Устройство для дифференциальной защиты трансформатора

(23) Приоритет ло делам изобретений и открьлийОпубликовано 30,12,80.Бюллетень 48 Дата опубликования описания 31, 12,80(72) Авторы изобретении К, М, Добродеев, В. П. Курщын Горьковское отделение Ордена Октябрьской Революции всесоюзногогосударственного проектно-изыскательского и научно-исследовательскогинститута энергетических систем и электрических сетейЭнергосетьпроект"( 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФ ФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАШИТЬ ТРАНСФ ОРМАТОРАИзобретение относится к технике релейной зашиты энергосистем, а именно к релейной зашите трансформаторов и автотрансформаторов.Известны устройства для дифференциальной защиты (ДЗ) трансформатора, в5 которых отстроенность в режимах протекания броска тока намагничивания (б.т,н.) обеспечивается торможением второй гармоникой дифференциального тока 11,1 ОНаиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для ДЗ трансформатора, в котором торможение при б.т.н. осуществляется сигналом, пропорциональным амплитуде второй гармоники дифференциального тока. Рабочий сигнал этого устройства пропорционален амплитуде первой гармоники дифференциального тока 21.Недостаток таких устройств для ДЗ заключается в том, что они могут иметь пониженную чувствительность при внутренних коротких замыканиях (к.з,) в ре, жиме б.т.н, когда обмотки трансформатора подвергаются сильным динамическим воздействиям и вероятность возникновения внутренних к.з. возрастает, Понижение чувствительности объясняется наличием тормозного сигнала по второй гармонике, содержание которой по отношению к первой гармонике в дифференциальном токе изменяется, и зашита загрубляется в разной степени. Для обеспечения высокой зашитоспособности характеристика срабатывания ДЗ должна располагаться по возможности ближе к точке, характеризуюшей б,т.н.Целью изобретения является повышение чувствительности устройства к внутренним к.з., возникающим в режимах б,т,н., путем уменьшения коэффициента торможения характеристики срабатывания в зависимости от соотношения первой и второй гармоник дифференциального тока.Указанная цель достигается тем, что устройство для ДЗ трансформатора, содержащее установленные на зашишаемом)2 и где3 3 79246 объекте измерительные трансформаторы тока, вторичные обмотки которых включены дифференциально по схеме на циркуляцию токов, воспринимающие блоки, один из которых включен в цепь дифференциального тока, а другие, число которых равно числу обмоток защищаемого трансформатора, включены в цепи токов плеч, блок рабочего сигнала, пропорционального амплитуде первой гармо ники, и первый блок тормозного сигнала, ;пропорционального амплитуде второй гармоники, входы которых подключены к выходу воспринимающего блока дифференциального тока, второй блок тормозного 15 сигнала при внешних к,звходы которо- . го подключены.на выходы всех указанных воспринимающих блоков, блок сравнения, на рабочий вход которого подключен выход блока рабочего сигнала а на тормозные входы подключены выходы обоих блоков тормозных сигналов, и выходной блок, выход которого подключен к цепям отключения трансформатора, дополнительно снабжено вторым и третьим 25 блоками сравнения, элементом ВРЕМЯ, элементом ВРЕМЯ ПАМЯТИ, элементом НЕ и двумя элементами И-НЕ, причем рабочий вход второго блока сравнения подключен к выходу первого блока тор 30 мозного сигнала, а тормозной вход под- . ключен к выходу блока рабочего сигнала, рабочий вход третьего блока сравнения подключен к выходу блока рабочего сигнала, первый тормозной вход подключен35 к выходу первого блока тормозного сигнала, а второй тормозной вход подключен к выходу второго блока тормозного сигнала, выход второго блока сравнения подключен через последовательно включен 40 ные элементы ВРЕМЯ и ВРЕМЯ ПАМЯТИ к одному из входов первого элемента И-НЕ к другому входу которого подключен выход третьего блока сравнения, выход первого элемента И-НЕ подключен к одномуиэ входов 5 второго элемента И-НЕ, к другому входукоторого через элемент НЕ подключен выход первого блока сравнения, а выход второго элемента И-НЕ подключен к входу выходного50 блока. %На фиг,1 изображена функциональная схема устройства; на фиг,2 приведены характеристики срабатывания блоков сравнения и характеристика б.т.н. трансформатора (для наглядности однофазного).На фиг.1 обозначены защищаемый трансформатор 1, измерительные трансформаторы 2,3 тока, воспринимающий 1 4блок 4 дифференциального тока; воспринимающие блоки 5,6 токов плеч, блок 7 рабочего сигнала, первый блок 8 и вт рой блок 9 тормозных сигналов, первый блок 10, второй блок 11 и третий блоК 12 сравнения, элемент 13 ВРЕМЯ элемен ,14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ, элемент 15 НЕ, .первый элемент 16 и второй элемент 17 И-НЕ, выходной блок 18.На фиг,2 обозначены характеристика б,т,н, однофазного трансформатора 19;характеристики срабатывания 20, 21,22 перво. го, второго и третьего блоков сравнения соответственно; зоны 23,24,25, расположенные соответственно между характеристиками срабатывания 20 и 22, характеристики срабатывания 22 и 21 и между осью абсцисс и характеристикой срабатывания 21.На фиг.2 приняты следующие буквенные обозначения: чьищ о.- амплитудное значениепервой гармоники б,т.н.- действующее значениенапряжения сети;- суммарное сопротивлениесети и трансформаторапри б.т.п, - амплитудное значение .второй гармоники б,т.н.- основание однофазного б.т.н. - угол, соответствующий времени протекания б,т,н. эа период 3 1 С ЗМИн. с Змие 1сь,минф 3 1 сь. минф 3минимальные относительные .значения токов срабатывания блоков сравнения,Измерительные трансформаторы 2,3 тока включены со всех сторон защищаемого трансформатора 1, их вторичные обмотки соединены дифференциально по схеме на циркуляцию тока.Воспринимающий ток 4 включен в цепь дифференциального тока и предназначен для гальванической развязки цепей5 7924вторичных обмоток трансформаторов 2,3тока и цепей устройства ПЗ, а также дляпреобразования сигналов трансформаторовтока в сйгналы с требуемыми для устройства ДЗ параметрами. Воспринимающиеблоки 5,6 включены в цепи токов плеч/их назначение аналогично воспринимающему блоку 4.К выходу воспринимающего блока 4подключены блок 7 рабочего сигнала иблоки 8,9 тормозных сигналов. Блок 7предназначен для формирования рабочегосигнала, пропорционального амплитудепервой гармоники дифференциального тока.Блок 8 предназначен для формированияв режиме б.т,н. тормозного сигнала, пропорционального амплитуде второй гармоники дифференциального тока. Блок 9подключен к воспринимающим блокам 4,5,6 и предназначен для формирования 20тормозного при внешних к.з, сигнала,пропорционального, например, разностиарифметической и модуля герметическойсумм токов плеч. В установившихся ре- ц;Яжимах б.т.н. или к,з. сигналы на выходах блоков 7,8 и 9 представляют собойХвыпрямленные и сглаженные напряжения где Вс незначительной пульсацией.Рабочие входы первого блока 10 итретьего блока 12 сравнения подключены 30к выходу блока 7 рабочего сигнала, а дих тормозных входа - к выходам блоков8,9 тормозных сигналов,Рабочий вход второго блока 1 1 сравнения подключен к выходу блока 8 тор- змозного сигнала, а тормозной вход - квыходу блока 7 рабочего сигнала. Ь/5Блоки 10,11,12 сравнения состоятиз последовательно включенных сумматора и реагируюшего элемента. Блоки срав днения производят суммирование поданных .на входы рабочего и тормозных сигналови при заранее за их отношениях Вводяобеспечивают на в дискретный сигнал определенного - сигнал логи получимческой единицы ( в дальнейшем именуемого сигналом "1" ). Нулевому значению напряжения на выходе сумматора блока сравнения соответствует заданная величина отношения входных напряжений.При определенной полярности отклонения Из (выходного напряжения сумматора от ну- сит от влевого уровня срабатывает. реагирующийэлемент блока сравнения и на выходевырабатывается сигнал 1.5Выход второго блока 11 сравненияподключео через последовательно включенные элемент 13 ВРЕМЯ и элемент14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ к одному из входов 61 6первого элемента 16 И-НЕ, к другомувходу которого подключен выход третьего блока 12 сравнения. Элемент 13 ВРЕМЯ характеризуется тем, что при возникновении на его входе сигна. а "1" на еговыходе сигнал1" появляется через некоторое заданное время, Элемент 14ВРЕМЯ ПАМЯТИ характеризуется тем,что при исчезновении на его входе сигнала1" на его выходе сигнал " 1 исчеза;ет через некоторое заданное время,Выход первого элемента 16 И-НЕ подключен к одному из входов второго элемента 17 И-НЕ, к другому входу которого через элемент 15 НЕ подключен выход первого блока 10 сравнения. Выходвторого элемента 17 И-НЕ подключенк входу выходного блока 18,Известно, что незатухающий б.т.н.однофазного трансформатора при кусочнолинейной аппроксимации характеристикинамагничивания выражается следующейформулой; 0 А СОЗфд+Ц индукциямат ораостаточн асыщен ия ор 5 =в шМЬ индукция ва амплитудное значени частота напряжения ругова итаощ сети и и сечениевода транс-о витков обм жня магнитоп тора ьный ер орк- н угол вектора направключении,означенпэ А= С данных ыходе знака) видно, что форма ток личин А и а амп в частности, от сопрот вая и вторая гармоник функциями величины Д броска Я, причем зави зависит, сети. Пе являотся нования т,и. и ос7 792461Характеристика 19 б;т.н. однофазного .;из трансформатора, представляющая собой ст зависимостьУ,т, )строиласв при йзменении ) от 0 до 4 рад., что соответствует реальйым условиям, При 3 = 4 б,т,н. однофазного трансформатора по сравнению с другиМи видами б,т,н. характеризуется минимальным по отношению к первой гармонике содержанием второй гармоники. Этот ре жим является расчетным для выбора максимального наклона характеристики срабатывания ДЗ, При затухании б.т,н.уменьшается и точка, характеризующая б,т.н., перемещается по характеристике 19 в начало координат.Для обеспечения отстроенности характеристика срабатывания ДЗ должна располагаться выше точки, характеризующей б.т,н,+ ц 2.с,ъ,ЬсЦгдес.з. ми," с.з - значения токов, 15срабатывания блоков сравнения, равныеамплитудам первой и второй гармоникдифференциального токаК Кл )л,т г- коэффициенты тормог 0 жения,На фиг.2 показано взаимное расположение характеристик срабатывания блоковсравнения (области срабатывания заштрихованы).Пренебрегая минимальными значениямитоков срабатывания блоков сравнения,можно записать требуемые соотношениядля коэффициентов торможения;/ о /К " Кл7 7 Л Рассмотрим явления, происходящие в трансформаторе когда в режиме б,т.н. возникает внутреннее повреж пение-короткое замыкание незначительной части витков обмот ки, Как показывают исследования, возникающее повреждение практически не влияет на скорость затухания б.т,н величина ьторой гармоники незначительно уменьшается. Величина первой гармоники увеличивается в зависимости от числа замкКоэффициенты торможения ДЗ определяются блоками 10 и 12 сравнения. Блок 1 1 сравнения служит для фиксации заданного отношения первой и второй гармоник дифференциального тока и подачи сигнала на изменение коэффициента торможения ДЗ.Характеристика 20 срабатывания блока 10 сравнения должна располагаться выше характеристики 19 сцнофазного бт.н. При этом обеспечивается отстроен- ность ДЗ в расчетном режиме с минимальным по отношению к первой гармонике содержанием второй гармоники в б.т.н. нувшихся витков.Известное устройство для ДЗ трансформатора ( 2) имеет характеристику срабатывания 20 (см.фиг.2), Из фиг.2 видно, что 35 при изменении величины Ю содержание второй гармоники по отношению к первой гармонике в дифференциальном токе изменяется и защита загрубляется в разной степени. 40 В предложенном устройстве повышение чувствительности ДЗ в режиме б.т,н, достигается путем уменьшения коэффициента45 торможения характеристики срабатывания в зависимости от соотношения первой и второй гармоник дифференциального тока. При нахождении точки б.т,н. в зонах 23 и 24 ДЗ имеет характеристику срабатывания 20, а при затухании б,т,н.50 и переходе точки б,т.н, в зону 25 - характеристику срабатывания 22. Характеристику 21 срабатывания блока 11 сравнения целесообразно располагать таким образом, чтобы она пересекала характеристику 19 бт,н. в диапазоне=2,5 - 3,5. При этом обеспечивается повышение чувствительности в режиме. б,т,н. в течение -ачительного времени.Характеристика 22 срабатывания блока 12 сравнения должна, располагаться волизи от характеристики 21, но не пересекать ее,При наличии напряжения питания и отсутствия токов в воспринимающих блоках В режимах б.т.н. сигнал на выходе блока 9 тормозного сигнала незначительный, поскольку теоретически разность арифметической и геометрической сумм токов плеч равна нулю, При этом каждый 8блоков сравнения (БС) имеет соответвующую характеристику срабатывания: 3 =3к) 1 с,ъ.бС(О 1 С,З,Мин и" 2 тФ К 3 1 сЗБС 12 1 сЗ.мин " 2 в7924 10 Если в режиме б,т.н., характеризующемся точкой, расположенной в зоне 25, 45 возникает внутреннее к.з, и срдбатывает реагируюший элемент блока 12 сравнения, то на втором входе элемента 16 И-НЕ появляется " 1", а с его первого входа сигнал " 1 не исчезает в течение времени, определяемом элементом 14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ, хотя в момент рассматриваемого к,з, нд выхоле блока 13 сравнения появляется сигнал "О". При этом нд выходе элемента 16 И-НЕ появляется "0", а на выходе элемента 1 7 И-Н Е-" 1 " и срабатывает выходной блок 18. В рдсосматриваемом режиме б,т.н, коэффициент торможения ДЗ Определяется блоком 12 94,5,6 на выходах блоков 10,11,12 сравнения присутствуют сигналы логическогонуля (в дальнейшем именуемого сигналом О"), на входах элемента 16 И-НЕО", на входах элемента 17 И-НЕ-"1",а на его выходе "0", Выходной блок18 не срабатывает,В режиме однофазного б,т,н которыйхарактеризуется точкой, расположеннойв зоне 23 см.фиг.2), изменяется посравнению с исходным режимом сигнална выходе блока 12 сравнения: он становится равным "1", но зто ие изменяет сигналов на выходах элементов 16,17 И-НЕ.Через некоторое время б.т.н. затухает, Ю уменьшается и точка, характеризующая б.т.н, переходит в зону 24. Припереходе в эту зону сигнал на выходе20блока 12 сравнения становится равным0", что соответствует исходному режиму.Затем точка, характеризующая б,т.нпереходит в зону 25; при этом появляется сигнал1 " сначала нд выходе бло 25кд 11 сравнения, д через заданное время, определяемое элементом 13 В 1 ЕМ Я,на первом входе элемента 16 И-НЕ,В конце переходного процесса б,т,н.возвращается реагирующий элемент блоЗока 11 сравнения и на первом входе элемента 16 И-НЕ восстдндвливдется сигналюугЕсли в режиме б,тл., характеризуюшемся точкой, расположенной в зоне 23,35возникает внутреннее к.з. и срабатываетреагирующий элемент блока 10 сравнения, то на втором входе элемента 17И-НЕ появляется сигнал "0", а на еговыходе - "1", Срабатывает выходной40блок 18 и подает команду на отключениезашишаемого трансформатора 1 от источников питания,10сравнения, поэтому чувствительностьпредложенного устройства к внутреннимповреждениям значительно выше, чему прототипа.Если в нормальном установившемсярежиме возникает внутреннее к,з, и срабатывают реагирующие элементы блоков10 и 12, то сигнал нд втором входеэлемента 17 И-НЕ примет значение "0",а на первом вхоле этого элемента неизменится, При этом появляется сигнал"1", на выходе элемента 17 И - НЕ и срабатывает выходной блок 18.Величина выдержки времени элемента13 ВРЕМЯ составляет порядка миллисекунды и выбирается из условия исключения ложной работы ДЗ при быстром пере-,ходе процесса б.т.н, из зоны 23 в зону24, когда вследствие конечного временивозврата реагируюшего элемента блока12 сравнения и быстром срдбдтыванппреагирующего элемента блока 11 сравнения возможно пояюенио сигналов "1"на обоих входах элемента 16 И-НЕ,Величина выдержки времени элемента14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ принимается порядкадесяти миллисекунд и выбирается поусловию обеспечения надежного срдбдтывдния выходного блока 18, и, вследствиеэтого, надежного Откл 5 о 5 ения трднсформаторд 1 От источников питания.Предложенное устройство в здвисимости От отношения первой и второй гармоник в дифференциальном токс Обеспечивает лва коэффициента торможения, что су -шественно повышает зашитаспособн ОстьДЗ в режимах б.т.н,Чу.вствительность ДЗ в режиме б,т,н. повышается, Это позволяет ускорить аварийное отключение трансформатора, умень шить его разрушение и сократить расходы на ремонт.Формула изобретенияУстройство для дифференциальной зашиты трансформатора, солержашее установленные на защищаемом обьекте измерительные трансформаторы тока, вторичные обмотки которых включены дифференциально по схеме нд циркуляцию токов, воспринимающие блоки, один из которых включен в цепь дифференциального тока, а другие, число которых равно числу обмоток зашишаемого трднсформдторд, включены в цепи токов плеч, блок рабочего сигнала, пропорционального амплитуде11 79 , первой гармоники, и первый блок тормозного сигнала, пропорционального амплитуде второй гармоникивходы которых подключены к выходу воспринимающето блока дифференциального тока, второй блок тормозного сигнала при внешних коротких замыканиях, входы которого подключены на выходы всех указанных воспринимающих блоков, блок сравненияна раоочий вход которого подключен выход блока рабочего сигнала, а на тормозные входы подключены выходы обоих блоков тормозных сигналов, и выходной блок, выход которого подключен к цепям отключения трансформатора, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повыше.- ния чувствительности к внутренним коротким замыканиям, возникающим в режимах протекания бросков тока намагничивания защищаемого трансформатора путем ,уменьшения коэффициента торможения характеристики срабатывания в зависимости от соотношения первой и второй гармоник дифференциального тока, в него дополнительно введены второй и третий блоки сравнения, элемент ВРЕМЯ элемент ВРЕМЯ ПАМЯТИ, элемент НЕ и два элемента И-НЕ, рабочий вход вто- рого блока сравнения подключен к вы ходу первого блока тормозного сигнала,2461 12а тормозной вход подключен .к выходу блока рабочего сигнала, рабочий вход третьего блока сравненияподключен к выходу блока рабочего сигнала, первый тормозной вход подключенк выходу первого блока тормозного сигйала, а второй тормозной вход подключен к выходу второго блока тормозного сигнала,.выход второго блока сравнения под ключен через последовательно включенные элементы ВРЕМЯ и ВРЕМЯ ПАМЯТИ к одному из входов первого элемента И-НЕ, к другому входу которогоподключен выход третьего блока сравне 15 ния, выход первого элемента И-НЕ подключен к одному из входов второго элемента И-НЕ, к другому входу которогочерез элемент НЕ подключен выход первого блока сравнения, а выход второгоэлемента И-НЕ подключен к входу выходного блока.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент СИА Мо 3144590,25 кл. 317-138, 196492, Ульяницкий Е.М., Майоров В. Й.Разработка и исследование дифференциального реле на операционных усилителях. -792461 да Бабин ец аказ 9594/59 ЦНИИПИ Госу по делам 113035, МоскваТираж 783 Подписирственного комитета СССРобретений и открытий, Ж, Раушская набд. 4/5 П Патент, г.Ужгород, ул. Проехтнан ил ал Составитель Ю, Силаев3. Ходакова ТенреаМ,Табаковнч Корре