Устройство для дифференциальной защиты трансформатора
Патент 792461
Авторы
Устройство для дифференциальной защиты трансформатора
Иллюстрации
Реферат
Союз Советских
Социалисткческмх
Респубпкк
© И : А Н И Е ()792461
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополмктелькое к авт. свил-ву (22) Заявлено 21.06.78 (2 1 ) 2633691/24-07
3 (5l ) M. Кл.
Н 02 Н3/28
Н 02 Н 7/04 с присоединением заявки ¹
Государстеаииый комитет (23) Прморитет ло делам изобретений и открьний
Опубликовано 30 12 80 Бюллетень № 48
3,ата опубликования описания 31. 12.80 (53) УДК 621.31;6. .925.2. (088.8) (72) Авторы изобретении
К. М. Добродеев, B. П. Кур щын
Горьковское отделение Ордена Октябрьской Революции всесоюзного государственного проектно-изыскательского и научно-исследовательског< института энергетических систем и электрических сетей
Энергосетьпроект" (7l ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФ ФЕРЕНЫИАЛЬНОЙ
ЗАШИТЬ! ТРАНСФ ОРМАТОРА
Изобретение относится к технике релейной защиты энергосистем, а именно к релейной защите трансформаторов и автотрансформаторов.
Известны устройства для дифференци-альной защиты (ДЗ) трансформатора, в
5 которых отстроенность в режимах протекания броска тока намагничивания (б.т,н.) обеспечивается торможением второй гармоникой дифференциального тока f1 J.
1О
Наиболее 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 Е21.
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 отношеншо к первой гармонике в дифференциальном токе изменяется, и защита загрубляется в разной степени. Для обеспечения высокой защитоспособности 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 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 защищаемом
20 где У „
Х где
2и
2w где
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- i0 ники, и первый блок тормозного сигнала, ;пропорционального амплитуде второй гармоники, входы которых подключены к выходу воспринимающего блока дифференциального тока, второй блок тормозного is сигнала при внешних к.з., входы которо- .
10 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
HE и двумя элементами И-НЕ, причем рабочий вход второго блока сравнения подключен к выходу первого блока тор30 мозного сигнала, а тормозной Bxoll под- . ключен к выходу блока рабочего сигнала, рабочий вход третьего блока сравнения подключен к выходу блока рабочего сигнала, первый тормозной вход подключен
35 к выходу первого блока тормозного сигнала, а второй тормозной вход подключен к выходу второго блока тормозного сигнала, выход второго блока сравнения подключен через последовательно включен40 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 ч3 второго элемента И-НЕ, к другому входукоторого через элемент НЕ подключен выход первого блока сравнения, а выход второго элемента И-НЕ подключен к входу выходного
50 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 4 блок 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 элемен1 ,14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ, элемент 15 HE .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 срабатывания 22 и 21 и между осью абсц и с с и характер ист икой ср абатывания 21.
На фиг.2 приняты следующие буквенные обозначения:
1ьи о. — амплитудное значение первой гармоники б.т.н. — действующее значение напряжения сети; — суммарное сопротивление сети и трансформатора при б.т.п. — амплитудное значение . второй гармоники б.т.н.
- основание однофазного б.т.н. — угол, соответствующий времени протекания б.т.н. эа период
1С.ЗМИн. 2,с Змие
1 J
Ю сь.мйн" 1„1сь мин" 3 „ минимальные относительные .значения T îков срабатывания блоков сравнения.
Измерительные трансформаторы 2,3 тока включены со ьсех 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 цепей
5 7924 вторичных обмоток трансформаторов 2,3 тока и цепей устройства ПЗ, а также для преобразования сигналов трансформаторов тока в сигналы с требуемыми для устройства EB параметрами. Воспринимающие блоки 5,6 включены в цеци токов плеч
/ их назначение аналогично воспринимаю щему блоку 4.
К выходу воспринимающего блока 4 подключены блок 7 рабочего сигнала и блоки 8,9 тормозных сигналов. Блок 7 предназначен для формирования 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 9 подключен к воспринимающим блокам 4, 5,6 и предназначен для формирования 20 тормозного при внешних к.з. сигнала, пропорционального, например, разности арифметической и модуля герметической сумм токов плеч. В установившихся режимах б.т.н. или к.з. сигналы на выходах 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 Зц к выходу блока 7 рабочего сигнала, а два их тормозных входа — к выходам блоков
8,9 тормозных сигналов.
Рабочий вход второго блока 11 сравнения подключен к выходу блока 8 тормозного сигнала, а тормозной вход — к выходу блока 7 рабочего сигнала.
Блоки 10,11,12 сравнения состоят из последовательно включенных сумматора и реагируюшего элемента. Блоки сравнения производят суммирование поданных . . на входы рабочего и тормозных сигналов и при заранее заданных их отношениях .обеспечивают на выходе дискретный сигнал определенного знака - сигнал логической единицы (в дальнейшем именуе1 мого сигналом "1 ). Нулевому значению напряжения на выходе сумматора блока сравнения соответствует заданная вепичина отношения входных напряжений.
При определенной полярности отклонения выходного напряжения сумматора от нулевого уровня срабатывает- реагирующий элемент блока сравиения и на выходе вырабатывается сигнал 1 .
$S
Выход втераго блока 11 сравнения подключео через последовательно включенные элемент 13 ВРЕМЯ и элемент
14 ВРЕМЯ ПАМЯТИ к одному из входов
61 6 первого элемента 16 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 "1" на его выходе сигнал 1 появляется через некоторое заданное время. Элемент 14
ВРЕМЯ ПАМЯТИ характеризуется тем, что при исчезновении на его входе сигнала 1" на его выходе сигнал "3 исчезает через некоторое заданное время.
Выход первого элемента 16 И-HE подключен к одному из входов второго элемента 17 И-НЕ, к другому входу которого через элемент 15 HE подключен выход первого блока 10 сравнения. Выход второго элемента 17 И-НЕ подключен к входу выходного блока 18, Известно, что незатухающий б.т.н. однофазного трансформатора при кусочнолинейной аппроксимации характеристики намагничивания выражается следующей формулой:
Uf2 В -В,, L cosd Los(t+k)
Х где 8< — индукция насыщения трансформатора
9 — остаточная индукция.
Р. У вЂ” амплитудное зна ение индукции
m шМЬ вЂ” круговая частота напряжения питающей сети;
- число витков обмотки и сечение
iVS стержня магнитопровода трансформатора — начальный угол вектора напряжения при включении.
6-8
Вводя обозначенпе А= СО&А& получим айаг
j A- соь(со1+А)) =
Х
3 А-соб шАч.)10)
Из (l) видно, что форма тока зависит от величин А н g, а амплитуда зависит, в частности, от сопротивления сети. Первая и вторая гармоники б.т,и. являются функциями величины Д или основания 6pocza Я, причем
7 792461
Характеристика 19 б.т.н. однофазного .;из трансформатора, представляющая собой ст зависимость (УИ,т, ) строиласв при йзменении р от 0 до
4 paa., что соответствует реальйым условиям. При З = 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- 10 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.
1,„= „,, ге.Ъ.ЬСЦ т т где g с,з. и," с.з. — значения токов, 15,4 срабатывания блоков сравнения, равные амплитудам первой и второй гармоник дифференциального тока
h )К л //! ,т 7 T — коэффициенты тормог0 жения.
На фиг.2 показано взаимное расположение характеристик срабатывания блоков сравнения (области срабатывания заштрихованы) .
Пренебрегая минимальными значениями токов срабатывания блоков сравнения, можно записать требуемые соотношения для коэффициентов торможения:
/ /i
7 т К
Рассмотрим явления, происходящие в трансформаторе когда в режиме б.т.н. возникает внутреннее повреж ление-короткое замыкание незначительной части витков обмот- >5 ки. Как показывают исследования, возникающее повреждение практически не влияет на скорость затухания б.т,н., величина ьторой гармоники незначительно уменьшается. Величина первой гармоники уве- 30 личивается в зависимости от числа замкКоэффициенты торможения ДЗ определяются блоками 10 и 12 сравнения.
Блок 11 сравнения служит для фиксации заданного отношения первой и, второй гар моник дифференциального тока и подачи сигнала на изменение коэффициента торможения ДЗ.
Характеристика 20 срабатывания блока 10 сравнения должна располагаться выше характеристики 19 сцнофазного б„т.н. При этом обеспечивается отстроенность l13 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 ll 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 коэффициента
45 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 б„т.н. в диапазоне
=2,5 — 3, 5. Пр и э том обеспечивается повышение чувствительности в режимеб.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
S блоков сравнения (БС) имеет соответвуюшую характеристику срабатывания:
/ = ) + К .) (с,ъ.бс (О с.3,миц и" 2 п
"< 3
1с.З.БС12 |с,3. мин т 2 т
+k J GliU
ПХ
2с.З БСИ 2с.З,мин
7924
10
4,5,6 на выходах блоков 10,11,12 сравнения присутствуют сигналы логического нуля (в дальнейшем именуемого сигналом 0 ), на входах элемента 16 И-HFO, на входах элемента 17 И-НЕ-"1", а на его выходе "0", Выходной блок
18 не срабатывает.
В режиме олнофазного б,т,н., который характеризуется точкой, расположенной в зоне 23 (см.фиг.2), изменяется по сравнению с исходным режимом сигнал на выходе блока 12 сравнения: он становится равным "1", но зто ие изменяет сигналов на выходах элементов 16, 17 И-HF-.
Через некоторое время б.т.н. затухаег, 5 уменьшается и точка, характеризующая б.т.н. переходит в зону 24. При переходе в эту зону сигнал на выходе
20 блока 12 сравнения становится равным 0", что соответствует исходному режиму.
Затем точка, характеризующая б.т.н., переходит в зону 25; при этом появляется сигнал 1 " сначала на выходе бло25 ка 1 1 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 бло30 ка 11 сравнения и на первом входе элемента 16 И-HE восстанавливается сигнал Qrr
Если в режиме б.т.н., характеризуюшемся точкой, расположенной в зоне 23, 35 возникает внутреннее к.з. и срабатывает реагирующий элемент блока 10 сравнения, то на втором входе элемента 17
И-НЕ появляется сигнал "0", а на его выходе — "1". Срабатывает выходной
40 блок 18 и подает команду HQ отключение зашишаемого трансформатора 1 от источников питания.
Если в режиме б.т.н., характеризуюшемся точкой, расположенной в зоне 25, 4> возникает внутреннее к.з. и срабатывает реагируюший элемент блока 12 сравнения, то на втором входе элемента 16 И-HL появляется " l", а с его первого вхола сигнал " 1 не исчезает в течение времени, определяемом элементом 14 ВРЕМ Я
ПАМЯТИ, хотя в момент рассматриваемого к.з. на выхоле блока 13 сравнения появляется сигнал "0". При этом на выходе элемента 16 И-НЕ появляется "0", а на выходе элемента 17 И-НЕ-" 1" II соабатывает выходной блок 18. В расо сматриваемом режиме б.т.н, коэффициент торможения 113 определяется блоком 12 сравнения, поэтому чувствительность предложенного устройства к внутренним повреждениям значительно выше, чем у прототипа.
Если в нормальном установившемся режиме возникает внутреннее к.з. и срабатывают реагирующие элементы блоков
10 и 12, то сигнал на втором входе элемента 17 И-ПЕ примет значение "0", а на первом вхоле этого элемента не изменится. При этом появляется сигнал
"1", на выходе элемента 17 И вЂ” НЕ и срабатывает выходной блок 18.
Величина выдержки времени элемента
13 ВРЕМЯ составляет порядка миллисекунды и выбирается из условия исключения ложной работы Q3 при быстром пере-, холе процесса б.т.н. из зоны 23 в зону
24, когда вследствие конечного времени возврата реагируюшего элемента блока
12 сравнения и быстром срабатывании реагируюшего элемента блока 11 сравнения возможно пояг@ение сигналов "1"
HQ обоих входах элемента 16 И-НЕ.
Величина выдержки вреMOIIè элеменTа
11 ВРЕМЯ ПАМЯТИ принпмаегся порялка десяти миллисекунд и выбирается IIO условию обеспечения надежного срабатывания выходного блока 18, и, вследствие этого, на IeII I oro отк но|ения трансформаTOpQ 1 OT IICT O III IIII OLI интал ия.
Предложенное устройство в зависимости оТ отношения первой и второй гармоник в дифференциальном ТСКс обеспечивает лва коэффициента торможения, что су— шественно повышает зашитаспособность
ЛЗ в режимах б.т.н.
Чувствительность ДЗ в режиме б.г.н. повышается. Это позволяет ускорить аварийное отключение трансформатора, умень шить его разрушение и сократить расходы на ремонт.
Формула изобретения
Устройство для лифференциальной зашиты трансформатора, содержашее установленные на зашишаемом обьекте измерительные трансформаторы тока, вторичные обмотки которых включены дифференциально по схеме На циркуляцию токов, воспринимаюшие блоки, олин из которых включен в цепь дифференциального тока, а другие, число которых равно числу обмоток зашишаемого трансформатора, включены в цепи токов плеч, блок рабочего сигнала, пропорционального амплитуде
11 79, первой гармоники, и первый блок тормозного сигнала, пропорционального амплитуде второй гармоники„входы которых подключены к выходу воспринимающе о блока дифференциального тока, второй блок тормозного сигнала при внешних коротких замыканиях, входы которого подключены на выходы всех указанных воспринимающих блоков, блок сравнения на 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 12 а тормозной вход подключен -к выходу блока рабочего сигнала, рабочий вход третьего блока сравнения подключен к выходу блока рабочего сигнала, первый тормозной вход подключен к выходу первого блока тормозного сиг йала, 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 которого подключен выход третьего блока сравне15 ния, выход первого элемента И-HE подключен к одному из входов второго элемента И-НЕ, к другому входу которого через элемент HE подключен выход первого блока сравнения, а выход второго элемента И-НЕ подключен к входу выходного блока.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Патент CLUA М. 3144590, кл. 3 1 7-138, 1 9649
2. Ульяницкий E.N., Майоров В. Д.
Разработка и исследование дифференциального реле на операционных усилителях.—.
"Известия ВУЗов Электромеханика", 1975, Мо 7, с.784-790.
79246 1
0,Ф
Составитель Ю. Силаев
Редактор 3. Ходакова Текред М.Табаковнч Корректор Н. Бабинец
Заказ 9594/59 Тираж 783 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., и. 4/5
Филиал ППП Патент, г.Ужгород, ул. Проехтнан, 4