТ в звезду с низкой стороны

,

где k_IВН и k_IНН - коэффициенты трансформации ТТ.

4. Определяется ток срабатывания защиты.

Расчет производится по стороне ВН, исходя из двух условий:

1) условия отстройки от броска намагничивающего тока

2) условия отстройки от максимального значения тока небаланса при внешнем КЗ (рассматривается трехфазное КЗ в ближайшей точке к трансформатору со стороны НН при максимальном режиме работы системы U=1,1U_ном)

где k_ОДН=0,5-1,0 - коэффициент однотипности трансформаторов тока,

k_A=1 - коэффициент учитывающий наличие апериодической составляющей тока КЗ, ε_I=0,1 - относительное значение полной погрешности трансформаторов тока, ΔU - относительная погрешность, обусловленная регулированием напряжения (принимается среднее значение), - ток КЗ приведенный к ВН.

Ток небаланса, учитывающий разность вторичных токов ТТ, равный:

не учитывается, так как он компенсируется за счет либо автотрансформаторов тока, либо применением трансреактора.

Ток срабатывания защиты, обусловленный максимальным значением тока небаланса

где k_ОТС=1,3 - коэффициент отстройки защиты.

Из двух условий тока срабатывания защиты принимается наибольшее значение.

В процессе расчета затем определяются необходимые числа витков рабочей и тормозной обмоток, дополнительный ток небаланса обусловленный округлением до целого числа витков обмоток и проверяется коэффициент чувствительности к току двухфазного КЗ на выводах трансформатора при минимальном режиме работы системы, когда РПН на среднем и нижнем ответвлении.

Недостатки аналога изложены в приведенных источниках.

Для РЗ трансформаторов и автотрансформаторов большой мощности дифференциальные защиты с магнитным торможением (с реле ДЗТ-11) не обеспечивают требуемой чувствительности и быстродействия. Ток срабатывания защиты обусловленный токами небаланса, как правило, является наибольшим и превышает номинальный ток трансформатора в 2,5 раза и более, что не позволяет эффективно производить дифференциальную защиту от повреждений внутри трансформатора.

Распределительные сети промышленных предприятий обычно имеют простую конфигурацию и выполняются, как правило, радиальными или магистральными, силовые трансформаторы обычно работают раздельно, для их защиты не требуется сложных устройств автономной релейной защиты.

Поэтому для защиты трансформаторов средней мощности наиболее приемлемым для прототипа является статическое реле типа РСТ-15 (Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах. - Москва, 1990).

Дифференциальные реле тока серии РСТ-15 применяются в качестве измерительных органов дифференциальной защиты понижающих трансформаторов и мощных электродвигателей. Реле РСТ 15 обладают высокой степенью отстройки от переходных токов небаланса, возникающих при включении трансформаторов и двигателей под напряжение. Поэтому ток срабатывания дифференциальной защиты при применении этих реле можно устанавливать на уровне 0,5 номинального тока трансформатора или двигателя. Область применения реле РСТ 15 ограничивается объектами, для которых не требуется автоматически загрублять защиту при близких внешних КЗ, то есть когда не требуется реле с тормозными характеристиками.

На структурной схеме реле (рис.2) выделены функциональные звенья, обеспечивающие особые свойства таких реле.

Датчик тока ТАV - это трансреактор, нагрузкой которого служит выпрямительный мост, состоящий из двух диодов и двух резисторов. Благодаря трансреактору в узел формирования реле не попадают медленно затухающие апериодические составляющие, содержащиеся в дифференциальном токе. Трансреактор ТАV реле серий РСТ 15 имеет три первичные обмотки - одну основную (дифференциальную) с 30 витками и отводами от 12, 16, 20 и 25-го витков и две дополнительные (уравнительные) по три витка в каждой с отводом от 1-го витка.

Нагрузочный мост принятого вида обеспечивает требуемую чувствительность реле при небольших размерах датчика тока. К выходу нагрузочного моста подсоединен делитель из резисторов R3-R6, с которого берется доля дифференциального тока, подаваемая в активный фильтр нижних (ФНЧ) частот А1.

Нагрузочный мост, делитель и фильтр нижних частот образуют узел формирования реле. С помощью переключателя S резистор R5 может быть исключен из схемы делителя.

За счет этого значение выходного сигнала, подаваемого на ФНЧ, изменяется в отношении 1:2. Переключатель S предназначен для ступенчатого изменения уставки реле по току срабатывания в 2 раза (К=1 и К=2). Инвертирующий активный фильтр нижних частот А1 выполнен по схеме с многопетлевой обратной связью. Параметры резисторов и конденсаторов, входящих в схему фильтра, подобраны так, что для постоянной слагающей входного сигнала коэффициент фильтра равен 1. При рабочей частоте его коэффициент усиления имеет максимальное значение, достигающее 2,2, а при частоте второй гармоники рабочей частоты он понижается до 0,9.

Форма сигналов, образующихся на выходе узла формирования при появлении повышенного дифференциального тока, резко различается в зависимости от того, является он током КЗ или током включения. Это позволяет получать управляющий сигнал на выходе узла сравнения только при КЗ в зоне защиты. Сам узел сравнения выполнен применительно к этой задаче. Он состоит из компаратора А2 и элемента выдержки времени A3. Установленная выдержка времени элемента A3 равна 22 мс. При этом ОУ элемента времени является также исполнительной частью узла сравнения. Для обеспечения релейного эффекта выход элемента времени A3 соединен положительной обратной связью с входом компаратора А2.

В нормальном режиме, когда по вторичной обмотке трансформатора проходит только незначительный ток небаланса, напряжение на выходе фильтра нижних частот A1 составляет не более 15 мВ. Опорный ток I_ОП замыкается через выход фильтра, создавая на инвертирующем входе компаратора А2 положительный потенциал. На выходе компаратора А2 держится отрицательное напряжение, составляющее около минус 13 В. На выходе элемента времени будет иметься примерно такое же отрицательное напряжение, которое надежно запирает транзистор узла выхода реле, при этом по цепи положительной обратной связи на не инвертирующий вход компаратора А2 поступает небольшой отрицательный потенциал.

На рис.3 представлены временные диаграммы работы реле РСТ 15 при КЗ в зоне защиты и при включении защищаемого объекта под напряжение.

Действие реле при КЗ иллюстрирует левый ряд диаграмм. На первой из них показано изменение во времени дифференциального тока I_Д, протекающего в этом случае по первичной обмотке трансреактора. Следующая изображает форму выпрямленного тока I_Р, поступающего на вход фильтра нижних частот А1. Как видно из диаграммы, этот ток имеет характер пульсаций с частотой, вдвое большей рабочей. Составляющие промышленной частоты в токе I_Р отсутствуют полностью. Если нет апериодической составляющей, подавляемой трансреактором, то при прохождении через фильтр постоянная слагающая этого тока сохраняется в неизменном виде, а гармоника двойной частоты подавляется. Выходной ток фильтра I_Ф приобретает форму постоянного тока с огибающей, имеющей уменьшенную примерно на 70% пульсацию двойной частоты. Роль фильтра сводится в этом случае к сглаживанию сигнала.

При повреждении в зоне значение тока I_Ф превышает опорный ток. Так как фильтр нижних частот А1 инвертирующий, то направление тока I_ф оказывается противоположным току I_ОП. На инвертирующем входе компаратора А2 эти токи сложатся, а так как ток I_Ф больше, то знак входного тока компаратора изменится. Это вызовет немедленную перемену знака выходного напряжения компаратора A2 на положительный. Отработает свою выдержку времени элемент A3, и через 22 мс откроется транзистор в узле выхода. Сработает выходное реле и замкнет свои контакты.

Благодаря положительной обратной связи на не инвертирующем входе компаратора А2 появляется небольшой положительный потенциал.

Теперь для возврата реле требуется, чтобы дифференциальный ток стал меньше тока срабатывания на значение, определяемое коэффициентом возврата.

Иначе проходит процесс в реле, когда в первичной обмотке трансреактора появляется ток включения защищаемого присоединения. Временные диаграммы такого процесса приведены в правом ряду (рис.3). На первой из них изображена кривая изменения вторичного дифференциального тока I_Д в первичной обмотке трансреактора, форма которой характерна для случая подачи напряжения на силовой трансформатор. Близка к ней и форма такого тока при включении двигателя. Этим кривым свойственна большая несимметрия относительно оси времени.

На следующем графике показан ток I_Р, поступающий в фильтр нижних частот А1. Форма тока I_Р определяется тем, что этот ток является долей выпрямленной производной дифференциального тока. В токе I_Р преобладает составляющая промышленной частоты и содержится меньшая по значению постоянная слагающая. При прохождении через фильтр слагающая промышленной частоты усиливается примерно в 2 раза больше, чем постоянная. Выходной ток фильтра I_Ф приобретает вид, показанный на следующей диаграмме. Он близок по форме к симметричному синусоидальному току и имеет положительные и отрицательные полуволны. Отрицательные полуволны I_Ф, мгновенные значения которых превышают I_ОП, вызывают появление на выходе компаратора А2 положительных импульсов, под воздействием которых элемент A3 начинает отсчет своей выдержки времени. Но так как ширина положительных входных импульсов компаратора А2 не доходит до 22 мс, то срабатывания элемента времени не происходит, и реле подействовать не может.

На рис.4 показана принципиальная схема реле РСТ-15. Ток срабатывания реле может устанавливаться в пределах от 0,4 до 2,4 номинального. Коэффициент выравнивания при неравенстве вторичных токов может изменяться от 0,627 до 1,6. Точность выравнивания составляет 7. Время срабатывания реле при токе, равном утроенному току срабатывания, не более 40 мс. Потребление реле по цепям переменного тока равно 2,5 ВА. Потребление цепей оперативного тока в нормальном режиме равно 7 Вт, а при срабатывании реле 9 Вт.

По полученным результатам расчетов тока КЗ устанавливают в соответствующее положение переключатель S и вставляют штекеры в нужные гнезда XS1-XS5 на лицевой плате. Резистором R4 пользуются при наладке реле, если нужно подстроить уставку с точностью до 10%.

Недостатком прототипа является ограниченность области применения реле РСТ-15 объектами, для которых не требуется автоматически загрублять защиту при близких внешних КЗ, то есть когда токи небаланса невелики и не требуется реле с тормозными характеристиками, а также наличие трансреактора на входе не позволяющего получить токи небаланса равные нулю в номинальном режиме из-за разности целого и расчетного числа витков.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение чувствительности, ток срабатывания защиты не превышает 40% от номинального тока трансформатора, что увеличивает вероятность защиты от межвитковых замыканий, при одновременном включении трансформатора и возникновении двухфазного КЗ на выводах вторичной обмотки трансформатора коэффициент чувствительности защиты не менее 4, а при одновременном внешнем КЗ и возникновении двухфазного КЗ на выводах вторичной обмотки трансформатора коэффициент чувствительности защиты не менее 2.

Технический результат достигается тем, что для продольной дифференциальной защиты трансформатора 1 (рис.5 и рис.14) в предлагаемом устройстве трансформаторы тока (ТТ) установленные в каналах первичной обмотки высокого напряжения (ВН) 2 и ТТ установленные в цепи обмотки низкого напряжения (НН) 3 не включаются между собой по дифференциальной схеме, а на выходе каждого ТТ устанавливаются нагрузочные сопротивления 4,5 равные 0,1-0,2 Ом (1% точности). Напряжения с этих сопротивлений, пропорциональные токам, поступают на два канала электронного устройства, где они в канале ТТ ВН последовательно соединяются с фильтром низких частот 6, выполненного по схеме с нулевым смещением, позволяющим существенно уменьшить пики бросков токов намагничивания и первым прецизионным двух-полупериодным выпрямителем на операционных усилителях (ОУ) 7, с выхода выпрямителя отрицательное напряжение поступает одновременно на входы сумматора 8 и компаратора 9, выход компаратора соединен с входом первого быстродействующего время импульсного преобразователя 10, выход этого преобразователя соединяется с базой первого транзистора 11, переключающего коэффициент усиления выходного усилителя третьего прецизионного двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях 12 для отстройки от бросков намагничивающего тока. В канале ТТ НН от ТТ производится последовательное соединение второго фильтра низких частот 13, фазовращателя 14, для фазировки токов от ТТ ВН и ТТ НН с помощью резистора 15, второго прецизионного двухполупериодного выпрямителя на ОУ 16 с регулируемым коэффициентом усиления с помощью резистора 17 для компенсации разности вторичных токов ТТ ВН и ТТ НН, с выхода выпрямителя 16 положительное напряжение поступает одновременно на входы сумматора 8 и компаратора 18 выход которого соединен с входом второго быстродействующего время импульсного преобразователя 19, выход этого преобразователя соединяется с базой второго транзистора 20, переключающего коэффициент усиления выходного усилителя 12 для отстройки от токов трехфазного КЗ, на выходе сумматора настраивается нулевое напряжение в номинальном режиме работы силового трансформатора при средней отпайке РПН, выход сумматора соединяется с входом третьего прецизионного двухполупериодного выпрямителя на ОУ 12, у которого выходной усилитель с переключаемым коэффициентом усиления соединяется с входом статического реле тока 21, исключая промежуточный ТТ.

Структурная схема устройства продольной дифференциальной защиты двухобмоточных силовых трансформаторов приведена на рис.5, а принципиальная схема на рис.14 где обозначены элементы схемы:

1 - силовой трансформатор;

2 - ТТ в цепи первичной обмотки ВН;

3 - ТТ в цепи вторичной обмотки НН;

4, 5 - нагрузочные сопротивления ТТ равные 0,1-0,2 Ом (1% точность);

6, 13 - фильтры низких частот (ФНЧ) предназначены для ослабления высших гармонических составляющих, необходимы для уменьшения пиков бросков намагничивающего тока и для защиты трансформаторов при наличии силовых полупроводниковых преобразовательных установок;

7 - первый прецизионный двухполупериодный выпрямитель (ПВ) на операционных усилителях (ОУ) в канале ТТ ВН с отрицательным выходным напряжением без регулирования коэффициента усиления.

8 - сумматор;

9 - однопороговый компаратор с отрицательным опорным напряжением соответствующим амплитуде номинального тока силового трансформатора;

10, 19 - быстродействующие времяимпульсные преобразователи (БВП);

11 - первый транзистор для переключения коэффициента усиления прецизионного выпрямителя 15 при отстройке от бросков тока намагничивания;

12 - третий ПВ с коэффициентом усиления выходного ОУ, переключаемым транзисторами;

14 - фазовращатель (ФВ), позволяющий без изменения амплитуды регулировать фазовый сдвиг в пределах ±45° и устанавливать нулевой фазовый сдвиг в каналах ТТ ВН и ТТ НН;

15 - переменный резистор для настройки фазового сдвига;

16 - второй ПВ в канале ТТ ПН с положительным выходным напряжением, позволяющий регулировать коэффициент усиления выходного ОУ выпрямителя для выравнивания напряжения равного по абсолютной величине с выхода первого ПВ в номинальном режиме;

17 - переменный резистор для настройки коэффициента усиления второго ПВ;

18 - однопороговый компаратор с положительным опорным напряжением соответствующим амплитуде номинального тока силового трансформатора;

20 - второй транзистор для переключения коэффициента усиления выходного усилителя прецизионного выпрямителя 15 при отстройке от токов небаланса при внешне трехфазном КЗ;

21 - реле тока типа РСТ-11 без промежуточного ТТ.

22 - промежуточный трансформатор тока, применяется в том случае, если к трансформаторам тока 2 и 3 кроме защиты подключаются токовые обмотки измерительных приборов;

Параметры элементов структурной схемы

Фильтр низких частот

В качестве фильтра низких частот применяется схема с нулевым смещением (рис.6), которая имеет наиболее простую настройку элементов. Большое выходное сопротивление R1 устраняется повторителем DA2.

Передаточная функция

где - частота сопряжения,

2εT=(C₁+C₂)R₁,

- коэффициент демпфирования,

- добротность,

Задаемся C₂>C₁ и обозначим , C₂=kC₁

Получим формулы расчета при заданном ε=0,525. Вначале рассчитывается

, а затем

Прецизионные выпрямители на ОУ

Схема выпрямителя в канале ТТ ВН приведена на рис.7, можно выбрать параметры R=20 кОм, R/2=10 кОм, диоды VD1, VD2 желательно применять типа Д9, коэффициент усиления равен 1,0, напряжение на выходе отрицательное.

На рис.8 приведена схема выпрямителя в канале ТТ НН, в которой напряжение на выходе положительное, резистором R₁=47 кОм производится регулирование коэффициента усиления выпрямителя с целью выравнивания напряжений с выходов выпрямителей по абсолютной величине. Неравенство этих напряжений образуется из-за неравенства вторичных токов ТТ ВН и НН в номинальном режиме работы силового трансформатора.

Фазовращатель

Фазовращатель (рис.9) состоит из двух последовательно включенных звеньев с коэффициентами усиления на любых частотах, при R₂=R₃, равными 1,0 и передаточными функциями вида

Уравнения фазовых характеристик

φ₁(ω)=-2arctg(ω(R₅+R₄)C) φ₂(ω)=180-2arctg(ωR₁C)

Из этих уравнений получим, что при φ₂=+90° и φ₁=-90°, задаваясь C=0,22 мкФ, величина R₁=R₅+R₄=14476 Ом при этом результирующий фазовый сдвиг равен нулю.

Для фазового сдвига φ₁=-135° получим величину R₅+R₄=34948 Ом, а для фазового сдвига φ₁=-45° получим величину R₅+R₄=5996 Ом.

Принимается R₅=5,1 кОм, R₄=33,0 кОм.

Сумматор

Сумматор (рис.10) предназначен для суммирования напряжений после двухполупериодных выпрямителей разной полярности. Если между этими напряжениями имеется фазовый сдвиг, то на выходе сумматора будет переменное напряжение. Поэтому настройка фазового сдвига производится с помощью вольтметра переменного тока, подключаемого на выход сумматора, показания которого равны нулю при совпадении фаз обоих каналов. У сумматора коэффициент усиления равен 1,0. R₁=R₂=R₃=10 кОм.

Быстродействующий время импульсный преобразователь

На входе компараторов DA1 (рис.11) сравниваются напряжения пропорциональные токам с выпрямителей с напряжением установленным резисторами R1. С выпрямителя канала ВН положительное напряжение, а с выпрямителя канала НН отрицательное напряжение в виде двухполупериодных полуволн. Резисторами R1 устанавливается напряжение соответствующее амплитуде номинального тока трансформатора. Например, если ток вторичной цепи ТТ ВН, соответствующий номинальному току трансформатора, равен 4,0 А, то напряжение устанавливаемое резистором R1 будет равно U_R1=4·0,1·1,41=0,564 В.

Рекомендуемые параметры: R1=4,7 кОм, R2=20,0 кОм, R3=3,3 кОм, R4=33,0 кОм, R5=33,0 кОм, R6=10,0 кОм, R7=3,3 кОм, C=0,33 мкФ.

Постоянная времени заряда конденсатора R₃·C=3300·0,33·10^-6=0,0011 с, а постоянная времени разряда (R3+R4)·C=0,011 с. Для заряда конденсатора используются импульсы одной полярности в отличие от время импульсного преобразователя реле РСТ-11 (схема на рис.12), у которого постоянная времени заряда конденсатора составляет 0,009 с.

Выпрямитель с регулируемым коэффициентом усиления выходного ОУ На вход поступает напряжение с сумматора (рис.13), выпрямление необходимо, так как токи небаланса могут быть различных направлений, а напряжение на выходе сумматора различной полярности. Транзистор VT1 находится в канале ТТ ВН, управляется от быстродействующего времяимпульсного преобразователя. При достижении бросков тока намагничивания величины амплитуды номинального тока трансформатора транзистор VT1 открывается, шунтируя часть сопротивлений в цепи обратной связи ОУ, уменьшая тем самым коэффициен усиления и напряжение U_ВЫХ, тем самым производится отстройка от бросков тока намагничивания.

Транзистор VT2 находится в канале ТТ НН и служит для отстройки от токов небаланса обусловленных внешним трехфазным КЗ.

Принципиальная схема устройства с учетом приведенных схем отдельных элементов приведена на рис.14.

Все элементы принципиальной схемы изготовлены и проверены экспериментально, например, быстродействующий время импульсный преобразователь срабатывает за время равное 1/6 части полупериода.

Расчет продольной дифференциальной защиты трансформатора с применением предлагаемого устройства.

Для примера приняты следующие исходные данные: регулирование напряжения под нагрузкой (РПН) равно ±12,5%, то есть ΔU=0,125, коэффициент однотипности трансформаторов тока примем равным k_ОДН=1, максимальный ток трехфазного КЗ приведенный к ВН равен , по рекомендации источника (Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. Ю.Г.Барыбина и др. - М.: Энергоатомиздат. 1990.) для отстройки от бросков тока намагничивания принимаем I_СЗ1=1,5_НОМ.ВН.

Расчет защиты производится в следующем порядке:

1 Определяются номинальные токи на сторонах ВН I_НОМ.ВН и НН I_НОМ.НН защищаемого трансформатора, соответствующие его номинальной мощности.

2 Выбираются стандартные коэффициенты трансформации трансформаторов тока ТА1 и ТА2, работающих раздельно.

3 Определяются вторичные токи в плечах защиты

,

4 Определяется ток срабатывания защиты для номинального режима

I_СЗ.НОМ=k_ОТС(k_ОДН k_A ε_I+ΔU)I_НОМ.ВН=1,3(1·1·0,1+0,125)I_НОМ.ВН=0,29I_НОМ.ВН

5 Определяется коэффициент усиления выходного усилителя для отстройки от бросков намагничивающего тока

6 Определяется величина тока двухфазного КЗ на выводах вторичной обмотки трансформатора, при соединении вторичной обмотки в звезду и при минимальном режиме работы системы

7 Ток небаланса создается ТТ ВЫ и если при включении трансформатора произойдет двухфазное КЗ, то коэффициент чувствительности будет

8 Если произойдет внешнее трехфазное металлическое КЗ, то токи небаланса по сравнению с номинальным режимом увеличатся в 10 раз, поэтому для отстройки от их необходимо принять коэффициент усиления выходного усилителя равный

k_У2=0,1

9 Если одновременно с металлическим внешним трехфазным КЗ произойдет двухфазное КЗ на выводах вторичной обмотки трансформатора, то по ТТ НН ток протекать не будет и коэффициент чувствительности 5,18 не изменится.

10 Если будет неметаллическое внешнее трехфазное КЗ, то по ТТ НН будет протекать ток в случае одновременного двухфазного КЗ, тогда коэффициент чувствительности будет

что вполне достаточно.

Если принять другие значения тока КЗ, то очевидно коэффициент чувствительности не изменится.

Последние два события одновременного внешнего КЗ и КЗ на выводах трансформатора маловероятны, кроме того трехфазное КЗ будет отключено МТЗ или токовой отсечкой, поэтому можно принять k_У2=0, a k_Ч2 можно не рассчитывать при внешних КЗ, тогда существенно можно расширить диапазон регулирования РПН, приняв k_Ч1=2 при бросках намагничивающего тока, и применять данное устройство для защиты печных трансформаторов.

Для защиты трехобмоточных трансформаторов с расщепленной вторичной обмоткой необходимо от третьего ТТ сформировать еще один канал, подобный каналу НН и подключить дополнительное преобразованное напряжение к входу сумматора.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области, например с РСТ - 21, не позволило выявить в них признаки, совпадающие с заявленным решением, что позволяет сделать вывод о том, что изобретение имеет изобретательский уровень. Изобретение является промышленно применимым. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения новизна».

Список документов, цитированных в отчете о поиске

Поиск производился в поисковой системе www.fips.ru в областях запроса «ИЗОБРЕТЕНИЯ ПО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ», «ИЗОБРЕТЕНИЯ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ».

Всего просмотрено более 10 рефератов, а также материалы открытой печати и материалы в Интернете. Из них проанализированы, наиболее пригодные по тематике, следующие работы:

1 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ. Номер патента: 2024145. Дата публикации: 30.11.1994. Автор(ы): Бурнашев А.Н.; Куприенко В.В.. Патентообладатель(и) Томский политехнический университет.

2 УСТРОЙСТВО БЫСТРОГО СРАВНЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА. Дата начала отсчета срока действия патента: 14.01.2008. Автор(ы): Зинченко Антон Владимирович. Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Карачаево-Черкесская государственная технологическая академия".

3 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ РЕЛЕ. Патент на изобретение №:2219614 Автор: Березов В.В. Дата публикации: 20 декабря, 2003.

4 Чернобровов Н.В., Семенов В.А. - Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1998, §16 Защита трансформаторов.

5 Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Энергоатомиздат, 1992. - 588 с.: ил.

6 Копьев В.Н. Релейная защита основного электрооборудования электростанций и подстанций. Вопросы проектирования. Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. - Томск: изд. ЭЛТИ ТПУ, 2005. - 107 с.

7 Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах. - Москва, 1990.

Анализ устройств в приведенных источниках

Во всех продольных дифференциальных защитах трансформаторов желательно максимальное снижение тока срабатывания защиты, максимальная чувствительность для повреждений в защищаемой зоне, и отстройка от внешних КЗ и бросков тока намагничивания.

В [1] дифференциальное реле типа РНТ управляется функциональной приставкой, в которой с помощью фильтра высоких частот выделяется сигнал, пропорциональный уровню высших гармоник. Затем этот сигнал выпрямляется и умножается на постоянный коэффициент в формирователе модуля. В результате идентифицируется место возникновения КЗ (внутри или вне защищаемой зоны) в широком диапазоне возможных погрешностей трансформаторов тока с точностью, достаточной для управления загрублением РНТ. Это позволяют не менее чем в 2 раза повысить чувствительность защиты и обеспечить ее селективность в более широком диапазоне погрешностей ТТ. Положительным сигналом открывается ключевой элемент, замыкается цепь и симистором шунтируется реле тока КА. Критические замечания: загрубление производится за счет шунтирования исполнительного органа при внешнем КЗ, не рассмотрены варианты как будет работать защита при возникновении КЗ в зоне защиты во время включения трансформатора и при одновременном внешнем КЗ, а также не показано как будет работать фильтр высоких частот при включении трансформатора с остаточной нагрузкой, например с мощным выпрямителем.

В [2] устройство относится к устройствам защиты силовых трансформаторов, где необходимо быстро сравнивать рабочий и тормозной сигналы диффзащиты. Оно может быть использовано и в качестве быстродействующего устройства сравнения измеряемых величин в других защитах, например для реле направления мощности. Технический результат достигается тем, что в цепь сравнения, выполненную в виде параллельно включенных последовательного резонансного контура и активного резистора и питающуюся от двухполупериодных выпрямителей источников сравниваемых рабочего и тормозного токов, параллельно включена высокодобротная катушка индуктивности, ток в которой создает ЭДС самоиндукции, форсирующей процесс сравнения и торможения, а параллельно резистору включен интегрирующий усилитель, с выхода которого снимается результат сравнения токов и торможения. Критические замечания:

устройство только повышает быстродействие защиты, при этом не рассматриваются вопросы чувствительности защиты.

В [3] дифференциальное реле содержит последовательно соединенные трансреактор, выпрямительный блок, фильтр нижних частот, три пороговых блока, реверсивный счетчик, исполнительный элемент, одновибратор, генератор тактовых импульсов и элемент И, имеет ограниченное применение для защит, где не требуется торможение тока.

Наиболее приемлемым для аналога является устройство [4, 5, 6] дифференциального реле типа ДЗТ-11 с трех стержневым трансформатором и с торможением тока, аналог с точки зрения функционального назначения и порядка расчета дифференциальной защиты.

Наиболее приемлемым для прототипа является устройство, приведенное в [7], статическое дифференциальное реле типа РСТ-15.

Устройство продольной дифференциальной защиты двухобмоточных силовых трансформаторов, в котором к вторичным обмоткам трансформаторов тока на стороне высокого напряжения и на стороне низкого напряжения подключена рабочая и дополнительная обмотки трансреактора, который является датчиком тока, вторичная обмотка трансреактора подключена на нагрузочный выпрямительный мост, состоящий из двух диодов и двух резисторов, к выходу нагрузочного выпрямительного моста подсоединен делитель из резисторов, с которого берется доля дифференциального тока, подаваемая в инвертирующий активный фильтр нижних частот, выполненный по схеме с многопетлевой обратной связью с динамическим коэффициентом усиления 2,2, нагрузочный выпрямительный мост, делитель и фильтр нижних частот образуют узел формирования реле, который подключен к входу узла сравнения, состоящего из компаратора и элемента выдержки времени, установленная выдержка времени равна 22 мс, элемент времени является также исполнительной частью узла сравнения, выход элемента времени соединен положительной обратной связью с входом компаратора, отличающееся тем, что измерительные трансформаторы тока на стороне высокого напряжения и на стороне низкого напряжения не соединены между собой по дифференциальной схеме, а подключены на нагрузочные сопротивления, равные 0,1-0,2 Ом, затем в канале трансформатора тока на стороне высокого напряжения от трансформатора тока произведено последовательное соединение фильтра низких частот, выполненного по схеме с нулевым смещением и первого прецизионного двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях с отрицательным выходным напряжением, его выход соединен одновременно с входами сумматора и быстродействующего время импульсного преобразователя, выход быстродействующего время импульсного преобразователя соединен с базой первого транзистора, переключающего коэффициент усиления выходного усилителя третьего прецизионного двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях, в канале трансформатора тока на стороне низкого напряжения от трансформатора тока произведено последовательное соединение фильтра низких частот, фазовращателя и второго прецизионного двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях с регулируемым коэффициентом усиления и положительным выходным напряжением, с его выхода напряжение поступает одновременно на входы сумматора и быстродействующего времяимпульсного преобразователя, выход этого преобразователя соединен с базой второго транзистора, переключающего коэффициент усиления выходного усилителя третьего прецизионного двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях, выход сумматора соединен с входом третьего прецизионного двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях, у которого выходной усилитель с переключаемым коэффициентом усиления соединяется с входом исполнительного органа - статического реле тока типа РСТ-11 без промежуточного трансформатора тока.