CC BY
38
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621 316 925 М. Я. КЛЕЦЕЛЬ
П. Н. МАЙШЕВ
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
СХЕМА
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА НА ГЕРКОНАХ С ОБМОТКАМИ ПОДМАГНИЧИВАНИЯ
В статье показано, что предлагаемая схема позволяет выполнить защиту без трансформаторов тока. Определены время (0,011 с) и порог ее срабатывания (2*1н, где 1н — номинальный ток трансформатора). Доказана селективность.
В релейной защите (РЗ) электроэнергетических коведущих шин. Для сравнения фаз необходимо от-
систем можно значительно экономить медь и высо- личать положительную полуволну переменного тока
кокачественную сталь за счет использования за- от отрицательной. Это осуществляется, как и в [5],
щит, не нуждающихся в трансформаторах тока (ТТ), путем обеспечения полярности срабатывания МК
выполненных на магнитоуправляемых контактах с помощью обмотки, в которую подается постоян-
(МК) - герконах, которые, как известно [1], нашли ный ток. Создаваемый этим током магнитный по-
широкое применение в технике из-за своих высо- ток Вп (рис. 1а) должен быть таким, чтобы выполня-
ких качеств и дешевизны. Некоторые такие защиты лось равенство: уже разработаны, например [2, 3, 4].
В данной работе предлагается схема защиты без
ТТ для силового трансформатора, построенная на причем основе принципа сравнения фаз на МК с обмотками подмагничивания.
ВП -(ВНА+Вв) КОТС - (!)
вВ~вср'КВ ■ ®ср-1'1-Внд , (2)
МК устанавливаются в магнитном поле фаз си- где ВСР и Вв - индукции магнитного потока вдоль лового трансформатора со стороны высшего и низ- пластин геркона (МПГ), при которых он срабатывает шего напряжений на безопасном расстоянии от то- и возвращается в исходное положение;
а)
Рис. 1. Индукции магнитных полей, действующих на геркон в различных режимах (а) и устройство блока, оюеспечивающего полярность срабатывания герконов (б).
Вид - индукция МПГ, созданная амплитудным значением номинального тока 1Н4 нагрузки (ВСР выбрано большим, чем Вид , чтобы исключить работу МК в режиме номинальной нагрузки трансформатора при обрывах в обмотках подмагничивания); Коте - коэффициент отстройки, учитывает погрешности расчетов, вызванные неточностью крепления МК, влиянием соседних электроустановок и допущениями, связанными с использованием закона Био-Савара-Лапласа для определения МПГ, созданного токами фаз;
Кв - коэффициент возврата МК. .
При коротком замыкании (КЗ) и выполнении условия (1) геркон размыкает контакты на время '1, если амплитуда тока возрастает от 1Ш до (на рис. 1а им соответствуют индукции ВнА и В^ ), и на время £2 при возрастании тока до ^.создающего в£{ . Во всех случаях он отпадает при индукции вв,, причем при дважды (второй раз при Вв2 )■
Таким образом, при принятой полярности постоянного тока, МК отпадает в течение отрицательной полуволны переменного тока защищаемой установки (рис. 1а). Если в его обмотку подать ток противоположной полярности, то он отпадет в положительную полуволну. Если в обмотки двух МК подается ток разной полярности (рис. 16), то один от-
падает в отрицательную, а другой - в положительную полуволну.
На рис. 2а изображена предлагаемая схема уст-ройствадифференциально-фазной защиты [6] трансформатора, которая содержит блоки 1 и 2 с геркона-ми 3 и 4 (рис. 16) с нормально замкнутыми контактами и с обмотками 5 и 6, геркон 7, элементы ПАМЯТЬ 8-11, элементы И 12 и 13 с одним инверсным входом, схемы сравнения фаз 14и 15, блок отстройки от броска тока намагничивания 16 и исполнительный орган 17. Блок 16 содержит (рис. 26) элементы ВРЕМЯ 18 - 20, элемент ПАМЯТЬ 21, элемент НЕ 22 и элемент И 23.
Устройство работает следующим образом.
В режиме номинальной нагрузки защита не работает, так как герконы блоков 1, 2 сработаны под действием тока в управляющих обмотках, и их контакты разомкнуты, а геркон 7 не срабатывает, поскольку индукция Вср его срабатывания выбрана по (2).
В режиме внешнего КЗ токи со стороны высшего и низшего напряжения защищаемого трансформатора находятся в фазе. В блоках 1 и 2 отпадают герконы, реагирующие на одну и ту же полярность тока, например, герконы 5, и подают сигналы на инверсные входы элементов 12. Действие защиты запрещается. При другой полярности тока герконы 6 воздействуют на элемент 13, и защита также не работает.
:0
-13г
р-т4-
] |Г-
От фазы А
\
— ! —, М-•'•" ¡17 ■
: От фазы С
Экг
г ...... 1б!
; 18 22 23 |
-I.....П- К*-- !&н-
I и I- п_ |
.21 19 20 !
-и
«I
О-
Ц 5Н
Рис. 2. Принципиальная схема дифференциально-фазной защиты силового трансформатора (а) и устройство блока 16 отстройки отброска тока намагничивания (б).
АО
"OB
СО
Продолывя ось геркона
! 2 3
Рис. 3. Расположение герконов под фазами защищаемого трансформатора.
При включении трансформатора под напряжение или восстановлении напряжения после отключения внешнего короткого замыкания происходит бросок тока намагничивания. Срабатывает геркон 7, и, в зависимости от того, в какую полуволну переменного тока происходит включение трансформатора, отпадает или геркон 3, или 4 и замыкает контакты в блоке 1. Герконы в блоке 2 сработаны под действием тока в управляющих обмотках, и их контакты разомкнуты (так как во вторичной обмотке трансформатора нет тока). Следовательно, на выходе элементов 12 или 13 (в зависимости от полярности тока) появляется сигнал, который запускает блок 16 отстройки от броска тока намагничивания. Элемент 18 имеет выдержку времени <4 =0,01 с, а ток намагничивания через 0,01 с после того, как он возник, близок к максимальному (он имеет в пределах периода один максимум). Поэтому элемент 18 срабатывает и подает сигнал на элемент НЕ22. В результате, на входе элемента И23 сигнал снимается. Одновременно на вход элемента ПАМЯТЬ21 подается сигнал с одного из выходов элементов И12 или И13 с инверсным входом, который спустя время ¡5 = 0,011 с, устанавливаемое на элементе ВРЕМЯ19, подается на элемент И23, и защита не работает, так как на другом входе элемента 23 сигнал уже снят. Через время (6 =0,1 с (такое время позволяет упростить исполнительный орган) элемент 20 выдержки времени подает сигнал на вход сброса элемента ПА-МЯТЬ21.
В режиме внутреннего короткого замыкания в трансформаторе, когда отсутствует подпитка током точки КЗ со стороны низшего напряжения, герконы в блоке 1, попеременно отпадая, фиксируют полярность тока, а герконы в блоке 2 находятся в сработанном состоянии (их контакты разомкнуты). На выходе элемента 12 или 13 появляется сигнал. В блоке 16 этот сигнал через элемент ПАМЯТБ21 и элемент ВРЕМЯ 19 поступает на один из входов элемента И23, а на другой его вход поступает сигнал с выхода элемента НЕ22. Элемент И23 срабатывает, и запускает исполнительный орган 17.
В режиме внутреннего КЗ в трансформаторе, когда есть подпитка, в блоках 1 и 2 отпадают герконы, реагирующие на разную полярность тока, и подают два сигнала на два входа одной из схем сравнения фаз Мили 15. Через граничное время 1ГР =0,01 с (граничное время, устанавливаемое на элементах ВРЕМЯ схем сравнения фаз, выбрано с учетом отстройки от погрешностей, вызванных неточностями расчетов, крепления и настройки). Появившийся сигнал с ее выхода запускает исполнительный орган 17. В связи с тем, что при больших кратностях тока КЗ время 12 между отпаданием и срабатыванием гер-конов может быть меньше ¡ГР, необходимо запомнить факт I отпадания на 0,01 с при помощи элементов 8-11.
Из рисунка 1а следует, что минимальный ток КЗ 'калия I при котором МК начнет отпадать, должен создавать магнитный поток
В'кАтт ~ (ВП ~Вв) К:
ЗАЛ'
(3)
где КЗАП - коэффициент запаса, учитывает погрешности в срабатывании и возврате геркона, КЗАП = : = 1,05 + 1,1.
Для того, чтобы сопоставить порог срабатывания предложенной схемы защиты с известными, использующими ТТ, нужно перейти от магнитных потоков к токам. Пусть
B<KAmla - К1 -^КАшш • ВНА ~ К2 ' 1НА
(4)
Тогда, подставляя (1), (2) и (4) в (3), считая КОТС = = 1,5, а КЗАП = 1,1, имеем:
1Нл-ИГ, ■ (1,65+0.55-Кд)
К,
(5)
В общем случае К, * К2 [7]. Например для геркона 1 (рис. 3), который должен срабатывать при КЗ между фазами А и В, коэффициент К{=ц0(дА-дв)/ '1211, а при номинальной нагрузке
К2 = Но{Vffl+ffв +9с~9аУв ~ 9а9с ~ 9в9с
)/2п,
где дА , дв, дс - коэффициенты, учитывающие влияние на МК магнитных полей, создаваемых токами фаз А В и С (получены на основе использования закона Био-Савара-Лапласа и элементарной геометрии),
ц0 - магнитная проницаемость воздуха.
Если геркон 1 (рис. 3) установлен на одной вертикали с фазой А и угол между горизонтальной плоскостью и его продольной осью равен нулю (при этом он имеет максимальную чувствительность), то дА = 1/Ь, gB=h/(h2 + d2), дс = h/(h2 + id2), где b и d- допустимые по технике безопасности расстояния между проводником и МК в вертикальной плоскости и между проводниками соседних фаз.
По приведенным формулам рассчитаем К, и К2 для геркона 1, установленного в магнитном поле тока фаз трансформаторов с высшим напряжением 10, 35 и 110 кВ (при больших напряжениях МК нечувствительны [7]), при had, взятых из [8]. Задаваясь значениями коэффициента ifB возврата МК от 0,4 до 0,6, по (5) находим порог срабатывания схемы. Аналогично производится расчет при КЗ между фазами В и С, А и С, трехфазных КЗ, а также для герконов 2 и 3, установленных на одной вертикали с фазой В и фазой С. При этом формулы для К, изменятся, как и 9а:9в'9с Результаты расчетов сведены в табл. 1, из которой следует, что при любом КЗ находится
Таблица 1
Кратность минимального тока срабатывания защиты по отношению к номинальному току трансформатора при Кв=0,4 и при Кв=0,6 (указана в скобках)
МК Напряжение, кВ Двухфазное КЗ Трехфазное КЗ
AB ВС АС
1 10-;35 2,49 (2,63) 4,56 (5,15) 1,65 (1,74) 1,87 (1,98)
110 2.64 (2,79) 4,28 (4,54) 1,64 (1,73) 1.87 (1,98)
2 10+35 1,87 (1,98) 1,87 (1,98) - 1.87 (1,98)
110 1,87 (1,98) 1,87 (1,98) - 1,87 (1,98)
3 lfc-35 4,56 (5,15) 2,49 (2,63) 1,65(1.74) 1,87 (1.98)
110 4,28 (4,54) 2,64 (2,79) 1,64 (1,73) 1,87 (1,98)
геркон с KB = 0,4(0,6J, срабатывающий при
/и,™-1'B7fl,98)-I,ы . Поэтому ток 2 /дд можно считать порогом срабатывания фазосравнивающих схем защит силовых трансформаторов без ТТ, основанных на принятом принципе определения полярности срабатывания МК. Такой порог срабатывания, как известно, во многих случаях обеспечивает требуемую чувствительность быстродействующих защит трансформаторов мощностью до 63 МВА
включительно. Отметим, что принятый Коте = взят с запасом и нуждается в уточнении, так как уже при Котс=1,3 порог срабатывания схемы 1,6-1н.
Выводы
Герконы с обмотками подмагничивания могут быть использованы для построения быстродействующих, не нуждающихся в ТТ дифференциально-фазных защит силовых трансформаторов мощностью до 63 МВА включительно с высшим напряжением 10, 35 и 110 кВ.
Библиографический список
1. Шоффа В.Н. Герконы и герконовые аппараты: Справочник М.: Изд-во МЭИ, 1993.
2. A.C. 1246230 СССР. Устройство для дифференциальной защиты преобразовательной установки //КлецельМ. Я, Опубл. 23.07.86.
3. КлецельМ. Я. Выбор тока срабатывания МТЗнагерконах для кабеля 0,4 кВ / Клецель М. Я., Алишев Ж. Р. // Изв. высш. учеб. заведений. Энергетика, - 1996. - №5-6, - С. 23-29,
4. Клецель М. Я. Реле сопротивления на герконах / Клецель М. Я., Жуламанов М. А. // Электротехника. - 2004. - №5. -С. 38-44.
5. Клецель М. Я. Принципы построения и модели дифференциальных защит электроустановок на герконах // Электротехника. - 1991. - № 10. - С. 47 - 50.
6. Предварительный патент PK № 14498. Дифференциально-фазная защита силового трансформатора // Клецель М, Я., Майшев Г1.Н. Опубл. 15.06.2004.
7. Клецель М. Я. О построении на герконах защит высоковольтных установок без трансформаторов тока/ КлецельМ. Я., Мусин В. В. // Электротехника. - 1987. - № 4. - С. 11 - 13.
8. Правила устройства электроустановок. Санкт-Петербург: Деан, 2000. -928 с.
КЛЕЦЕЛЬ Марк Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Электрические станции и автоматизация энергосистем». МАИШЕВ Павел Николаевич, аспирант, инженер.
Книжная полка
Цанев C.B. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учеб. пособие для вузов / C.B. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов; под ред. C.B. Цанева. - M.: МЭИ, 2003. - 584 с. (ГрифУМО)
Котеленец Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин: учебник для вузов / Н.Ф. Котеленец, H.A. Акимова, М.В. Антонов; под ред. Н.Ф. Котеленца. — М.: Academia, 2003. — 384с. (Высшеепрофессиональное образование). (Гриф МО)
Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МЭИ, 2003.-234 с. (ГрифУМО)
Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В 3 т.: учебник для вузов/К.С.Демирчян,Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. - 4-е ид, доп. - СПб.: Питер, 2004. - 463 сю (Учебникдля вузов). (ГифМО)
