Дифференциал (87) Токовая защита | Системы измерения и контроля электроэнергии

Одним из фундаментальных законов электрических цепей является Закон тока Кирхгофа , который гласит, что алгебраическая сумма всех токов в узле цепи (переходе) должна быть равна нулю. Более простой способ заявить об этом — сказать: «то, что входит, должно выйти наружу». Мы можем использовать этот принцип, чтобы обеспечить другую форму защиты от определенных неисправностей в электрических цепях, измеряя количество тока, входящего и выходящего из компонента цепи, а затем отключая автоматический выключатель, если эти два тока когда-либо не совпадают.

Важным преимуществом дифференциальной защиты по сравнению с мгновенной или максимальной токовой защитой с выдержкой времени является то, что она гораздо более чувствительна и быстрее действует.В отличие от любой из форм защиты от перегрузки по току, которая срабатывает только в том случае, если ток превышает максимальный номинал проводников, дифференциальная защита способна срабатывать при гораздо более низких уровнях тока, поскольку закон Кирхгофа по току предсказывает, что 90 335 любая 90 336 величина дисбаланса тока для 90 335 любой отрезок времени является ненормальным. Более низкие пороги срабатывания наряду с отсутствием временной задержки означают, что дифференциальная защита может сработать раньше, чем любая форма защиты от перегрузки по току, тем самым ограничивая повреждение оборудования за счет устранения неисправности за более короткий промежуток времени.

Предположим, нам нужно измерить величину тока на обоих концах каждой фазной обмотки трехфазного генератора, показанного на следующей диаграмме:

Как и большинство крупных электрогенераторов, этот блок выводит обе клеммы каждой фазной обмотки на внешние точки, так что они могут быть соединены по схеме «звезда» или «треугольник» по желанию. В данном случае обмотки генератора соединены звездой. Пока мы измеряем ток, входящий и выходящий из каждой обмотки отдельно, не имеет большого значения, соединены ли эти обмотки генератора по схеме «звезда» или «треугольник».

Если схема точно такая, как нарисована выше, величина тока, входящего и выходящего из каждой фазной обмотки, должна быть одинаковой в соответствии с законом тока Кирхгофа. То есть:

\[I_{A1} = I_{A2} \hskip 30pt I_{B1} = I_{B2} \hskip 30pt I_{C1} = I_{C2} \hskip 30pt\]

Теперь предположим, что один из витков обмотки фазы «С» случайно коснется металлического каркаса генератора, что может произойти, например, в результате повреждения изоляции. Это замыкание на землю вызовет третий путь для тока в поврежденной обмотке.\(I_{C1}\) и \(I_{C2}\) теперь будут разбалансированы на величину, равную току неисправности \(I_F\):

Еще одна неисправность, которую можно обнаружить с помощью закона тока Кирхгофа, — это межфазное замыкание обмоток, когда ток течет из одной обмотки в другую. В этом примере короткое замыкание между фазами B и C в генераторе нарушает баланс входящих и исходящих токов для обеих фаз:

Следует отметить, что величина тока замыкания на землю или тока короткого замыкания между обмотками может быть недостаточно большой, чтобы представлять угрозу перегрузки по току для генератора, однако само существование дисбаланса тока в любой фазе доказывает, что обмотка повреждена. поврежден.Другими словами, это тип системной неисправности, которая не обязательно может быть обнаружена реле максимального тока (50/51), и поэтому должна быть обнаружена каким-либо другим способом.

Тип реле, предназначенный для этой задачи, называется реле дифференциального тока . Код номера ANSI/IEEE для дифференциальной защиты: 87 . Также существуют реле дифференциального напряжения с тем же обозначением «87» по стандарту ANSI/IEEE, поэтому при упоминании реле «87» необходимо указывать, является ли рассматриваемая дифференциальная величина напряжением или током.

Простая форма дифференциальной защиты по току для этого генератора может быть реализована путем подключения трансформаторов тока с обеих сторон каждой обмотки к управляющим катушкам такого электромеханического реле. Для простоты будет показана защита только одной фазной обмотки (С) генератора. Практичная система защиты от дифференциального тока будет контролировать ток через все шесть проводов статора генератора, сравнивая токи в каждой фазе и на выходе:

Если первичные токи ТТ \(I_{C1p}\) и \(I_{C2p}\) равны и коэффициенты трансформации ТТ равны, вторичные токи ТТ \(I_{C1s}\) и \(I_{C2s }\) также будут равны.Результатом будет нулевой ток через рабочую катушку (OC) дифференциального реле.

Однако, если замыкание на землю или соседнюю обмотку возникнет где-либо в пределах обмотки статора «С» генератора, то первичные токи двух трансформаторов тока станут неравными, вызывая неравные вторичные токи, тем самым вызывая значительный ток протекать через катушку срабатывания дифференциального реле (OC). Если этого тока достаточно для того, чтобы дифференциальное реле «сработало», реле отправит сигнал, дающий команду на отключение автоматического выключателя генератора.

Даже если значение срабатывания реле смещено во избежание ненужного срабатывания, по-прежнему возможно, что большой фазный ток, требуемый от генератора, может вызвать срабатывание дифференциального реле из-за невозможности идеального согласования между двумя фазными токами «C». трансформаторы. Любое несоответствие между этими двумя трансформаторами тока приведет к неравенству вторичных токов, которое будет увеличиваться по мере увеличения величины фазного тока. Большие, насыщенные гармониками пусковые токи , иногда возникающие при первоначальном включении большого силового трансформатора, также могут вызывать ложные срабатывания в этой простой форме дифференциальной защиты. Мы не хотим, чтобы это дифференциальное реле срабатывало по каким-либо причинам, кроме внутренней неисправности генератора в его фазной обмотке, поэтому необходима модификация для обеспечения другой рабочей характеристики.

Если мы изменим реле так, чтобы оно имело три катушки, одну для перемещения механизма в направлении срабатывания и две для «удержания» его механизма (удерживающего механизм в нормальном рабочем положении), мы можем соединить эти катушки таким образом. Таким образом, две ограничивающие катушки (RC) получают питание от двух вторичных токов ТТ, в то время как рабочая катушка видит только разницу между двумя вторичными токами ТТ.Мы называем эту схему дифференциальным реле с торможением , а прежнюю (более простую) конструкцию — дифференциальным реле без торможения :

Общей характеристикой дифференциального реле с торможением является срабатывание при превышении дифференциальным током установленного процента фазного тока.

На этой фотографии показаны три дифференциальных реле, используемых для защиты обмоток трехфазного генератора на газотурбинной электростанции.Обратите внимание, что для защиты каждой из трех фаз генератора требуется одно реле дифференциального тока:

Современные цифровые дифференциальные реле обычно воспринимают сигналы ТТ со всех трех фаз, обеспечивая защиту в одном блоке, монтируемом на панели. Цифровые реле защиты предлагают гораздо более сложные подходы к проблеме ложных срабатываний, основанных на несоответствиях между парами трансформаторов тока и/или гармонических токах. На следующем графике показаны характеристики реле защиты трансформатора General Electric модели 745, обеспечивающего дифференциальную защиту по току:

Пользователь может регулировать не только значение срабатывания, но и наклон каждого сегмента линии на графике, высоту шага «точки перегиба» и т. д.Обратите внимание, что термин «ограничение» до сих пор используется в конфигурации цифровых реле, хотя он возник в конструкциях электромеханических реле.

Следует отметить, что форма защиты от дифференциального тока также находит применение в американских домах, где электрические нормы требуют установки цепей с защитой от замыкания на землю (GFCI) в зонах, где возможен контакт между электрическими приборами и водой (например, в ванных комнатах). , кухни). Розетки GFCI функционируют, обнаруживая любую разницу в токе между «горячим» и «нейтральным» проводниками, по которым ток поступает к любой нагрузке, подключенной к розетке, и от нее:

Одиночный трансформатор тока (ТТ) в блоке GFCI определяет любой дифференциальный ток, измеряя магнитное поле сети вокруг обоих проводников с током.Если «горячий» и «нейтральный» токи равны, их противоположные направления будут создавать противоположные магнитные поля с нулевым суммарным магнитным полем, воспринимаемым ТТ. Однако, если в нагрузке, подключенной к этой розетке, существует замыкание на землю, эти два тока будут неравными, и ТТ обнаружит чистое магнитное поле. Эти защитные устройства чрезвычайно чувствительны, размыкают контакты при значениях дифференциального тока в диапазоне миллиампер . Это важно, так как замыкание на землю в электрическом приборе вполне может пройти через тело человека или животного, и в этом случае даже миллиампер может оказаться вредным или даже смертельным.

Если розетка GFCI отключается, ее можно сбросить, нажав кнопку «сброс» на ее лицевой стороне. Блоки GFCI также можно протестировать вручную, нажав кнопку «тест», также установленную на передней панели.

Очень важной концепцией в области релейной защиты является концепция зон защиты , что легко объяснить в контексте реле дифференциального тока. Проще говоря, «защитная зона» реле — это физический диапазон, в котором может быть обнаружена определенная электрическая неисправность, и, таким образом, любые компоненты и соединения в пределах зоны могут быть защищены посредством надлежащего действия реле.Реле максимального тока (50/51), обсуждавшиеся в предыдущем разделе этой книги, не имеют четко определенных зон защиты, поскольку реле максимального тока срабатывают при определенном минимальном токе значения , а не обязательно при каком-либо определенном месте отказа . Однако реле дифференциального тока имеют очень четкие и недвусмысленные зоны защиты: область, расположенная между парой токоизмерительных трансформаторов тока :

Только неисправность в зоне защиты реле (т.е. «внутренняя» неисправность) может привести к тому, что токи двух ТТ станут неравными. Благодаря закону тока Кирхгофа никакая неисправность за пределами зоны защиты (т. е. «внешняя» неисправность), какой бы серьезной она ни была, не может привести к тому, что первичные токи ТТ станут неравными.

Концепция зон защиты очень важна в релейной защите и находит применение далеко за пределами систем дифференциального тока (87). Это тесно связано с концепцией селективности , что означает способность защитного реле различать неисправность в пределах своей зоны защиты и неисправность, лежащую вне ее зоны.Реле с высокой селективностью способно игнорировать внешние неисправности, в то время как реле с низкой селективностью может ложно сработать при обнаружении внешних неисправностей.

также имеют четко определенные зоны защиты. В случае GFCI зона защиты — это все, что подключено к розетке (т.е. справа от трансформатора тока на схеме):

Обычная практика электропроводки в жилых помещениях в Соединенных Штатах заключается в последовательном подключении обычных розеток к розетке GFCI в местах, где существует опасность воды, так что все розетки, получающие питание через GFCI, становятся частью зоны защиты GFCI.Ванная комната, подключенная таким образом, например, обеспечивает одинаковую степень защиты от замыканий на землю для всех розеток в комнате. Если бы кто-то подключил электрический фен к одной из этих розеток с «гирляндной цепью», а затем случайно уронил бы этот прибор в ванну, полную воды, GFCI сработал бы и отключил питание всех розеток так же точно, как и срабатывание, если фен был подключен непосредственно к самой розетке GFCI.

Дифференциальная токовая защита наиболее практична для реализации на коротких физических расстояниях, например, на фазных обмотках генератора или некоторых других компонентах энергосистемы, но основная концепция применима и на больших расстояниях, поскольку закон Кирхгофа о токе не знает границ. Рассмотрим, например, линию передачи, протянувшуюся на мили между двумя автобусами, показанную на этой однолинейной схеме:

Здесь два дифференциальных реле управляют отключением автоматических выключателей (функция 52 ANSI/IEEE) на каждом конце линии передачи. Ток на каждом конце линии контролируется трансформаторами тока, подключенными к местным реле 87, благодаря чему зона дифференциальной защиты по току охватывает всю длину линии электропередачи. Чтобы эта схема защиты работала, два локальных реле 87 должны каким-то образом связываться друг с другом, чтобы постоянно сравнивать измеренные значения тока на обоих концах линии.Это достигается через маршрут связи между двумя ретрансляторами, называемый пилотным каналом . Термин «пилот» является общим термином в области релейной защиты, относящимся к любой форме передачи данных. Если обнаруживается значительная разница в линейном токе (т. е. в результате неисправности в любом месте по длине линии передачи), оба реле отключают свои соответствующие автоматические выключатели и, таким образом, обесточивают линию передачи.

Пилотные системы могут иметь форму аналоговой «контурной» цепи тока или напряжения, микроволновой радиолинии, линии передачи данных по линиям электропередач (PLC), линии передачи данных по оптоволоконному кабелю или любой другой формы прямой связи. точечный канал передачи данных, позволяющий реле обмениваться данными друг с другом.Детали пилотных систем в схемах защиты сложны и не будут подробно рассматриваться здесь.

Интересное предостережение при применении защиты по дифференциальному току для длинных линий заключается в том, что емкостной зарядный ток линии может в некоторых случаях быть достаточно значительным, чтобы отключить реле 87, настроенное слишком чувствительно. Можно представить себе емкость между линией и землей как форму «замыкания на землю» переменного тока, потому что любой ток, протекающий по этому пути к земле, является током, проходящим через один ТТ, но не через другой.

Текущий закон Кирхгофа не только неограничен в отношении расстояния, он также неограничен в отношении количества линий, входящих или исходящих из узла. Этот факт позволяет нам применять дифференциальную токовую защиту к шинам , где соединяются несколько линий электропередач и/или устройств. Здесь показан пример высоковольтного автобуса, сфотографированного на плотине Гранд-Кули в штате Вашингтон, который соединяет несколько блоков трехфазных трансформаторов (каждый питается от гидрогенератора):

Автобусы обычно изготавливаются из гибкого кабеля или жесткой трубы, подвешенной к земле с помощью изоляторов.Неисправности в шине могут возникать, если изолятор «перегорает» (т. е. возникает электрическая дуга от проводника шины к земле) или если что-то проводящее перекрывается между шинными линиями. Таким образом, шины могут быть защищены по принципу дифференциального тока, как и любой другой электрический компонент или линия электропередачи. Алгебраическая сумма всех токов, входящих и выходящих из каждой фазы шины, должна равняться нулю, и если это не так, это означает, что шина неисправна.

Схематическая диаграмма, показывающая одну шину с пятью различными вводами, показывает, как дифференциальная токовая защита может использоваться для защиты шины с любым количеством линий. Для простоты проводка ТТ и реле 87 показана только для одной фазы на этой трехфазной шине. В любой реалистичной схеме дифференциальной защиты шины все три фазы должны быть оборудованы трансформаторами тока и иметь три отдельных 87 элемента «рабочей катушки», по одному на каждую фазу:

Закон Кирхгофа о токах сообщает нам, что алгебраическая сумма всех токов в узле должна равняться нулю. В этом случае рассматриваемый узел представляет собой сумму всех проводников, показанных в пределах синего пунктирного контура защитной зоны.Поскольку все трансформаторы тока имеют одинаковое соотношение витков и подключены параллельно, как показано, их совокупные вторичные токи должны в сумме составлять нулевое значение тока через катушку срабатывания реле 87 при нормальной работе. Однако, если замыкание на землю или межфазное замыкание произойдет где-либо в пределах зоны защиты, 90 335, а не 90 336 вторичные токи ТТ будут в сумме равны нулю, что вызовет срабатывание дифференциального реле.

Другим важным понятием релейной защиты является перекрытие зоны защиты .Философия здесь заключается в том, что размер каждой зоны защиты должен быть ограничен, чтобы избежать ненужного отключения большего количества секций энергосистемы, чем это необходимо для локализации любой неисправности, при этом ни один компонент или проводник не остается незащищенным. На следующей однолинейной схеме показано, как зоны защиты сконфигурированы так, чтобы они перекрывали друг друга на каждом автоматическом выключателе, к которому они подключаются:

Например, неисправность в верхней линии передачи относится только к этой защитной зоне и, следовательно, вызовет срабатывание только автоматических выключателей F и G, оставив другую линию передачи и связанные с ней компоненты для передачи энергии от генерирующей станции к подстанции.Обратите внимание, что каждый автоматический выключатель в приведенной выше системе находится в пределах двух защитных зон . Если в выключателе F возникнет неисправность, она отключит выключатель E в верхней зоне трансформатора электростанции, а также выключатель G в верхней зоне линии электропередачи, изолируя вышедший из строя выключатель.

Перекрытие зон дифференциальной защиты достигается за счет разумного размещения трансформаторов тока по обе стороны от автоматического выключателя. Напомним, что граница любой схемы защиты от дифференциального тока определяется расположением трансформаторов тока, воспринимающих ток в узле и за его пределами.Таким образом, то, к какому ТТ подключается реле дифференциального тока, определяет, насколько далеко будет простираться граница зоны защиты этого реле. Мы более подробно рассмотрим однолинейную схему, чтобы глубже изучить эту концепцию, сосредоточив внимание на верхнем левом углу электростанции и опустив все трансформаторы и все генераторы, кроме одного, а также выключатели C, D и F для простоты:

Здесь мы видим, как достигается перекрытие зон путем подключения каждого дифференциального реле к дальнему ТТ на каждом автоматическом выключателе. Если бы вместо этого мы решили подключить каждое реле 87 к рядом с CT, две зоны защиты не перекрывались бы, оставляя каждый автоматический выключатель незащищенным:

Возможно, наиболее интересным и сложным применением дифференциальной защиты по току является защита силовых трансформаторов, которые подвержены многим из тех же уязвимостей, что и генераторы и двигатели (например, неисправности обмоток). Сначала у нас может возникнуть соблазн подключить ТТ к каждому проводнику, входящему и выходящему из трансформатора, с установленными 87 реле для сравнения этих токов и отключения при обнаружении дисбаланса, точно так же, как защита отдельных обмоток в генераторе.Однофазного трансформатора достаточно, чтобы проиллюстрировать эту концепцию, опять же опуская ограничительные катушки (RC) внутри каждого из дифференциальных реле для простоты:

Если каждая пара трансформаторов тока для каждого реле дифференциального тока согласована (т. е. с одинаковым соотношением витков), эта схема защитного реле будет обнаруживать замыкания на землю и замыкания между обмотками силового трансформатора. Однако одна распространенная неисправность трансформатора, которая может остаться незамеченной, — это межвитковое замыкание в одной из обмоток.Такая неисправность исказила бы соотношение витков силового трансформатора, но , а не , нарушила бы баланс токов, входящих и исходящих из любой данной обмотки, и, следовательно, не обнаруживалась бы дифференциальными реле, как показано.

Очень умный способ улучшить дифференциальную защиту трансформатора по току состоит в том, чтобы одно реле 87 сравнивало первичный и вторичный токи для этого трансформатора, тем самым расширяя зону защиты на обе обмотки с помощью всего одного реле:

Одним из необходимых условий для того, чтобы эта стратегия работала, является использование трансформаторов тока с необходимым соотношением витков, чтобы дополнить соотношение витков силового трансформатора и дать реле 87 два эквивалентных тока для сравнения.Например, если у нашего силового трансформатора коэффициент трансформации 20:1, коэффициенты трансформации двух наших трансформаторов тока должны отличаться друг от друга на один и тот же коэффициент (например, ТТ 50:5 на слаботочной первичной обмотке и ТТ 1000:5). на сильноточной вторичной обмотке).

Эта схема дифференциальной защиты по току работает для обнаружения общих неисправностей трансформатора следующими способами:

• Замыкание на землю: этот вид неисправности приводит к тому, что токи, входящие и выходящие из поврежденной обмотки, становятся неравными.Поскольку вся обмотка не пропускает один и тот же ток, она не может индуцировать правильную пропорцию тока в другой (исправной) обмотке. Эту неверную разницу токов увидит реле 87.
• Повреждение между обмотками: при таком повреждении часть тока из одной обмотки уходит и входит в другую обмотку в соотношении 1:1. Это эффективно искажает коэффициент трансформации трансформатора, что приводит к дисбалансу токов, воспринимаемых реле 87.
• Междувитковая неисправность: эта неисправность напрямую искажает коэффициент трансформации трансформатора, что приводит к дисбалансу токов, наблюдаемых реле 87.

Интересным предостережением при использовании защиты трансформатора по дифференциальному току является явление пускового тока , которое часто происходит при первоначальном включении трансформатора. Пусковой ток возникает, когда остаточный магнетизм в сердечнике трансформатора из его последнего включенного состояния оказывается значительным и имеет ту же полярность, что и начальная намагниченность при первом включении. В результате сердечник трансформатора начинает магнитно насыщаться, в результате чего возникает избыточный ток в первичной обмотке, который , а не генерирует ток во вторичной обмотке.Любое реле дифференциального тока, естественно, увидит эту разницу как неисправность и может без необходимости отключить питание трансформатора.

Умное решение проблемы ложного срабатывания реле 87 из-за пускового тока трансформатора называется блокировкой гармоник или блокировкой гармоник . Пусковые токи имеют тенденцию быть асимметричными при просмотре на осциллографе из-за смещения предварительно намагниченного сердечника трансформатора (т. е. магнитное поле сердечника достигает более сильных пиков при одной полярности, чем при другой).Эта асимметрия приводит к значительному содержанию второй гармоники (например, 120 Гц в энергосистеме с частотой 60 Гц) в первичном токе и, следовательно, является точным индикатором пускового тока. Если реле 87 предназначено для обнаружения этой частоты гармоник, оно может быть сконфигурировано для обеспечения дополнительного ограничения или даже полного запрета («блокировки») собственного отключения до тех пор, пока гармоники не исчезнут и трансформатор не стабилизируется до нормального режима работы.

Дифференциальная токовая защита трехфазных трансформаторов и блоков трансформаторов – дело более сложное, и не просто потому, что всего три.Силовые трансформаторы часто соединяются первичной и вторичной сторонами в разных конфигурациях (например, звезда-треугольник или треугольник-звезда). Таким образом, токи, входящие и выходящие из силового трансформатора, могут не совпадать по фазе друг с другом, и в таких случаях их нельзя напрямую сравнивать друг с другом для дифференциальной защиты по току. Рассмотрим этот пример, где первичная обмотка — звезда, а вторичная обмотка — треугольник. Для простоты мы рассмотрим трансформатор с одинаковым числом витков на каждой обмотке, так что каждая пара первичной/вторичной обмотки имеет соотношение витков 1:1. {o}\) фазовый сдвиг.Токи, генерируемые каждой вторичной обмоткой ТТ, обозначаются строчными буквами (\(i\), а не \(I\)) для представления их меньших значений:

Обратите внимание, как каждый ток, поступающий в ограничительную катушку (RC) реле 87, выходит из другой ограничительной катушки с одним и тем же математическим выражением, указывающим на равные значения тока. Это будет так, пока все коэффициенты трансформации ТТ правильные, а токи в силовом трансформаторе и на выходе из него должным образом соответствуют друг другу.

Если обмотки силового трансформатора имеют соотношение витков 1:1, как в случае с этой демонстрационной схемой, токи вторичной линии будут больше токов первичной линии в \(\sqrt{3}\), благодаря к тому факту, что первичные обмотки соединены звездой (токи обмоток такие же, как линейные токи), а вторичные обмотки соединены треугольником (токи обмоток объединяются, чтобы увеличить линейные токи).Это означает, что каждый из вторичных ТТ будет воспринимать больший линейный ток, чем каждый из соответствующих первичных ТТ. Однако, учитывая тот факт, что ТТ на первичной стороне силового трансформатора имеют вторичные обмотки, соединенные треугольником, фактическая величина тока, который они посылают на катушки реле 87, будет такой же, как и величина тока, посылаемого на реле 87. другими CT, учитывая равные отношения CT вокруг.

Если соотношение витков обмоток силового трансформатора отличается от 1:1, ТТ, установленные на первичной и вторичной линиях, скорее всего, также будут иметь разные соотношения.Маловероятно, что коэффициенты трансформации трансформаторов тока точно дополнят коэффициенты внутренних обмоток силового трансформатора, а это означает, что при подключении этих трансформаторов тока к 87 реле их выходные токи будут соответствовать величине 90 335, а не 90 336. Устаревшие электромеханические реле 87 были оснащены «отводами», которые можно было устанавливать на различные коэффициенты для выравнивания токов ТТ с точностью до нескольких процентов. Современные цифровые реле 87 способны намного лучше согласовать выходы трансформаторов тока первичной и вторичной сторон, поскольку они могут быть запрограммированы с произвольными поправочными коэффициентами. {o}\) между первичной и вторичной сторонами с отставанием стороны трансформатора с более низким напряжением.

Современные цифровые реле 87 предлагают «компенсацию трансформатора тока», которую можно использовать вместо дополнительных соединений для коррекции фазового сдвига силового трансформатора по схеме «звезда-треугольник», а также для корректировки коэффициентов трансформации трансформаторов тока, которые не согласованы идеально. Вместо тщательного соединения вторичных обмоток всех ТТ таким образом, чтобы фазовые углы первичной и вторичной сторон и значения тока совпадали для всех нормальных условий работы трансформатора, мы можем подключить ТТ по своему усмотрению (обычно в конфигурации «звезда»). с обеих сторон, для простоты) и пусть реле математически сопоставляет углы и величины.Эта цифровая альтернатива, конечно, требует внимательного отношения к настройкам реле, чтобы работать.

Защита трансформатора с помощью реле

Трансформаторы являются одним из наиболее важных компонентов системы электроснабжения, и их защита является важным требованием.

Схемы защиты, используемые для трансформатора, зависят от номинала и области применения трансформатора.Например, силовой трансформатор с более высоким номинальным напряжением и мощностью, чем распределительный трансформатор, потребует дополнительных средств защиты, таких как дифференциальная защита, защита от перегрузки по току, защита от перенапряжения и защита от межвитковых замыканий, в то время как распределительный трансформатор может быть защищен с помощью Только MCCB и предохранители среднего напряжения.

Силовые трансформаторы нуждаются в дополнительной защите из-за их высокой мощности и чувствительности их расположения в энергосистеме. Силовые трансформаторы используются там, где обычно начинается линия передачи, т.е.е. от генерирующей станции или там, где заканчивается линия передачи, например, на электростанции, а затем распределяется мощность.

Это означает, что необнаруженная неисправность или неадекватная защита трансформатора могут привести к огромным потерям мощности, а также к большим затратам на покрытие в случае любого повреждения. Неисправность также может привести к обесточиванию обширной территории на длительный период времени, если не будет реализована надлежащая защита. В конечном итоге это снижает надежность нашей энергосистемы, так как из-за неисправности вышестоящего трансформатора страдает весь фидер.

Неисправности трансформатора и их защита

Защита от перегрузки по току с использованием реле фазы и заземления:

Сверхтоки в трансформаторе возникают из-за одиночных замыканий на землю и междуфазных замыканий. Они также известны как короткое замыкание и сопровождаются слишком большими токами, что приводит к перегреву, возгоранию и повреждению оборудования. Поэтому защита трансформатора от перегрузки по току осуществляется с помощью реле фазы и заземления.

Фазовые реле имеют ток срабатывания, превышающий нормальный ток нагрузки и допустимую перегрузку, и он должен быть достаточно низким, чтобы обнаруживать минимальное значение тока повреждения в нашей системе.

Что касается реле заземления, ток срабатывания поддерживается на минимально возможном уровне, поскольку через землю или нейтраль протекают только несбалансированные токи или токи нулевой последовательности. Однако следует также учитывать гармоники порядка 3 ^rd , которые вызываются помехами из-за электронных нагрузок.

Также следует отметить, что такая защита от сверхтоков в основном выступает в качестве резервной защиты силовых трансформаторов. Однако он может действовать как первичная защита для трансформаторов с более низким номиналом кВА.

Защита от перегрузки по току с использованием процентных дифференциальных реле:

В случае межфазных замыканий или замыканий на землю в силовом трансформаторе можно использовать процентное дифференциальное реле, также известное как ценовое реле Merz.

Эта схема защиты основана на принципе циркулирующего тока и опирается на разность векторов между током, входящим и выходящим из клемм трансформатора, в то время как средний ток протекает через ограничительную катушку.

Таким образом, при нормальных условиях эксплуатации разница между входящим и исходящим токами ТТ через трансформатор почти равна нулю, следовательно, реле не срабатывает, но в случае замыкания линии на землю или межфазного замыкания в трансформатора, в рабочей катушке реле обнаруживается разница в токе, и оно срабатывает, посылая сигнал выключателю на отключение.Можно сказать, что дифференциальная защита обычно используется для обнаружения внутренних повреждений, а фазные реле максимальной токовой защиты используются для обнаружения внешних повреждений.

👉🏼 Мы запустили новый курс, т. е. IEEE 1584-2018 (Руководство по расчету опасности вспышки дуги) . В этом курсе мы рассказали о введении, истории и некоторых основных изменениях в утвержденном стандарте IEEE 1584-2018. В настоящее время мы предлагаем скидку 50% в течение ограниченного времени.Мы надеемся, что вы присоединитесь к нам и получите от этого пользу.

:

Следует отметить, что вторичные соединения ТТ с каждой стороны трехфазного трансформатора одинаково важны для реле.

Чтобы объяснить эту важность, давайте возьмем трехфазный трансформатор «треугольник-звезда».

Проблема тока утечки:

Теперь, если трансформаторы тока на первичной и вторичной сторонах трансформатора соединены звездой, то даже в нормальных условиях в реле будет протекать ток пути.Это происходит из-за фазового сдвига на 30 градусов на стороне треугольника трансформатора, следовательно, наша разность векторных токов не равна нулю, поэтому реле будет работать неправильно.

Решение:

Наилучший способ избежать протекания тока состоит в том, что ТТ на стороне треугольника трансформатора должны быть соединены звездой, а ТТ на стороне звезды трансформатора должны быть соединены треугольником, это можно понять из диаграммы ниже. .

Промежуточный трансформатор тока:

Однако есть еще одно осложнение, на которое тоже нужно обратить внимание.Вторичные трансформаторы ТТ, сконфигурированные по схеме треугольника, приведут к тому, что линейный ток этого ТТ будет в √3 раза больше значения фазного тока, в то время как ТТ, соединенные звездой, не будут иметь такого множителя. Это снова приведет к текущему несоответствию.

Поэтому, чтобы исключить это √3, мы будем подключать ТТ, сконфигурированные по схеме треугольника, к ТТ, известному как промежуточный или согласующий ТТ, с коэффициентом трансформации ТТ √3 ∶1. Теперь ток пути утечки будет равен нулю, и реле сможет работать без ошибок.

Работа с пусковым током:

Пусковой ток — это ток, потребляемый трансформатором в момент включения питания.Теперь, поскольку силовой трансформатор обычно работает около точки перегиба насыщения, он требует высокой величины потока, поэтому при включении трансформатора потребляется очень большой ток намагничивания.

Этот ток имеет очень большую величину, примерно в 8-30 раз превышающую номинальный ток, имеет несинусоидальную форму волны и длится всего миллисекунды или несколько секунд в худшем случае.

Гармоническое ограничение:

Однако проблема заключается в том, что этот пусковой ток проявляется как дифференциальный ток в катушке дифференциального реле трансформатора и может вызвать ложный сигнал отключения, поэтому используется реле с функцией ограничения гармоник, отличающееся в процентах.

Это реле работает на том основании, что пусковой ток трансформатора состоит в основном из гармоник 2 ^и , т. е. примерно на 30–70 % по сравнению с другими токами короткого замыкания. Реле будет ограничивать свою работу при обнаружении тока, имеющего более 15% гармонических токов 2 ^и , поэтому не будет никакого отключения при пусковом токе.

Часто используемые реле:

В настоящее время цифровые реле на основе микропроцессоров используются в промышленности для защиты трансформаторов.Помимо защиты, такие реле также оснащены множеством других функций, таких как управление, измерение, мониторинг и запись данных. Кроме того, эти реле удобны в использовании и могут быть легко интегрированы с системами управления, такими как SCADA.

Реле Бухгольца для защиты от межвитковых замыканий:

Между витками обмотки трансформатора возникают межвитковые замыкания, которые замыкаются друг на друга и могут привести к протеканию через них больших токов. Однако этот ток имеет малую величину, если смотреть с клемм трансформатора, поэтому рассмотренные выше схемы защиты затрудняют обнаружение этих повреждений.

Эти неисправности создают в трансформаторе области экстремальных точек перегрева и постепенно приводят к ухудшению состояния оборудования и его изоляции.

 Следует отметить, что межвитковые неисправности также известны как зарождающиеся неисправности, что означает, что такие неисправности вначале не очень опасны, но со временем постепенно переходят в экстремальные неисправности. Поэтому для защиты от этих неисправностей используется реле Бухгольца.

Работа реле Бухгольца:

Неисправности в трансформаторе приводят к избыточному выделению тепла, которое вызывает сильный нагрев масла.При таких высоких температурах масло начинает разлагаться с выделением газов при температуре до 350 ^o С и нагнетается давление масла.

Это внезапное повышение давления масла приводит к тому, что масло устремляется в расширитель. Лопасть или что-то вроде рычага помещается между масляным баком и расширителем и приводит в действие набор размыкающих контактов. Лопасть срабатывает, как только выброс масла толкает ее на замыкание контактов и посылает сигнал отключения на автоматический выключатель.

Реле Бухгольца также содержит второй набор контактов, которые приводятся в действие поплавком, плавающим над маслом.В случае утечки масла или разложения масла уровень масла снижается, а также падает поплавок замыкая контакты. Эти контакты не подают сигнал отключения, однако они активируют аварийный или предупредительный сигнал, поскольку утечка масла не требует немедленного отключения.

Характер неисправности и степень повреждения можно предсказать с помощью анализа захваченных газов, формально известного как анализ растворенных газов (АРГ). Это связано с тем, что выделение различных газов зависит от области нагреваемой изоляции.

Защита от перенапряжения с помощью реле напряжения на герц:

Магнитный поток в трансформаторе определяется по формуле:

Где,

В = среднеквадратичное напряжение

f = Частота

N = количество витков в обмотке

Итак, мы видим, что повышенное напряжение на фиксированной частоте или пониженная частота на фиксированном напряжении могут привести к перегрузке трансформатора. Силовой трансформатор уже работает в точке излома кривой насыщения, и любое дальнейшее увеличение его магнитного потока приводит к дальнейшему насыщению.

Это насыщение приводит к тому, что сердечник трансформатора потребляет больший ток намагничивания, это известно как перевозбуждение. Чем больше ток намагничивания потребляет трансформатор, тем больше потерь в сердечнике, что в конечном итоге приводит к перегреву трансформатора.

Далее это можно объяснить влиянием перенасыщения на форму синусоиды.Перенасыщение приводит к возникновению гармоник 3 ^rd и 5 ^th , которые искажают синусоидальную форму волны тока, как показано ниже:

Это искажение в конечном итоге потребляет больше тока, что приводит к увеличению потерь мощности и перегреву трансформатора.

Потери на вихревые токи также увеличиваются, потому что дополнительный поток из-за насыщения течет в другие части трансформатора и другое проводящее оборудование поблизости.

Следовательно, чтобы поддерживать магнитный поток трансформатора в допустимых рабочих пределах, отношение V/f не должно превышать допустимого значения. Например, трансформатор, рассчитанный на 1,5 на единицу напряжения (150 %) при номинальной частоте, будет иметь сверхпоток, как только отношение Вольт/Герц превысит 1,5 (150 %). Это также будет верно, если частота упадет почти на 68% при номинальном напряжении.

Для обнаружения этих изменений используется микропроцессорное реле, известное как реле напряжения/герца, которое измеряет отношение V/f трансформатора и отправляет предупреждающий сигнал, если трансформатор перегружен. Эта проблема не требует немедленного отключения, поскольку затем напряжение и частота регулируются соответствующим образом путем сброса нагрузки или устранения любых проблем с питанием.

Электроэнергетическая система имеет трансформаторы вместе с их защитными устройствами, но необходимо соответствующее согласование этих устройств. Мы не хотим, чтобы наши автоматические выключатели срабатывали в нормальном состоянии (также известное как ложное срабатывание), и мы не хотим откладывать отключение, чтобы трансформатор или его кабели начали повреждаться.

Поэтому мы координируем наши защитные устройства с помощью кривых времятоковых характеристик (TCC).

Вы можете ознакомиться с нашим блогом об использовании TCC, чтобы узнать о том, как с помощью TCC достигается защита трансформатора и как работать с TCC в целом.

Сводка неисправностей трансформатора и их защиты:

Общая защита трансформатора представлена ​​в таблице ниже:

Инженеры AllumiaX проводят исследования энергосистем, чтобы предоставить лучшие инженерные методы и решения для трансформаторов и других чувствительных компонентов, присутствующих в энергосистемах. Свяжитесь с нами, чтобы получить лучшие на рынке консультации по системам электроснабжения и выездные услуги.

Дайте нам знать о ваших отзывах и не стесняйтесь задавать любые вопросы.

• ---

  Об авторе

  Абдур Рехман — профессиональный инженер-электрик с более чем восьмилетним опытом работы с оборудованием от 208 В до 115 кВ как в коммунальных, так и в промышленных и коммерческих помещениях. Он уделяет особое внимание защите энергетических систем и инженерным исследованиям.

Обрыв проводников и защита от перегрузки по току обратной последовательности | NOJA Power

10 декабря 2019 г. – Сценарий ночных кошмаров для инженера по энергосистемам – появление обрыва проводника. Подавляющее большинство элементов защиты сети рассчитано на срабатывание при слишком большом фазном токе, но в случае обрыва проводника беспокоит отсутствие тока. Помимо снижения напряжения или отключения нижестоящих нагрузок, оборванные проводники могут вызвать возгорание и остаться незамеченными обычными методами релейной защиты от перегрузки по току или замыкания на землю. К счастью, понять физику сценария сети с обрывом проводника не так уж сложно, и хотя топологии трехпроводной и четырехпроводной распределительной сети дают немного разные реакции сети, четкое понимание этих концепций поможет обнаружить этот сценарий неисправности и защититься от него.

Во-первых, стоит иметь представление о теории симметричных компонентов Fortescue, которую мы можем использовать для сопоставления измеренных фазных токов и напряжений с компонентами положительной, отрицательной и нулевой последовательности.Этот процесс сопоставления позволяет нам игнорировать дисбаланс между фазами во время сбоев, что значительно упрощает процесс анализа сбоев. По сути, большинство методов защиты переменного тока (AC) используют этот процесс преобразования для обнаружения неисправностей.

Где:

Вводя значения для каждого векторного измерения, мы можем получить амплитуду и фазу каждого из компонентов последовательности. В идеальном теоретическом мире исправный распределительный фидер не должен иметь дисбаланса и, следовательно, должен иметь только ток прямой последовательности. Вы можете подтвердить это, подставив в уравнения набор сбалансированных векторов тока и увидев, что результат добавляется к нулю для каждого уравнения, кроме прямой последовательности.

В мире распределения переменного тока симметричные компоненты не ограничиваются только токами. Напряжения и импедансы также могут быть представлены в формате компонентов последовательности, что значительно упрощает анализ неисправностей.Более полный трактат на эту тему можно прочитать здесь: Защита электрических сетей , но когда мы рассматриваем случай обрыва проводов, важно признать, что:

• Источники напряжения ограничены элементами прямой последовательности
• Существует эквивалентный импеданс положительной, отрицательной и нулевой последовательности для распределительной сети

При рассмотрении сценария с оборванным проводником сначала рассмотрим, что происходит в трехпроводной системе.

Рисунок 1 – Трехпроводная система с оборванным проводником в фазе A

В качестве первого шага в анализе стоит понять, что будет означать обрыв проводника для каждого из фазных токов. С разрывом в фазе А, как показано на рисунке 1, мы эффективно удаляем ток, протекающий через эту фазу. Несмотря на попытки трехфазных генераторов протолкнуть ток по линиям, мы можем предположить, что ток не течет, что оставляет нам явный дисбаланс.Мы можем переписать схему следующим образом:

Рисунок 2 – Трехпроводная цепь с оборванным проводником в фазе A

Для опытного инженера по защите рис. 2 очень напоминает анализ межфазного замыкания, что в целом имеет смысл. При межфазном замыкании неповрежденная фаза будет иметь бесконечный импеданс по сравнению с замыканием между двумя другими проводниками. Единственная разница заключается в том, что при межфазном замыкании мы учитываем только импеданс линии, а в случае обрыва проводника мы учитываем импеданс нагрузки. Что касается межфазных замыканий, для сценария обрыва проводника на трехфазной линии наша эквивалентная схема принимает вид:

Рисунок 3 – Эквивалентная схема, 3-проводная сеть с оборванным проводником

Это дает нам несколько ключевых наблюдений.

1. При обрыве проводника ток прямой последовательности совпадает с током обратной последовательности. Когда проводник не оборван, его 100% прямой последовательности и 0% обратной последовательности.
2. Токи прямой и обратной последовательности рассчитываются с использованием одного и того же импеданса.
3. Нагрузка все еще может быть достаточно высокой, чтобы i ₁ не превышала уровень срабатывания перегрузки по току – опасно.

Современные цифровые реле защиты часто предлагают как защиту обратной последовательности фаз, так и защиту от перегрузки по току. Для трехпроводного случая мы видим, что ожидаемая составляющая обратной последовательности фаз зависит от импеданса нагрузки в сценарии с оборванным проводником. Следовательно, фактический результирующий ток обратной последовательности зависит от топологии нагрузки во время неисправности. Для прагматизма мы могли бы предположить, что теоретически сеть должна демонстрировать очень низкий ток обратной последовательности в исправном состоянии, поэтому мы могли бы правдоподобно использовать это в качестве обоснования для установки рабочей точки для NPS довольно низкой.Это может работать в простых сценариях, но когда градация защиты между несколькими устройствами становится проблемой, межфазный отказ нисходящего потока в следующей зоне может проявляться как сбой NPS в восходящей зоне, что приводит к состоянию гонки между чрезмерно чувствительными NPS в вышестоящее устройство и обычная функция максимального тока в автоматическом выключателе, ближайшем к месту повреждения.

Когда трудно собрать информацию об импедансе, мы можем полагаться на соотношение i ₁ = i ₂ в 3-фазной системе во время обрыва проводника.Когда происходит обрыв проводника, в идеальной теоретической модели:

Или в процентах:

Присвоенный код защиты ANSI 46BC (Обрыв проводника), это отношение отрицательной последовательности к положительной устраняет зависимость импеданса от расчета.Таким образом, независимо от нагрузки, мы имеем чувствительность к состоянию обрыва проводника. Чтобы эффективно обнаружить сценарий обрыва проводника в трехфазной сети, очень редко любой нормальный сетевой сценарий в трехфазной сети может превышать 20% от тока обратной последовательности к прямой последовательности. Таким образом, это обычная начальная настройка для этой функции в полевых условиях, обеспечивающая градацию с элементами перегрузки по току с учетом случаев обрыва фазы.

Распространенный в топологиях сетей в Северной Америке и распределительной сети низкого напряжения в Австралии, четырехпроводная трехфазная сеть дает несколько иной результат при рассмотрении последствий разрыва фазы.

Добавляя нейтральный проводник, мы усложняем расчет, поскольку нейтраль становится проводником тока в несимметричных условиях. Часто это конструктивное соображение, позволяющее обеспечить непрерывность обслуживания двух третей потребителей в случае с НН в случае отказа одной фазы, но, добавляя проводник, мы уменьшаем наше отношение i ₂ к i ₁ в случае НН. сценарий сломанного проводника.С нейтральным проводником в игре мы вводим эффект импеданса нулевой последовательности:

Рисунок 5 – Эквивалентная схема для оборванного проводника в четырехпроводной трехфазной сети.

Опять же, мы столкнулись с эквивалентной сетью, которая очень похожа на двойную линию на землю, за исключением того, что мы рассматриваем полное сопротивление нагрузки вместо полного сопротивления линии.Предположим, что импедансы источника пренебрежимо малы по сравнению с нагрузкой, поэтому при упрощении имеем:

Основное различие между четырехпроводной и трехпроводной системами заключается во включении нулевой последовательности в результирующий расчет. Расчет для i ₁ :

И если предположить, что i ₂ отрицательно, и признать топологию делителем тока:

Для расчета минимального коэффициента обрыва проводника в четырехпроводной системе нам необходимо знать полное сопротивление нагрузки нулевой и обратной последовательности. Как правило, импеданс нулевой последовательности больше, чем импеданс обратной последовательности, поэтому |i ₂ /i ₁ | соотношение не равно нулю, но при отсутствии информации об импедансе нагрузки лучше эмпирически оценить полевые данные, прежде чем применять функцию 46BC. Предыдущий сервис предполагает, что 20% |i ₂ /i ₁ | достаточно для чувствительности в четырехпроводных сетях, но не защищен от ложных срабатываний в сильно несбалансированных сетях.

«Несмотря на то, что это сложная тема для полного понимания, наше обнаружение обрыва проводника прост в настройке, требуется только запрограммировать соотношение между токами прямой и обратной последовательности, — говорит управляющий директор NOJA Power Group, — которое мы обычно рекомендуем на уровне 20%.Его даже можно настроить на срабатывание сигнализации вместо отключения, чтобы проверить концепцию в вашей сети».

Обнаружение обрыва проводника в распределительной сети — это сценарий, который можно надлежащим образом обнаружить с помощью тока обратной последовательности фаз. При использовании только NPS для надлежащего расчета необходимо знать импеданс нагрузки обратной последовательности. Особый случай существует для трехпроводных сетей, где полное сопротивление нагрузки прямой и обратной последовательности компенсируется в сценарии разрыва фазы, что позволяет коммунальным предприятиям с трехпроводными распределительными сетями использовать |i ₂ /i ₁ | ANSI 46 Защита от обрыва проводника при отсутствии данных о полном сопротивлении нагрузки.

Для 4-проводных систем расчет становится несколько более сложным, но его можно аппроксимировать эмпирическими данными, что дает инженерам представление о потенциально опасном сценарии обрыва проводника.

Система реклоузера OSM компании NOJA Power оснащена полным набором элементов защиты от обратной последовательности и обрыва проводника, что позволяет коммунальным предприятиям извлекать выгоду из преимуществ существующей базы активов и обеспечивать чувствительность к этой опасной категории неисправности при незначительных затратах. Чтобы узнать больше, посетите сайт www.nojapower.com.au или обратитесь к местному дистрибьютору NOJA Power.

Каталожные номера

• Эльневейхи, А.Ф., Фелтис, М.В., Швейцер, Э.О., © 1993, «Применение и координация элементов МТЗ обратной последовательности в защите распределительных сетей», IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 8, no 3,
• Преве, К.©2006, «Защита электрических сетей», ООО «ИСТЭ», ISBN-13: 978-1-
9-06-04

PSS®CAPE | Устойчивость сети | Сименс Глобал

Запускайте моделирование в 6 раз быстрее
PSS®CAPE 15 обеспечивает пользователям большую скорость, чем когда-либо прежде. PSS®CAPE 15 является лидером отрасли в области высокодетализированного моделирования защиты и позволяет пользователям сократить время моделирования на 83 %* при больших или сложных симуляциях, таких как координационные исследования на больших территориях.

Улучшения связи PSS®CAPE-TS
Этот уникальный инструмент моделирования интегрирует данные защиты PSS®CAPE с программой стабилизации переходных процессов во временной области PSS®E. Это позволяет надежно моделировать объемную электроэнергетическую систему таким образом, чтобы моделировать взаимозависимость между операциями защитных реле и динамическим поведением системы. В PSS®CAPE 15 представлено множество улучшений, в том числе: возможность моделирования одновременных неисправностей, имитация отключения однополюсного выключателя, усовершенствование моделей реле, на которые влияют колебания мощности системы, и дополнительные макросы (настройка вне шага), а также создание файла COMTRADE на основе на моделировании PSS®CAPE-TS Link.С помощью этого инновационного инструмента можно исследовать проникновение инвертированных ресурсов в систему и влияние на защиту. Узнайте больше об этом модуле в ознакомительном видео модуля.

Усовершенствования модуля соответствия PSS®CAPE
Модуль соответствия PSS®CAPE позволяет пользователям выполнять автоматизированные исследования схем защиты передающей сети и генерации для обеспечения надежности и безопасности системы защиты, например:

• Обзорные исследования координации на обширной территории (PRC-027)
• Работа реле при стабильных колебаниях мощности (PRC-026),
• Оценка нагрузочной способности защиты линии электропередачи (PRC-023)
• Оценка нагрузочной способности защиты генерации (PRC-025)
• Характеристики реле защиты по частоте и напряжению генератора (PRC-024)
• Координация возможностей генераторной установки или станции, средств регулирования напряжения и защиты (PRC-019)

PSS®CAPE 15 открывает значительные возможности для этого модуля: расширение возможностей моделирования и комбинаций конфигураций, улучшенное хранение результатов, возможности управления и экспорта, а также улучшенные возможности создания отчетов.