Защита на силови трансформатори – част 2

ПОДОБНИ СТАТИИ

Защита на силови трансформатори – част 4.

Защита на силови трансформатори - Част 3

Част 2. Елиминиране на ефектите от небаланс на токовете в диференциалните защити.

Вброй 2/2013 на списание Инженеринг ревю бяха разгледани функциите, приложенията и технологиите на реализация на защитите на силови трансформатори, както и общите принципи на защита от вътрешни и външни повреди. В този брой продължава представянето на специфичните особености на диференциалните защити (ДЗ).

Явления, свързани с намагнитване на трансформаторите
Когато на първичната намотка на трансформатор бъде подадено синусоидално напрежение, през нея протича реактивен ток Io, наречен още ток на намагнитване. Този ток не се трансформира в другите намотки. Отношението на токовете на двете страни на трансформатора IA = Ia x wA/wa, което се използва в повечето практически изчисления, всъщност е опростяване, което не отчита наличието на тока на намагнитване. Това опростяване е допустимо за установен режим на силовия трансформатор, тъй като намагнитващият ток съставлява само около 2-5% от номиналния ток.

Намагнитващият ток е свързан с магнитния поток в трансформатора Ф. Магнитопроводите на трансформаторите и схемите на свързване на намотките се конструират така, че този поток да бъде с форма, максимално близка до синусоидалната. В установен режим амплитудата му е правопропорционална на захранващото напрежение и обратнопропорционална на честотата.

Съществуват обаче режими, при които се получава силно отклонение на амплитудата и формата на намагнитващия ток и този факт има съществено значение при конструирането и избора на релейните защити, най-вече на диференциалните. Явлението е илюстрирано на фиг. 1. Магнитната характеристика на магнитопровода обуславя зависимостта Ф(Io), показана в горния десен квадрант. Тя е близка до линейна при малки стойности на потока, какъвто е случаят с установените режими. При по-големи стойности на Ф обаче се получава силна нелинейност - налице е насищане на магнитопровода. В резултат намагнитващият ток Io, свързан със синусоидалния поток Ф, получава форма, силно различаваща се от синусоида (долен десен квадрант на фиг. 1). За сравнение е показана синусоидалната форма на тока при идеална, ненаситена зависимост Ф(Io). Такава близка до синусоида крива се получава само за амплитуди на магнитния поток, които остават под точката, в която реалната зависимост Ф(Io) се закривява, т. е. когато не е започнало насищането.

При наличие само на синусоидален магнитен поток – т. нар. принуден поток, обусловен от синусоидалното захранване, кривата на намагнитващия ток е в голяма степен симетрична (като не се вземе под внимание хистерезисът на кривата на намагнитване) и съдържа почти само нечетни хармоници. При наличие на апериодична съставка на магнитния поток, такава съставка се появява и в тока на намагнитване, който вече съдържа и четните хармоници. Типични явления с апериодична съставка са началният ток на късо съединение и преходният процес при включване на силовия трансформатор.

Небаланс на вторичните токове, избор на ТТ
Токът на небаланс е диференциалният ток, който измерва ДЗ в режим на нормална работа или външно късо съединение, т. е. когато диференциалният ток теоретично трябва да бъде 0.

Първата причина за небаланса на вторичните токове е неточното изравняване на коефициентите на трансформация. За да бъде точен балансът на токовете, подавани към работния орган на ДЗ, трябва отношението на коефициентите на трансформация на токовите трансформатори ТТ от двете страни (вж. фиг. 2 от първата част на материала, публикувана в миналия брой на списанието) да бъде точно равно на коефициента на трансформация на силовия трансформатор, евентуално умножен и с коефициент за свързване звезда-триъгълник. В общия случай, гамите на номинални токове на ТТ и на силовите трансформатори не съвпадат и това условие не се изпълнява точно.

Затова за доизравняване в електромеханичните релета се предвиждат междинни трансформатори със стъпално превключване броя на намотките, а в електронните – стъпално превключващи се делители на напрежение. Ясно е, че при стъпално регулиране има граница в точността на доизравняване. При цифровите релета изравняването е точно.

Следващ фактор е точността на токовите трансформатори. При изчисляване на ДЗ следва да се вземе предвид разликата в измерените токове в рамките на грешката на ТТ. Този фактор няма как да бъде компенсиран от защитата.
Също така, с изменение положението на регулатора под товар се изменя коефициентът на трансформация на трансформатора. Следователно, дори идеално постигнат баланс за дадено положение на регулатора (обичайно изчисленията се правят за средното стъпало) се променя при друго положение. Само някои специални цифрови защити имат предвиден вход за положението на регулатора, чрез който се преизчисляват коефициентите на трансформация за всяко стъпало.

И така, при допускане, че е налице пълно изравняване на коефициентите на трансформация, че имаме ТТ с грешка 10% и стандартен регулатор под товар ±8x1,25% = ±10%, отчетеният от защитата ток на небаланс ще бъде от порядъка: Iнб = Iтр-р x (dТТ + Dрегул) = Iтр-р x (0,1 + 0,1) = 0,2Iтр-р.

Допълнителен небаланс се получава ако токът, протичащ през токовите трансформатори, е толкова голям, че попада в наситената част на характеристиката им. Практически такава опасност има, когато през трансформатора протичат токове на външно късо съединение. Тогава вторичният ток на ТТ се деформира по начина, който вече бе коментиран и илюстриран с фиг. 1. Характеристиката на ТТ има вид, определен от характеристиката на насищане, показан на фиг. 2.

Токовите трансформатори за релейни защити се конструират специално така, че характеристиката им да остава праволинейна при големи кратности на тока, за сметка на не толкова голямата точност. Стандартни класове на точност на ТТ за защити са 5Р и 10Р, съответно с 5% и 10% грешка. В номиналните данни на ТТ задължително се посочва максималната кратност на тока (по отношение на номиналния), за която тази точност е гарантирана (ALF - Accuracy Limit Factor). Това съотношение се дава за номинален товар SN на вторичната намотка във [VA] или все едно, в [W], тъй като zN = SN/I22N. В общия случай товарът на вторичната намотка не е равен на номиналния. Тогава максималната кратност се преизчислява, като ALFреал = ALFномин (zTT + SN/IN2) / (zTT + SNреал/IN2), където zТТ е вътрешното съпротивление на токовия трансформатор – от порядъка на стотни до десети от ома.

Вижда се, че при по-малко натоварване на вторичната намотка, максималната кратност, при която е гарантиран класът на точност се увеличава и обратното.
Произвеждат се и ТТ с клас на точност PX по съвременния стандарт IEC 60044-1. Те са с по-висока точност от 5P. Пакетът номинални данни, които се дават за тях, е различен от този за 5Р и 10Р, но принципът, по който се изчислява допустимата кратност на тока, е същият.
С цел избягване на значително увеличаване на грешката от насищане, следва токовите трансформатори и вторичните им вериги да се избират така, че да не се надвишава съответната максимална кратност при максимално възможния ток на външно късо съединение. Методите за постигане на търсения резултат са:
• избор на ТТ с достатъчно голяма кратност ALF;
• избор на ТТ с по-голям коефициент на трансформация;
• по възможност използване на ТТ и релета с номинален вторичен ток 1 A вместо 5 А;
• по възможност - свързване на ТТ в звезда, вместо в триъгълник (токът през ТТ се намалява с 1.73);
• намаляване импеданса на вторичните вериги, като се предвидят кабели с по-голямо сечение и монтиране на защитата по-близо до ТТ (скъсяване на кабелите);
• използването на цифрови защити само по себе си е фактор за намаляване на импеданса, тъй като те имат по-малък импеданс от по-старите типове релета.
При оценка на условията за насищане на ТТ следва да се има предвид и апериодичната съставка на тока на късо съединение, възникваща в началния момент на повредата.

Небаланс от тока на намагнитване и небаланс в режим на превъзбуждане
Както вече беше споменато, токът на намагнитване в установени режими на натоварване и на късо съединение е 2-5% от номиналния ток на трансформатора. Вижда се, че това е една стойност, значително по-малка от типичния небаланс на вторичните токове, затова небалансът, създаван от него, няма значение за диференциалната защита.

Съвсем различни са нещата при включване на трансформатора. Тогава по причина на електромагнитната инерция, освен синусоидалния (принуден) магнитен поток Ф’, който е свързан с тока на намагнитване в установен режим, се поражда преходен, затихващ експоненциално апериодичен (свободен) поток Ф’’. Принуденият магнитен поток Ф’ има синусоидална форма с честота, равна на тази на захранващото напрежение и изоставащ на 90 градуса от него. Началната стойност на свободния поток Ф’’ е равна на разликата между началната стойност на Ф’ и стойността на остатъчния поток в магнитопровода на трансформатора – вж. фиг. 3. На графиката е показан най-неблагоприятният случай, в който моментът на включване съвпада с преминаването на захранващото напрежение през нулата. Максималната стойност на сумарния магнитен поток Ф = Ф’ + Ф’’ има начална амплитуда повече от два пъти по-голяма от тази в установен режим. При това положение магнитопроводът на трансформатора се насища и се получава деформирането на намагнитващия ток, показано на фиг. 1. В резултат началната му амплитуда става няколко десетки пъти по-голяма от установения ток на празен ход, респ. няколко пъти по-голяма от номиналния ток на трансформатора. Характерно за формата му е наличието на четни хармоници благодарение на апериодичната съставка.

Режим на превъзбуждане на трансформатора има тогава, когато той е подложен или на повишено напрежение, или на понижена честота, или и на двете. Във всички случаи резултатът е увеличаване на амплитудата на магнитния поток и навлизане в зоната на насищане. Този режим се получава при внезапно изключване на товара на блок генератор-трансформатор, изключване на товара на трансформатор, захранван от дълга линия, и други подобни случаи. Характерно за този режим е, че липсва апериодична съставка, следователно токът на намагнитване съдържа почти само нечетни хармоници.

ДЗ със спирачна характеристика
Основният метод за избягване на погрешно сработване от небаланса на вторичните токове е използването на т. нар. диференциални релета със спирачна характеристика. Принципът на действие се основава на факта, че токът на небаланс, както беше показано по-горе, е пропорционален на тока, който протича през трансформатора. Тази зависимост е изобразена с правата 1 на фиг. 4. Следва да се отбележи, че правата не започва от точка 0; 0 на координатната система – тя е отместена нагоре със стойността на тока на намагнитване в установен режим (1а на графиката). Пунктирът 1b представя допълнителния небаланс в случай на насищане на ТТ. Както бе споменато, желателно е ТТ и вторичните им вериги да са проектирани така, че тази права да се намира вдясно от права 3 (максимален ток на външно късо съединение) – т. е., да не се стига до насищане в реално възможните режими на трансформатора.
Спирачната характеристика представлява “загрубяване” на диференциалното реле пропорционално на тока, протичащ през силовия трансформатор.
В електромеханичните релета това се постига от допълнителни спирачни намотки (СП на схемата на свързване, показана на фиг. 3 в първата част на материала, публикувана в предишния брой), които създават електромагнитна сила, насочена обратно на тази, създавана от диференциалния ток. В електронните и цифрови защити се прилагат аналогични функции. Най-добре е да има спирачни органи за всяка от намотките на трансформатора. При тринамотъчни трансформатори – най-малко на две от намотките – тези, които са от страна на захранващите източници. Прилагат се различни алгоритми за съчетаване на спирачното действие на тока на всяка намотка, като най-голямо е разнообразието при цифровите защити – векторно (приложимо само за двунамотъчни трансформатори) или скаларно сумиране на токовете от всяка страна на трансформатора, дискриминация по максимална стойност и др.

Групата криви 2 представя типична спирачна характеристика на съвременно диференциално реле. Участъкът 2a е частта в областта на малките токове през трансформатора, в която не е налице никакво спирачно действие. Тази отсечка от характеристиката обичайно се настройва по два параметъра – стойността по ординатата (чувствителност) и края на отсечката по абцисата (начало на спирачното действие). От тази точка започва процентната спирачната характеристика – права 2b. При нея на настройка подлежи наклонът. Настройките се избират съобразно очаквания ток на небаланс, така че кривата на сработване 2 да остава със съответния коефициент на запаса над кривата 1 за целия диапазон от токове до максималния ток на външно късо съединение. Някои защити предлагат и допълнителни криви с по-голям наклон в зоната на големите токове – 2c, с цел "отстройване" от допълнителните токове на небаланс при насищане на токовите трансформатори.

Диференциална отсечка, блокировки по хармоници
При положение, че първоначалните стойности на тока на намагнитване при включване на трансформатора са няколко пъти по-големи от номиналния му ток, диференциалната защита трябва да има такива настройки, че да не сработва неправилно при всяко включване. Въвеждане на времезакъснение за времето на затихване на преходния процес е недопустимо, тъй като противоречи на принципите на защита от вътрешна повреда.

Най-простото и исторически първото приложено решение е "загрубяването" на защитата така, че токът й на задействане да бъде по-висок от тока на включване на трансформатора. Такъв тип ДЗ се нарича "диференциална отсечка". Тъй като при нея чувствителността е много ниска и тя не може да открива вътрешни повреди в началния етап на развитието им, понастоящем тя не се използва самостоятелно. Въпреки това, съвременните диференциални защити често включват тази защита като допълнителен елемент, който има голямо бързодействие при възникване на вътрешна повреда с голям ток. По този начин се резервира действието на защитата в случай на неправилно действие на блокировките по хармоници, за които ще стане дума по-долу.
Съществуват два основни съвременни метода за съчетаване на висока чувствителност и незадействане при преходни токове на намагнитване: блокиране по хармонични съставящи и анализ на формата на диференциалния ток.

Четните хармонични съставки са силно представени в тока на намагнитване в момента на включване на трансформатора. Затова основният метод е блокиране на действието на защитата при откриване на достатъчно голяма съставка на втори хармоник в диференциалния ток. В електромеханичните релета това се постига чрез използване на междинни бързонасищащи се трансформатори, които филтрират апериодичните съставящи на тока. Това води до забавяне действието на защитата при вътрешно късо съединение за времето, за което съществува апериодична съставка на тока на късо съединение. В съвременните релета блокирането е изчислително. Има случаи, например включване на трансформатор, захранващ дълга линия, когато съдържанието на втори хармоник в тока на намагнитване не е голямо. Затова като допълнителен елемент се използва и блокиране по четвърти хармоник.

При процесите, свързани със свръхвъзбуждане обаче, преобладават нечетните хармоници. Тъй като третият хармоник се филтрира от намотките на силовия трансформатор или от ТТ, свързани в триъгълник, се прилага блокировка по следващия нечетен - пети хармоник. Недостатък на този метод обаче е, че при насищане на токовите трансформатори при протичане на голям ток на вътрешно късо съединение през тях също се генерират нечетни хармоници. Затова пресиленото действие на блокировката по пети хармоник може да компрометира чувствителността на защитата. Прилагат се и алгоритми за временно завишаване на коефициента на спирачното действие за времето на регистриране на пети хармоник. Също така има случаи, когато нелинейни товари, захранвани от трансформатора, създават постоянно нечетни хармоници, които могат да маскират ток на повреда.

Методът на анализ на формата се основава на разликата в коефициента на запълване при кривата на тока на намагнитване в сравнение с този при синусоидален ток – вж. фиг. 5. На графиките са изобразени токове, изправени от двутактен изправител на входа на защитата. Вижда се, че периодът на паузата при несинусоидалния ток е много по-голям.

Друг метод за анализ на формата е откриването на апериодична съставка на тока, характерна за първоначално включване на трансформатора. Недостатък е наличието на апериодична съставка, макар и бързо затихваща, в тока на вътрешно късо съединение.

Съществуват различни алгоритми за осъществяване на блокировките по хармоници в цифровите релета:
• числените стойности на хармоничните съставящи могат да се добавят към стойността на спирачния ток с различни коефициенти на тежест, или пък всеки пореден хармоник да се сравнява поотделно с пълния ток и да се генерира блокировка при надвишаване на определен праг;
• блокировките на всяка фаза могат да се прилагат към съответния работен орган независимо от другите фази, или пък хармониците от коя да е фаза блокират действието и на трите работни органа.

От бегло споменатите по-горе разнообразни случаи на преходни процеси става ясно, че няма универсален набор от алгоритми на блокировки. Затова съвременните релета включват по няколко от изброените възможности за блокировка, като всяка от тях може да бъде настройвана с различна тежест, включително да бъде изцяло изключвана от потребителя в зависимост от конкретните условия.

Защитите, при които се прилага комбинация от спирачни характеристики, блокировки по хармоници и диференциална отсечка, имат най-добра чувствителност – праг на сработване от 10 до 50% от номиналния ток на трансформатора, както и високо бързодействие.

В следващи броеве на списанието ще бъдат разгледани защити от вътрешни земни съединения, газови защити, алтернативи за защита от вътрешни повреди, прилагани за малки трансформатори, защити от външни повреди и технологични защити.