2.4 Токи небаланса в дифференциальной защите, возникающие при включении силового трансформатора под напряжение

Известно, что токи небаланса в измерительных органах дифференциальной защиты могут достигать больших величин не только при внешних КЗ, но и при включении ненагруженного силового трансформатора под напряжение. При этом ток намагничивания трансформатора проходит только по первичной обмотке. Такой режим работы силового трансформатора (с точки зрения эксплуатации являющийся нормальным) сопровождается появлением броска намагничивающего тока (БНТ) в первичных цепях силового трансформатора.

Дифференциальная защита трансформатора бросок намагничивающего тока может воспринимать как КЗ в защищаемой зоне, так как в обмотку дифференциального реле KAW поступает вторичный ток от ТТ одного плеча (с питающей стороны) как показано на рисунке 2. 19.

Рисунок 2.19 Упрощенная схема дифференциальной защиты силового трансформатора

Для того, чтобы дифференциальная защита ложно не срабатывала от БНТ, она должна уверенно распознавать бросок намагничивающего тока и отличать его от внутренних КЗ, используя характерные признаки БНТ.

Броском намагничивающего тока называется переходный процесс, который проявляется в резком увеличении намагничивающего тока силового трансформатора (автотрансформатора), вызванный включением трансформатора под напряжение и обусловленный возникновением свободной апериодической слагающей в магнитном потоке, приводящей к резкому (скоротечному) насыщению магнитопровода.

Наибольшие токи намагничивания возникают в ненагруженных трансформаторах. Но БНТ возможны также в нагруженных и даже закороченных трансформаторах.

Форма кривой тока намагничивания (БНТ) во время переходного процесса существенно несинусоидальна. Параметры БНТ, характеризующие значение и форму кривой намагничивания, являются случайными и зависят от многих факторов (от фазы напряжения сети на момент включения трансформатора; от величины остаточной индукции в сердечнике трансформатора, когда напряжение на последний подается в цикле АПВ; от типа и конструктивных особенностей трансформатора(трехфазный трансформатор с общим магнитопроводом или группа однофазных); от степени нагруженности трансформатора).

Для упрощения анализа переходного процесса в трансформаторе при включении его под напряжение вводят некоторые допущения:

- рассматривают, как правило, однофазный трансформатор;

- считают, что к моменту включения магнитопровод ненасыщен (), т. е. зависимость магнитного потока (магнитной индукции) от величины тока намагничивания является линейной.

Мгновенное значение магнитного потока в сердечнике трансформатора определяется выражением:

(2.1)

Ф уст.реж. Ф перех.реж.

где - – текущая фаза напряжения сети на момент включения трансформатора;

- – параметры цепи, по которой проходит ток намагничивания.

Из анализа выражения (2.1) следует, что характер переходного процесса (характер изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора во времени) зависит от фазы напряжения сети в момент включения трансформатора (в момент времени ).

(2.2)

Рассмотрим два случая.

1. Если в момент включения (t=0) напряжение проходило через фазу , то

(2.3)

(ранее мы приняли B_r = 0, следовательно, ).

В этом случае после включения трансформатора под напряжение сразу начинается установившийся режим холостого хода (ХХ) с малым током намагничивания и малым магнитным потоком. Это означает, что при в нулевой момент времени сеть питания не стремится мгновенно изменить потокосцепление () первичной обмотки силового трансформатора от нуля до какой либо величины, а постепенно создает в сердечнике косинусоидальный магнитный поток установившегося режима ХХ. При этом не происходит резкого глубокого насыщения магнитопровода и индуктивное сопротивление первичной обмотки значительно не уменьшается. Все это не содействует появлению БНТ в первичной обмотке трансформатора.

Приведенные выше рассуждения можно проиллюстрировать следующей временной диаграммой (рисунок 2. 20).

Рисунок 2. 20 Кривая магнитного потока намагничивания в сердечнике

трансформатора при его включении под напряжение в момент времени, когда

напряжение сети проходит через фазу

2. Если в момент включения трансформатора напряжение сети проходит через фазу , то при , когда мгновенное значение первичного напряжения , составляющая магнитного потока должна иметь максимально значение со знаком «минус», т. е.

Однако потокосцепление первичной обмотки не может изменяться скачком от нуля до . Поэтому в нулевой момент времени помимо периодической составляющей возникает апериодическая слагающая , равная (в момент времени t = 0) по величине и противоположная по знаку (рисунок 2.21, а).

Апериодическая слагающая потока намагничивания уменьшается по экспоненте значительно медленнее, чем периодическая составляющая . Через промежуток времени равный 0,01 с периодический магнитный поток, изменив знак, достигает величины . В это время в магнитопроводе будет создан суммарный магнитный поток по величине близкий к .

Суммарный магнитный поток глубоко насыщает сердечник трансформатора, в результате чего значительно уменьшается индуктивное сопротивление первичной обмотки, а вместе с ним значительно уменьшается полное сопротивление Z первичной обмотки (рисунок 2.21, б). Это, в свою очередь, приводит к резкому возрастанию тока намагничивания. Возрастание тока намагничивания и уменьшение полного сопротивления обмотки W1 взаимосвязаны и протекают лавинообразно. Первые импульсы тока в обмотке трансформатора аналогичны по своему воздействию на дифференциальную защиту ударному току при КЗ в сети.

Рисунок 2.21 БНТ в силовом трансформаторе.

Величина тока в первых импульсах может достигать шести – восьмикратного номинального тока силового трансформатора.

Таким образом, наибольший бросок намагничивающегося тока будет иметь место в тех случаях, когда напряжение сети, подаваемое на трансформатор, проходит в момент включения через фазу или . Когда напряжение проходит фазу или в момент включения, ударный ток не возникает. При иных фазах напряжения в момент включения БНТ возникает той или иной величины.

При расчетах дифференциальных защит силовых трансформаторов ориентируются на максимально возможные ударные токи броска.

Из рисунка 2.21, б следует, что ток намагничивания силового трансформатора в переходном режиме имеет вид однополярных импульсов, уменьшающихся по мере затухания результирующего магнитного потока Ф(t).

В начале переходного процесса имеет место бестоковая пауза длительностью (3-4) мс.

Вслед за первым токовым импульсом наступает вторая бестоковая пауза. Исследования БНТ в трансформаторе показывают, что длительность второй бестоковой паузы не менее 6,6 мс. Длительности последующих пауз несколько увеличиваются. Наличие бестоковых пауз (второй и последующих) в токе намагничивания являются отличительным признаком БНТ, который используется в некоторых дифференциальных реле (РСТ – 15, ДЗТ – 21, 23) для обеспечения несрабатывания защиты от БНТ.

На рисунке 2. 22 для сравнения приведены первичные токи в трансформаторе:

- при его включении под напряжение (рисунок а),

- в случае внутреннего КЗ (рисунок б), а также вторичные токи (после измерительных ТТ) от БНТ и от тока внутреннего КЗ (рисунки в и г).

При включении трансформатора под напряжение, когда возникает БНТ ток намагничивания можно рассматривать как сумму токов и . Обе слагающие трансформируются во вторичную цепь измерительного ТТ. (Периодический ток трансформируется лучше, апериодический - хуже). Поэтому вторичный ток БНТ (рисунок 2. 22, в) также как первичный смещен относительно оси времени. Следовательно, во-первых, при БНТ во вторичном токе сохраняются бестоковые паузы (6.6 мс); во – вторых, вторичный ток (как и первичный ) имеет в своем составе чётные

гармоники; уровень второй гармоники при БНТ может достигать 40 % от первой. Тогда как при внутренних КЗ (рисунок 2.22 б,г )уровень второй гармоники меньше, чем при БНТ и она затухает в течении одного-трех полупериодов промышленной частоты.

Рисунок 2. 22 Формы кривых первичных и вторичных токов при БНТ и при

внутреннем КЗ

Наличие второй гармоники во вторичном токе БНТ является также отличительным признаком тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение. В некоторых реле дифференциальной защиты (например в реле ДЗТ-21) вторая гармоника выбирается с помощью частотного фильтра и используется для формирования тормозного сигнала, загрубляющего чувствительность дифференциального реле на время протекания переходного процесса при БНТ. По окончании переходного процесса, когда по первичной обмотке силового трансформатора протекает лишь небольшой ток намагничивания синусоидальной формы и несмещенный относительно оси времени, вторая гармоника исчезает и чувствительность реле восстанавливается.

В качестве вывода по рассмотренному вопросу перечислим характерные признаки БНТ.

1. Значение первых токовых импульсов может достигать 6-8 номинальных токов силового трансформатора.

2. Кривая тока смещена относительно оси времени, следовательно её можно рассматривать как сумму токов и .

3. Наличие в составе тока второй гармоники (до 40%).

4. Наличие бестоковых пауз между первым и вторым токовыми импульсами, между вторым и третьим и т.д. Длительность бестоковых пауз не менее 6.6 мс (проверенно эксперементально).

5. Продолжительность переходного процесса составляет 15-20 периодов промышленной частоты.

6. Наличие первой бестоковой паузы (3-4 мс), т.е. передний фронт первого импульса тока отстает от момента включения трансформатора под напряжение на 3-4 мс.

7. Наличие во вторичном токе БНТ высших как четных так и нечетных гармоник. Причинами появления высших гармоник во вторичном токе БНТ являются:

- смещение кривой тока относительно оси времени – наличие апериодической слагающей;

- насыщение сердечника измерительного ТТ и его переход на так называемую динамическую петлю гистерезиса. Следствием этого является сильное искажение формы кривой вторичного тока. Реальная осциллограмма вторичного тока БНТ представляет собой «гребенку» остроконечных импульсов. (Рисунок 2.23).

Рисунок 2.23. Осциллограмма вторичного тока БНТ трансформатора