Устройство для дифференциальной защиты трансформатора Советский патент 1980 года по МПК H02H3/28 H02H7/04 

Изобретение относится к технике релейной защиты энергосистем, а именно к релейной защите трансформаторов и автотрансформаторов. Известны устройства для дифференциальной защиты (ДЗ) трансформатора, в которых отстроенность в режимах протекания броска тока намагничивания (б.т,к обеспечивается торможением второй гармоникой дифференциального тока 1. Наиболее близким но технической сущ ности 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 fSj. Недостаток таких устройств для ДЗ заключается в том, что они могут иметь пониженную чувствительность при внутренних коротких замыканиях (к.з.) в реi жиме 6.T.H.J 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 отношеншо к первой гармонике в дифференциальном токе изменяется, и защита загрубляется в разной степени. Для обеспечения вь сокой защитоспособностн характеристика срабатывания ДЗ должна располагаться по возможности ближе к точке, характеризующей б.т.н. Целью изобретения является повышение чувствительности устройства к внутренним К.З., возникающим в режимах б.т.н., путем уменьщения коэффициента торможения характеристики срабатывания в зависимости от сйотнощения первой и второй гармоник дифференциального тока. Указанная цель достигается тем, что устройство для ДЗ трансформатора, содержащее установленные на защищаемом объекте измерительные трансформаторы тока, вторичные обмотки которых включены дифференциально по схеме на циркул5щто токов, воспринимающие блоки, один из которых включен в цепь дифференциального тока, а другие, число которых равно числу обмотсж защищаемого трансформатора, включены в цепи токов плеч, блок рабочего сигнала, проаорцисмального амплитуде первой гармЪники, и первый блок тормозного сигнала .пропорцисжального амплитуде второй гармсяики, входы которых подключены к вы ходу воспринимающего блока дифференциального тока, второй блок тормозного сигнала при внешних к.з., входы которого 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 вторьп -: и третьим 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 тормозного сигнала, а тормозной вход подключен к выходу блока рабочего сигнала рабочий вход третьего блока сравнения подключен к вьсходу блока рабочего сигнала, первьй тормозной вход подключен к выходу первого блока тормозного сигнала, а второй тормозной вход подключен к выходу второго блока тормозного сигнала, выход второго блока сравнения под ключен через последовательно включенные элементы ВРЕМЯ и ВРЕМЯ ПАМЯТ к одному из входов Первого элемента И-НЕ к другому входу которого подключен в ход третьего блока сравнения выход первого элемента И-НН подключен к одномуиз входо второго элемента И-НЕ, к другому входу ко рого через элемент НЕ подключен выход пер го блока сравнения, а выход второго элемен та И-НЕ подключен к входу выходного блока. На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 приведены характеристики срабатывания блоков срав нения и характеристика б.т.н. трансформа тора (для наглядности однофазного). На фиг. 1 обозначены защищаемьй трансформатор 1, измерительные трансформаторы 2,3 тока, воспринимающий блок 4 дифференциального тока} воспринимающие блоки 5,6 токов плеч, блок 7 рабочего сигнала, первый блок 8 и второй блок 9 тсфмозньк сигналов, первый блок 10, второй блок 11 и третий блок 12 сравнения; элемент 13 ВРЕМЯ элемент 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 первого, второго и третьего блоков сравнения соответственно} зоны 23,24,25, расположенные соответственно между характеристиками срабатывания 20 и 22, характеристики срабатьшания 22 к 21 к между осью абсцисс и характеристикой срабатывания 21. На фиг. 2 приняты следующие буквенные обозначения: - амплитудное значение первой гармоники б.т.н. действующее значение напряжения сети; суммарное сопротивление сети и трансформатора при б.т.п. -, I7 - амплитудное значение . второй гармоники б.т.н. - основание однофазного б.т.н. - угол, соответствующий времени протекания б.т.н. за период гсгмин - -(С.ЭМИН. ci.MHH 1 1С.5.МИН минимальные относительные .значения ков обрабатывания блоков сравнения. Измерительные трансформаторы 2,3 тока включены со ьсех сторон защищаемого трансформатора 1, их вторичные оботки соединены дифференциально по схее на циркуляцию тока. Воспринимающий ток 4 включен в епь дифференциального тока и предназнаен для гальванической развязки цепей

вторичных обмоток тран(Ьформаторов 2,3 тока н цепей устройства ДЗ, а также для преобразования сигналов трансформатсч ов тока в сигналы с требуемыми для устройства ДЗ параметрами. Е оспринимаюздие блоки 5,6 включены в цепи токов плеч| их назначение аналогично воспринимаю- щему блоку 41

К выходу воспринимающего блока 4 подключены блок 7 рабочего сигнала R блоки 8,9 тормозных сигналов. Блок 7 предназначен для формировання рабочего сигнала, пропорционального амплитуде первой гармоники дифференциального тока Блок 8 предназначен для формирования в режиме б.т.н. тормозного сигнала, пропорционального амплитуде второй гармоники дифференциального тока. Блок 8 подключен к воспринимающим блокам 4, 5,6 и предназначен для формировання

тормозного при внешних к.з. сигаала, пропорционального, например, разности арифметической и модуля герметической сумм токов плеч. В установившихся режимах б.т.н, или к.з, сигналы на вько- дах блоков 7,8 и 9 представляют собой выпрямленные и сглаженные напряжения с незначительной пульсацией.

Рабочие входы первого блока 10 и третьего блока 12 сравнения подключены к выходу блока 7 рабочего сигнала, а дв их тормозных входа к выходам блоков 8,9 тормозных сигналов.

Рабочий вход второго блока 11 сравнения подключен к выходу блока 8 тор- мозного сигнала, а тормозной вход - к выходу блока 7 рабочего сигнала.

Блоки 10,11,12 сравнения состоят из последовательно включенных суммато ра и реагирующего элемента. Блоки сраа нения производят суммирование поданных на входы рабочего к тормозных сигналов и при заранее заданных их отношениях . обеспечивают на выходе дискретный сигнал определенного знака - сигнал логкческой единицы ( в дальнейшем именуемого сигналом ). Нулевому значению напряжения на выходе сумматора блока сравнения соответствует заданная ве- Т1ичика отношения входньк напряжений,

При определенной полярности отклонения выходного напряжения сумматора от нулевого уровня срабатывает-реагирующий элемент блока сравнения н на выходе вырабатывается сигнал .

Выход второго блока 11 сравнения подключен через последовательно включенные элемент 13 ВРЕМЯ и элемент 14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ к одному из входов

первого элемента 1В И-НЕ, к другому входу которого подключен выход третьего блока 12 сравнения. Элемент 13 ВРЕМЯ характеризуется тем, что при возникновении на его входе сигна.а на его выходе сигнал 1 появляется через некоторое заданное время. Элемент 14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ характеризуется тем, что при исчезцовенки на его входе сигнала 1 на его выходе сигнал 1 исчезает 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. Вькод второго элемента 17 И-НЕ подключен к входу выходного блока 18,

Известно, что незатухающий б.т.н. однофазного трансформатора при кусочнолинейной аппрокскмацин характеристики намагничивания выражается следующей формулой;

.

Вс-3,

cos -cosCtijt-nk)

8

ig - индукция насыщения трансформатора8- остаточная индукция:

Г

.- амплитудное значение индукции; ГУ CoWS

круговая частота напряжения

питающей сети ,

число БИТ-ков обмотки и сеченке стержня магнитопровода транс- форматора

начальный угол вектора напряжения при включении.

обозначентнб J CO&tk ;

В

получим

и

A-cos()

)А-созСсо-Ьы)а)

.

Из (1) видно, что форма тока зависит от величин Л и о , а амплктуда зависит, в частности, от сопротивления сети. Первая и вторая гармоники б.т,и. явлшотся функциями величины А или основания брошса J) , причем

D

A -cos-2Характеристика 19 б;т,н. однсфазного трансформатора, прелстовляющая собой зависимость 7 ( ) строилась при изменении J) от О до 4 рад., что соответствует реалыГым условиям. При 2) 4: б.т.и. однофазного трансформатора по сравнению с другиыи видами б.т.н. характеризуется минкмал ным 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. J уменьшается и точка, характеризующая б.т.н., перемещается по характерис- тике 19 в начало координат. Для обеспечения отстроенности характеристика срабатывания ДЗ должна располагаться выше точки, характеризующей б.т.н. Р ассмотрим явления, происходящие в трансформаторе когаа врежимеб.т.н. возн кает внутреннее поврежцение-короткое зам кание незначительной части витков обмот ки. Как показывают исследования, возни кающее повреждение практически не влия ет на скорость затухания б.т.н., величина второй гармозшки незначительно умен шается. {Зеличина первой гармоники увеличивается в зависимости от числа замк нувшихся витков. Известное устройство для ДЗ трансфо матора (2) имеет характеристику срабат вания 20 (см.фиг.2). Из фиг.2 видно, чт при изменении величины D содержание второй гармоники по отношению к первой гармонике в дифференциальном токе изме няется и зашита загрубляется в разной степени. В предложенном устройстве повышени чувствительности ДЗ в режиме б.т.н. дос тигается путем уменьшения коэффициента 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. и переходе точки б.т.н. в зону 25 - характеристику срабатьшания 22, в режимах б.т.н. сигнал на выходе блока 9 тормозного сигнала незначитель ньй, поскольку теоретически разность арифметической н геометрической сумм токов плеч равна нулю. При этом каждый з блоков сравнения (БС) имеет соответтвующую характеристику срабатывания: .З.бСЮ 1С.2.МИИ 2т lc.3.5Cl2 lc.3. tlч,, III -1 2с.з..г. .т т где ;i 0.3. 11 .з. - значения токов, срабатывания блоков сравнения, разные амплитудам первой и второй гармоник дифференциального тока: ь. f , (i j. у rtj,- коэффициенты тормоНа фиг.2 показано взаимное расположение характеристик срабатывания блоков сравнения (области срабатывания заштрихованы). Пренебрегая минимальными значениями токов срабатьшания блоков сравнения, можно записать требуемые соотношения для коэффициентов торможения: 7Г/I К„ К„ Коэффициенты торможения ДЗ определяются блоками 10 и 12 сравнения. Блок 11 сравнения служит для фиксации заданного отношения первой н, второй гарМОНИК дифференциального тока и подачи сигнала на изменение коэффициента торможения ДЗ. Характеристика 2О срабатывания блока 10 сравнения должна располагаться выше характеристики 19 ощофазного б.т.н. При этом обеспечивается отстроенность ДЗ в расчетном режиме с минимальным по от.ношенто к первой гармонике содержанием второй гармоники в б.т.н. Характеристику 21 срабатьшания блока 11сравнения целесообразно располагать таким образом, чтобы она пересекала характеристику 19 б.т.н. в диапазсие 2,5 - 3,5. При этом обеспечивается повьпление чувствйтелькост} в режиме б.т.н. в течение .рачительного времени. Характеристика22 срабатьшания блока 12сравненик располагаться вблизи ог характеристики 21, но не пересекать ее. При наличии напряжения питания и отсутствия токов в воспринимающих блоках

4,5,6 на выходах блоков 10,11,12 сравнения присутствуют сигналы логического нуля (Б дальнейшем именуемого сигналом О), на входах элемента 16 И-НЕО, на входах элемента 17 И-НЕ-1,

а на его выходе О, Выходной блок 18 не срабатьшает.

В режиме однофазного б,т.н., которьй характеризуется точкой, расположенной в зоне 23 (см.фиг.2), изменяется по сравнению с исходныь режимом сигнал на выходе блока 12 сравнения: см становится равным 1, но это не изменяет сигналов на выходах элементов 16, 17 .

Через некоторое время б,т.и. затухает, J7 уменьшается и точка, характеризующая б.т.н.переходит в зону 24. При

переходе в эту зону сигнал на выходе блока 12 сравнения становится ра(ьным О, что соответствует исходному режиму Затем точка, характеризующая б.т.н., переходит в зону 25- при этом появляется сигнал 1 сначала на вьсхоле блока 11 сравнения, а через заданное время, определяемое элементом 13 ВРЕМЯ на первом входе элемента 16 И-НЕ,

В конце переходного процесса б.т.н. возвращается реагирующий элемент блока 11 сравнения и на первом входе элемента 16 И-НЕ восстанавливается сигна Of.

Если в режиме б.т.н.. Характеризующемся точкой, расположенной в зоне 23 возникает внутреннее к.з. и срабатывает реагирующий элемент блока 10 сравнения, то на втором входе элемента 17 И-НЕ появляется сигнал О, а на его выходе - 1. Срабатывает выходной блок 18 и подает команду на отключение защищаемого трансформатора 1 от источников питания.

БОЛИ в режиме б.т.н., характеризующемся точкой, расположенной в зоне 25, возникает внутреннее к.з. и срабатывает реагирующий 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. на выходе блока 13 сравнения появляется сигнал О. При этом на выходе элемента 16 И-НЕ появляется О, а на вьрсоде элемента 17 И-НЕ1- 1 и срабатывает выходной блок 18. F3 рассматриваемом режиме б.т.н, коэффициент торможения ДЗ определяется блоком 12

сравнения, поэтому чувствительность предложенного устройства к внутренним повреждениям значительно выше, чем у прототипа.

Если в нормальном установившемся режиме возникает внутр)еннее к.з. и срабатывают реагирующие элементы блоков 10 и 12, то сигнал на втором входе элемента 17 И-НЕ примет значение О, а на первом входе этого элемента не изменится. При этом появляется сигнал 1, на выходе элемента 17 И-НЕ и срабатьшает выходной блок 18.

Величина вьшержки времени элемента

13ВРЕМЯ составляет порядка миллисекунды и выбирается из условия исключения ложной работы ДЗ при быстром пере-, ходе процесса б.т.н. из зоны 23 в зону 24, когда вследствие конечного времени возврата реагирующего элемента блока 12 сравнения и быстром срабатьц ании реагирующего элемента блока 11 сравнения возможно появление сигналов 1 на обоих входах элемента It.i И-НЕ.

Величина ( времени элемента

14В1ЕМЯ ПАМЯТИ принимается порядка десяти миллисекунд и выбирается по условию обеспечения аадежного срабатывания выхо.тного блока L8. и, вследствие этого, надежного отключения трансформатора 1 от источников питания.

Предложенное устройство в зависимости от отношения и 15торой гармоник в дифференциальном токе обеспечивает два коэфф1щиента торможения, что существенно повышает защитоспособность ДЗ в режимах б.т.н.

Чувствительность ДЗ в режиме б.т.н. повышается. Это позволяет ускорить аварий1 ое отключение трансформатора, уменьшить его разрушение и сократить расходы на ремонт.

Формула изобретения

Устройство для дифференциальной защиты трансформатора, содержащее установленные на защищаемом объекте измерительные трансформаторы тока, вторичные обмотки которых включены дифференциально по схеме на циркуляцию токов, воспр1шимающие блоки, одш 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 гармшики, и первьгй блок тормозного сигнала, пропорцнсиального амплитуде второй гармоники, входы которых йод&лючены к выходу BocrtpitelUKidibuJer o блока дифференциального тока, второй блок тормозного сигнала при внешних коротких замыканиях, входы которого подключены на выходы всех указанньсс воспринимающих блоков, блок сравнени5 на раОочнй вход которого подключен выход блока рабочего сигнала, а на тормозные входы подключены выходы обоих блоков тормозных сигналов, и выходной блсж, . выход которого подключен к цеггам от клю(чения трансформатора, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности к внутренним коротким замыканиям, возникающим в режимах протекания бросков тока намагничивания защищаемого трансформатора путем :у1у{еньшения коэффициента торможения характеристики срабатывания в зависимости от соотношения первой и второй гармоник дифференциального тока, в него дополнительно введены второй к третий блоки сравнения, элемент ВРЕМЯ,, элемент ВРЕМЯ ПАМЯТИ, элемент НЕ и два элемента И-НЕ, рабочий вход вто рого блока сравнения подключен к вы-ч ходу первого блока тормозного сигнала,

а тормозной вход подключен -к выходу блока рабочего сигнала, рабочий вхоа третьего блока сравнения подключен к выходу блока рабочего сигнала, первый тормозной вход подключен к вькоду первого блока тормозного скгнала, а тормозной вход подключен к выходу второго блока тормозного сигнала, .Выход второго блока сравнения подключен через последовательно включенные элементы ВРЕМЯ и ВРЕМЯ ПАМЯТИ к одному из входов первого элемента И-НЕ, к другому входу которого подключен выход третьего блока сравне- ния, выход первого элемента И-НЕ подключен к одному из входов второго элемента И-НЕ, к другому входу которого через элемент НЕ подключен вьсход первого блока сравнения, а выход второго элемента подключен к входу выходного блока

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Патент США № 314459О, , кл, 317-138, 19649

2. Уль1шицкий Е.М., Майоров В. Д. Разработка и исследование дифференциального реле на операционных усилителях.- Известия ВУЗов Электромеханика, 1975, № 7, с.784-790.

f/S OirtK/tiS- Vftytf /с.з.мин /faw//