Дифференциальная защита трансформаторов и другие продукты для дифференциальной защиты | CANWIN

Кроме того, существует ряд ненормальных режимов работы трансформатора, в основном включающих низкий уровень масла, высокую температуру или давление масла, высокое напряжение в нейтральной точке трансформатора, перегрузку, перегрузку по току, перевозбуждение и т. д.

Для мониторинга различных неисправностей или ненормальных условий работы мы внедрили различные системы защиты, которые делятся на основную и резервную защиту, причем основная защита обладает характеристиками быстрого реагирования.

Часть 2: Дифференциальная защита

Продольная дифференциальная защита является одной из основных защит трансформатора, и она срабатывает мгновенно, отключая выключатели с каждой стороны. Зона защиты — это часть между трансформаторами тока с каждой стороны дифференциальной защиты, включая корпус трансформатора, выводные линии между трансформатором тока и самим трансформатором. В 2017 году разрядник на стороне 35 кВ главного трансформатора № 2 подстанции 220 кВ получил пробой фазы AB, и корпус разрядника был поврежден разрядом; поскольку разрядник 35 кВ располагался между реологическим трансформатором и главным трансформатором на низковольтной стороне главного трансформатора, он находился в зоне действия защиты продольной разности. Обе системы защиты главного трансформатора сработали корректно, и неисправность была локализована.

01

Основные принципы дифференциальной защиты

Существующая система продольной дифференциальной защиты трансформатора использует микрокомпьютерное защитное устройство, при этом ток каждой фазы поступает в защитное устройство, а продольная дифференциальная защита реализуется с помощью программного алгоритма. В качестве примера рассмотрим одну фазу, чтобы проиллюстрировать основной принцип продольной дифференциальной защиты.

Разность токов, «ощущаемая» защитным устройством, представляет собой векторную сумму вторичных токов двух катушек. Как показано на рисунке 1, при нормальной работе системы или при внешнем коротком замыкании вторичные токи двух катушек имеют одинаковую величину и противоположную полярность, а разность токов равна 0, и защита в это время не срабатывает. Как показано на рисунке 2, при возникновении замыкания на землю в пределах диапазона защиты вторичные токи равны по величине и полярности, а разность токов равна сумме вторичных токов. При достижении заданного значения разности токов защита срабатывает.

На основе описанного выше метода реологического подключения вторичной обмотки, в продольную дифференциальную защиту добавлены фазовая регулировка, устранение тока нулевой последовательности и преобразование амплитуды векторов тока на разных сторонах для формирования метода расчета дифференциального тока, а затем введена характеристика торможения с определенным коэффициентом. Это составляет основную логику защиты.

На примере схемы подключения YN-d11 схема подключения и векторная диаграмма тока показаны на рисунке 3. Видно, что из-за разницы в угле между фазорами высокого и низкого уровней в 30° векторная сумма двух токов не равна 0 в нормальном режиме работы, и сначала требуется преобразование фаз. После преобразования фазы высокого и низкого уровней одной и той же фазы совпадают.

Существует два метода преобразования фаз: один основан на Y-стороне, так что фаза тока на D-стороне совпадает с фазой тока на Y-стороне, и называется «угловая звезда». Наиболее распространенным устройством защиты типа «угловая звезда» является Narui Jibao RCS-978 и др. Формула преобразования следующая:

Другой подход основан на стороне d, так что фаза тока на стороне Y совпадает с фазой тока на стороне d, что называется «углом поворота звезды». Большинство существующих защитных устройств используют метод угла поворота звезды, и формула преобразования выглядит следующим образом:

Целью устранения токов нулевой последовательности является предотвращение неправильной работы продольной дифференциальной защиты. В случае проводки YN-d при возникновении замыкания на землю вне высоковольтной стороны ток нулевой последовательности протекает по высоковольтной стороне Y, но на низковольтной стороне d ток нулевой последовательности отсутствует, и токи нулевой последовательности с обеих сторон не могут быть сбалансированы, поэтому дифференциальная защита будет работать со сбоями. В режиме преобразования «угол поворота звезды» разница между двумя токами после сдвига фазы на стороне Y отфильтровывает ток нулевой последовательности, поэтому никаких мер не требуется. В режиме преобразования «угол-звезда» компенсация тока нулевой последовательности выполняется по вектору тока на стороне Y, и формула компенсации выглядит следующим образом:

Из-за разницы в коэффициенте трансформации трансформатора и коэффициенте реологического преобразования каждой стороны, амплитуда вторичного дифференциального тока на каждой стороне трансформатора не может быть одинаковой как в нормальном режиме работы, так и при внешних неисправностях. В этом случае необходимо выполнить преобразование амплитуды, взяв за эталон значение тока на одной стороне, рассчитать коэффициент баланса на другой стороне, исходя из напряжения на обеих сторонах и коэффициента реологического преобразования, и умножить ток на другой стороне на коэффициент баланса, чтобы внутренний расчет дифференциального потока устройства был равен 0.

Для дальнейшего повышения чувствительности к срабатыванию при внутренних неисправностях и надежного предотвращения неравномерного тока внешних неисправностей в продольной дифференциальной защите используется дифференциальный элемент с характеристикой торможения с коэффициентом трансформации. Вертикальная ось характеристики торможения с коэффициентом трансформации — это дифференциальный ток, горизонтальная ось — тормозной ток, верхняя часть кривой — зона срабатывания, а нижняя часть — зона торможения. Существующие характеристики в основном делятся на два типа: двухсегментный ломаный и трехсегментный ломаный.

Двухсегментная ломаная кривая торможения показана на левом рисунке 4. Кривая может быть типа ABC, проходящей через начало координат, или типа ABD, не проходящей через начало координат. Большинство устройств относятся к типу ABC.

На рисунке 4 справа показана трехсегментная ломаная кривая тормозного усилия, которую можно разделить на два типа: горизонтальная линия для сегмента AB и наклонная линия для сегмента AB. К оборудованию с горизонтальной линией в сегменте AB относятся Guodian Nanzi PST-1200U, ABB RET-316, Xuji WBH-801 и SEL-387, а к оборудованию с наклонной линией в сегменте AB — Sifang CSC-326, Shenrui PRS-778 и South Swiss RCS-978.

02

Как проверить дифференциальную защиту

Проверка защиты продольного дифференциала проводится на основе характеристики тормозного усилия: защита срабатывает выше кривой, а защита ниже кривой не срабатывает.

1) Выберите точку. Выберите 3-5 точек для проверки продольной дифференциальной защиты. Первая точка выбирается на вертикальной оси рисунка 4 для проверки минимального рабочего тока Iop.min; вторая и третья точки выбираются в точке перегиба для проверки тока в точке перегиба Ires; кроме того, выберите точку на каждом из наклонов для проверки наклона.

2) Рассчитайте значение. Рассчитайте пусковой ток, коэффициент баланса и балансировку каждой стороны трансформатора; затем рассчитайте величину тока и фазовый угол каждой стороны в каждой контрольной точке в соответствии с кривой торможения устройства.

3) Проверьте кривую. Примените метод фиксированной переменной, чтобы зафиксировать один ток в контрольной точке и изменить величину другого тока, перемещая контрольную точку вверх и вниз в зону действия и зону торможения, чтобы проверить правильность работы защитного устройства.

03

Вспомогательные компоненты для дифференциальной защиты

Для повышения надежности дифференциальной защиты логика защиты также включает такие компоненты, как запуск, быстрое торможение и блокировка:

1) Пусковой элемент: Пусковой параметр включает максимальное значение трехфазного дифференциального тока, величину изменения тока и т. д. Когда пусковой параметр превышает любое из пусковых значений, защитное устройство размыкает дифференциальную защиту.

2) Дифференциальный быстродействующий элемент: При высоком уровне тока короткого замыкания, из-за насыщения трансформатора тока, вторая гармоника создает огромный тормозной момент, и дифференциальный элемент отказывается двигаться. Чтобы избежать отказа защиты, в устройстве установлен дифференциальный быстродействующий элемент. Когда ток короткого замыкания достигает 4–10-кратного номинального тока, быстродействующий элемент быстро перемещается в выходное положение. Кроме того, чтобы предотвратить неправильное срабатывание защиты из-за несоответствия переходных характеристик трансформаторов тока с каждой стороны при большом токе короткого замыкания, соответствующие характеристики трансформаторов тока с каждой стороны дифференциальной защиты основного оборудования, включая трансформаторы, должны быть согласованы (Восемнадцать контрмер 15.1.10). Высоковольтная сторона главного трансформатора № 2 подстанции подключена ко второй гирлянде проводов 2/3, а эта гирлянда подключена к другой соединительной линии; В 2017 году на фазе B выключателя в цепочке произошло однофазное замыкание на землю, и сработали два комплекта дифференциальной защиты корпуса главного трансформатора. Элемент быстрого размыкания отключил выключатели с каждой стороны главного трансформатора; двухфазная дифференциальная защита по току с обеих сторон соединительной линии отключила фазу B соответствующего выключателя, после чего произошло повторное включение однофазной защиты.

3) Блокирующий элемент для предотвращения пускового тока: При отключении трансформатора, сбрасываемого с воздуха, и короткого замыкания вне зоны трансформатора генерируется огромный пусковой ток. Для предотвращения сбоев в работе устройства, вызванных дифференциальным током, устанавливается блокирующий элемент для предотвращения продольной разности токов, использующий искажение формы сигнала (прерывистый или асимметричный дифференциальный ток), идентификацию гармонических составляющих (содержание второй или третьей гармоники) и нечеткую идентификацию пускового тока. Однако, когда трансформатор фактически сбрасывается с воздуха, особенно при первом сбросе, дифференциальная защита все еще будет давать сбои из-за недостаточного размагничивания основного корпуса, а содержание гармоник сбрасываемого дифференциального тока может быть ниже порога блокировки гармонических составляющих. Для того чтобы принципиально исключить влияние остаточной намагниченности на зарядку трансформатора, можно принять меры по размагничиванию и выполнить еще одну зарядку, или временно снизить порог блокировки второй гармоники, чтобы обеспечить нормальную работу основного трансформатора.

4) Элемент отключения трансформатора тока: При отключении вторичной фазы трансформатора тока дифференциальный ток равен току нагрузки отключенной фазы, и защита может выйти из строя. В это время ток нулевой последовательности, изменение фазного тока, аномальное резкое падение фазного напряжения и т. д. могут служить индикатором отключения трансформатора тока.

5) Блокирующий элемент насыщения трансформатора тока: При возникновении внешнего повреждения насыщение трансформатора тока приводит к нарушению дифференциальной защиты, поэтому защитное устройство оснащено блокирующим элементом обнаружения насыщения трансформатора тока. Когда трансформатор тока насыщен, дифференциальный ток возникает после определенного периода времени, поэтому устройство использует временную согласованность тормозного тока и дифференциального тока для определения того, насыщен ли трансформатор тока. Кроме того, для минимизации влияния насыщения трансформатора тока на продольную дифференциальную защиту трансформатора тока используются трансформаторы тока с точным коэффициентом ограничения (ALF) и более высоким номинальным напряжением точки перегиба (18 пунктов мер противодействия 15.1.12).

Часть 3: Введение в другие виды дифференциальной защиты

1.

защита дифференциала на стороне разделения

Дифференциальная защита с раздельными обмотками — это дифференциальная защита, в которой объектом защиты является обмотка Y трансформатора, и она состоит из первого и последнего трансформаторов тока обмоток с каждой стороны в соответствии с фазой. В качестве примера рассмотрим самосвязанную фазу А на рисунке 5, защита состоит из TA1A, TA2a' и TA3A. Согласно закону Кирхгофа для токов, между токами на обоих концах отсутствует электромагнитная связь, поэтому защита не требует элементов блокировки пускового тока, дифференциальных элементов мгновенного действия и элементов блокировки перевозбуждения. Кроме того, фиксированное значение рабочего тока дифференциальной защиты с раздельными обмотками ниже, а чувствительность выше, чем у продольной дифференциальной защиты. Однако недостатком этой защиты является невозможность защиты от межвитковых коротких замыканий.

2.

Защита от расщепления фазового дифференциального тока

Дифференциальная защита с разделением фаз — это дифференциальная защита, в которой объектом защиты является каждая фазная обмотка трансформатора, и которая состоит из трансформаторов тока с каждой стороны каждой фазной обмотки (например). Эта защита может отражать все неисправности определенной фазы трансформатора, за исключением выводов низковольтной стороны, но при этом требуется элемент блокировки пускового тока.

3.

Дифференциальная защита ячеек на стороне низкого напряжения

Поскольку дифференциальная защита с разделением фаз не имеет зоны защиты для выводных проводов на низковольтной стороне, в качестве дополнения к дифференциальной защите с разделением фаз вводится дифференциальная защита ячейки. Дифференциальная защита низковольтной стороны состоит из внутреннего трансформатора тока треугольной двухфазной обмотки на низковольтной стороне и трансформатора тока, отражающего дифференциальный ток двухфазной обмотки. Это блокирующий элемент пускового тока, но он не реагирует на межвитковые замыкания.

4.

Защита от дифференциала нулевой последовательности

Дифференциальная защита нулевой последовательности состоит из трансформаторов тока нулевой последовательности на нейтральной стороне трансформатора и цепей нулевой последовательности трансформаторов тока на стороне «звезды» трансформатора. На рисунках 6 и 7 показаны токовые петли при возникновении замыканий на землю вне зоны и внутри зоны соответственно. Аналогично, вторичные токи этой защиты не имеют электромагнитной связи, поэтому защитному устройству не требуется элемент блокировки пускового тока возбуждения или элемент блокировки перевозбуждения; в то же время оно более чувствительно к замыканию на землю обмотки трансформатора. Однако дифференциальная защита нулевой последовательности может отражать только внутренние замыкания на землю на стороне высокого и среднего напряжения и не может защитить от межвитковых коротких замыканий.