7. Назначение, устройство и принцип действия реле серии дзт-10

Реле серии ДЗТ-10 (ДЗТ-11, ДЗТ-11/2, ДЗТ-11/3, ДЗТ-11/4, ДЗТ-13) применяются в качестве измерительного органа в дифференциальных защитах трансформаторов, автотрансформаторов, генераторов.

Как отмечалось ранее, одним из недостатков реле серии РНТ является то, что при больших сквозных токах внешнего КЗ защита не всегда может быть выполнена достаточно чувствительной. В ряде случаев ток небаланса установившегося режима при внешнем КЗ может достигать большой величины и вызвать излишнее срабатывание дифференциальной защиты. Значительное возрастание тока небаланса при внешнем КЗ может произойти по следующим причинам:

1. слишком большие погрешности в работе измерительных ТТ;

2. разбалансированность дифференциальной защиты вследствие работы устройства РПН;

3. неточности в расчёте уставок по току срабатывания дифференциальных реле;

4. невозможность установки на реле расчётного числа витков;

5. погрешности в работе исполнительного реле.

Для выполнения дифференциальной защиты с повышенной чувствительностью применяют реле серии ДЗТ-10, которые благодаря тормозной обмотке, автоматически загрубляются установившимся вторичным током внешнего КЗ.

В отличие от реле серии РНТ в реле серии ДЗТ отсутствует короткозамкнутая обмотка. В этих реле отстройка от тока небаланса переходного режима осуществляется апериодическим током лишь однократно (т.к. нет двойной трансформации). Поэтому реле серии ДЗТ хуже отстроены от токов небаланса в переходных режимах, чем РНТ, когда в составе полного тока I_р есть большая слагающая I_р,а. Однако в реле ДЗТ осуществляется торможение не только апериодической слагающей, но и вторичным (периодическим) током плеча защиты.

Упрощённая схема реле ДЗТ-10 приведена на рисунке 2.37.

Сердечник НТТ реле ДЗТ-10 такой же как у реле серии РНТ. Первичные обмотки (уравнительные и рабочая) расположены на среднем стержне. Вторичная обмотка выполнена в виде двух секций, которые одинаковы и расположены на крайних стержнях. Резистор R_ш предназначен для плавной регулировки в небольших пределах индукции срабатывания В_ср.

Рисунок 2.37 Упрощённая схема реле ДЗТ-10

Ток рабочей обмотки I_р создаёт в среднем стержне магнитный поток Ф_р, который замыкается по крайним стержням. В секциях вторичной обмотки наводятся одинаковые ЭДС и . Для рабочего магнитного потока секции вторичной обмотки включены согласно. Поэтому суммарная ЭДС

Величина рабочего потока в правом и левом стержнях определяется двумя факторами:

- значением МДС дифференциальной обмотки (рабочей) ;

- величиной магнитного сопротивления магнитного пути, по которому замыкается рабочий поток.

Магнитное сопротивление сердечника в свою очередь зависит от величины тормозного магнитного потока, возбуждаемого током, проходящим по тормозной обмотке W_т.

Тормозная обмотка W_т также как и вторичная состоит из двух одинаковых секций, которые расположены на крайних стержнях.

Тормозной ток (вторичный ток одного плеча дифференциальной защиты) I_т создаёт в сердечнике НТТ тормозной магнитный поток Ф_т

Секции тормозной обмотки включены таким образом, что создают единый магнитный поток Ф_т, который циркулирует по крайним стержням и ярму, не ответвляясь в средний стержень. Под действием переменного тормозного потока в секциях вторичной обмотки наводятся две равные по величине и встречно направленные ЭДС и . Результирующая ЭДС на вторичной обмотке от тормозного магнитного потока равна нулю. Это означает, что тормозной ток не трансформируется из обмотки W_т во вторичную W₂ и не попадает в обмотку исполнительного реле КА.

Значение тормозного магнитного потока зависит от:

- величины вторичного тока плеча дифференциальной защиты, который проходит по тормозной обмотке;

- числа витков тормозной обмотки, которое можно изменять с помощью коммутатора.

Таким образом, изменяя число витков в тормозной обмотке, по которым проходит вторичный ток плеча защиты, можно изменять значение тормозной МДС

.

При внешнем КЗ по обмотке W_т проходит вторичный ток внешнего КЗ. Эта обмотка осуществляет магнитное торможение, т.е. тормозной магнитный поток Ф_т, равный , автоматически загрубляет чувствительность реле и, следовательно, требует увеличения рабочей МДС (для обеспечения срабатывания исполнительного реле КА.

Загрубление чувствительности реле вызывается тем, что тормозной магнитный поток дополнительно насыщает (подмагничивает) сердечник НТТ, что приводит к возрастанию магнитного сопротивления крайних стержней и ярма, т.е. приводит к возрастанию магнитного сопротивления магнитной цепи, по которой замыкается рабочий магнитный поток Ф_р. Таким образом, наличие в сердечнике НТТ тормозного потока ухудшает условия трансформации тока небаланса из дифференциальной обмотки во вторичную. Уместно подчеркнуть аналогию между реле серии РНТ и ДЗТ. И в одних реле (РНТ) и в других (ДЗТ) загрубление чувствительности к току небаланса достигается путём увеличения магнитного сопротивления сердечника НТТ; в реле РНТ апериодический ток не трансформируется из дифференциальной обмотки во вторичную, следовательно, не оказывает непосредственного влияния на исполнительное реле, и в реле ДЗТ тормозной ток также не трансформируется во вторичную обмотку. Разница между реле серии РНТ и серии ДЗТ заключается в том, что в первых реле торможение осуществляется медленно изменяющимся апериодическим магнитным потоком, в реле серии ДЗТ торможение осуществляется переменным магнитным потоком. Кроме того, в реле серии РНТ имеется короткозамкнутая обмотка, благодаря которой усиливается торможение апериодическим током во время переходных процессов. В реле ДЗТ имеется тормозная обмотка, которая продолжает обеспечивать торможение по окончании переходного процесса вторичным током внешнего КЗ.

Во время переходного процесса при внешнем КЗ, когда в токе небаланса есть апериодическая слагающая, сердечник дополнительно подмагничивается медленно изменяющимся апериодическим потоком, что приводит к дополнительному загрублению чувствительности реле ДЗТ. Таким образом, во время переходного процесса при внешнем КЗ, когда ток небаланса имеет в своем составе значительную апериодическую слагающую, а периодический ток небаланса имеет максимальную величину (рисунок 2.17, в), в реле ДЗТ осуществляется двойное загрубление чувствительности:

1. апериодическим током, входящим в состав тока небаланса и протекающим по дифференциальной обмотке;

2. вторичным током плеча защиты, протекающим по тормозной обмотке и создающим дополнительный тормозной периодический магнитный поток Ф_т.

По окончании переходного процесса, когда апериодический ток уменьшается до нуля, в реле ДЗТ тормозной ток продолжает загрублять чувствительность реле. Тогда как в реле РНТ по окончании переходного процесса чувствительность реле полностью восстанавливается.

Степень загрубления чувствительности реле ДЗТ переменным тормозным потоком оценивается коэффициентом торможения К_т

Коэффициент торможения задаётся при определённой тормозной МДС F_т по тормозной характеристике реле (рисунок 2.38).

Тормозные характеристики различных исполнений реле серии ДЗТ-10 являются справочным материалом, снимаются на заводе-изготовителе и поставляются вместе с реле.

Рисунок 2.38 Тормозная характеристика реле серии ДЗТ-10

Рисунок 2.38 показывает, что при отсутствии торможения (F_т = 0) для срабатывания реле необходима рабочая МДС F_р равная 100 А, при этом К_т равен нулю.

Коэффициент торможения К_т численно равен тангенсу угла между касательной, проведённой через точку на тормозной характеристике при выбранной МДС торможения, и осью абсцисс.

Тормозная характеристика, приведённая на рисунке 2.38, является идеализированной. Реальная характеристика загрубления чувствительности реле ДЗТ может иметь большую или меньшую крутизну, как показано на рисунке 2.39

Крутизна тормозной характеристики одного и того же реле может быть различной, является случайной и зависит от нескольких факторов. Главный из них – угол сдвига фаз между током небаланса I_нб, протекающим по дифференциальной обмотке, и вторичным током плеча дифференциальной защиты (т.е. I_т), протекающим по тормозной обмотке.

Рисунок 2.39 Тормозная характеристика реле ДЗТ-11 (ДЗТ-11/2)

Угол сдвига фаз определяется характером возникновения тока небаланса. Известно, что ток небаланса в дифференциальной защите трансформатора слагается из трёх составляющих

Рассмотрим два случая:

1. Пусть первая слагающая тока небаланса равна нулю. Это может быть в том случае, если оба трансформатора тока в плечах защиты работают с абсолютно одинаковыми погрешностями, т.е. их токи намагничивания равны. Пусть устройство РПН в момент возникновения внешнего КЗ находилось в крайнем положении (например, «+12» или «-12»). Тогда ток небаланса определяется величинами второй и третьей составляющих. В этом случае угол сдвига фаз между (или F_р и F_т) окажется близким к 0° (см. рисунок 2.14,в). При таком угле сдвига фаз загрубления чувствительности реле к току небаланса (торможение) максимально, а тормозная характеристика (на рисунке 2.39 обозначена 1 оказывается наиболее крутой .

2. Предположим, что вторая и третья составляющие тока небаланса близки к нулю (устройство РПН находится в среднем положении). Предположим также, что в одном плече дифференциальной защиты измерительный ТТ работает с ε = 0, в другом плече защиты ТТ работает с максимальной полной погрешностью, например, равной 0,1. В этом случае угол сдвига фаз между рабочей МДС F_p и тормозной МДС F_т может оказаться близким к 90° (см. рисунок 2.14, а).

При таком угле сдвига фаз торможение минимально, а тормозная характеристика 2 реле оказывается максимально пологой. Очевидно, что угол сдвига фаз I_нб, I_т в зависимости от соотношений составляющих тока небаланса может принимать значения от 0° до 90° случайным образом. Поэтому реальная тормозная характеристика может оказаться между кривой 1 и кривой 2 на рисунке 2.39.

Возвращаясь к характеристикам загрубления чувствительности реле РНТ, следует отметить, что несмотря на то, что в реле РНТ тормозные характеристики также могут иметь различную крутизну (см. рисунок 2.36), между реле серии РНТ и серии ДЗТ есть существенное и принципиальное различие. В реле РНТ крутизна характеристики регулируется оператором с помощью резистора R_кз. Изменяя сопротивление R_кз в пределах от 0 Ом до 10 Ом, оператором задаётся большая или меньшая крутизна тормозной характеристики РНТ. Например, если в защищаемом силовом трансформаторе возможен ярко выраженный БНТ или, если при внешнем КЗ за трансформатором переходный процесс сопровождается большим ударным током с большой апериодической слагающей, то при использовании в дифференциальной защите реле РНТ следует уменьшить (возможно до нуля) сопротивление R_кз. Тогда апериодический ток будет значительно загрублять чувствительность реле. Возможность изменять крутизну тормозной характеристики реле серии РНТ является его положительным качеством.

В отличие от РНТ в реле серии ДЗТ крутизна тормозной характеристики (кривая 1 или кривая 2 ) не зависит от воли оператора, а случайным образом определяется характером образования тока небаланса и углом сдвига фаз между I_нб и I_т. Непостоянство тормозной характеристики реле серии ДЗТ-10 является их недостатком.

Возвращаясь к тормозным характеристикам реле серии ДЗТ-10, следует подчеркнуть важную особенность функционирования реле в условиях различных углов сдвига фаз между I_нб и I_т.

1. Если тормозной ток создает F_т равную, например, 400 А, а ток небаланса при внешнем установившемся КЗ создаёт рабочую МДС F_р равную, например, 140 А (точка А на рисунке 2.40), то реле будет надёжно заторможено и излишне не срабатывает независимо от случайного угла сдвига фаз между I_нб и I_т. Зона на рисунке 2.40, лежащая ниже кривой 2 , называется зоной безусловного торможения. При сочетаниях F_т и F_р оказавшихся ниже кривой 2 реле не действует, даже если I_нб, I_т= 90° (точки ).

Рисунок 2.40 Тормозная характеристика реле серии ДЗТ-10

2. Если тормозной ток создаёт F_т = 400 А, а ток небаланса создаёт рабочую МДС F_р , например, равную 380 А (точка Б), то реле излишне подействует от тока небаланса при любом угле сдвига фаз, даже если I_нб, I_т = 0° . Точка Б лежит в зоне безусловного срабатывания реле независимо от угла сдвига фаз между рабочей и тормозной МДС.

3. Третий случай наиболее интересный. Пусть F_т = 500 А. Пусть ток небаланса создаёт рабочую МДС F_р = 300 А (точка В). При таком сочетании F_р и F_т реле может излишне сработать, а может и оказаться заторможенным и не сработает излишне от тока небаланса. В этом случае срабатывание или несрабатывание реле зависит от значения угла сдвига фаз между рабочей и тормозной МДС:

- если угол сдвига фаз близок к 0°, то реле окажется заторможенным и от тока небаланса излишне не подействует;

- если угол сдвига фаз будет близок к 90°, то реле может излишне подействовать от тока небаланса.

Зона, лежащая между кривыми 1 и 2 , называется зоной действия или недействия реле. Наличие зоны действия или недействия (зона II) является недостатком реле серии ДЗТ-10. Исследования реле ДЗТ-10 показывают, что средняя зона имеет наименьшую ширину при индукции срабатывания В_ср = 1,4 Тл. При меньшей индукции срабатывания (В_ср < 1,3 Тл) увеличивается чувствительность реле, но ухудшается отстройка от I_нб апериодическим током.

При В_ср > 1,4 Тл улучшается отстройка от тока небаланса I_нб апериодическим током, но уменьшается чувствительность реле.

В реле серии ДЗТ-10 индукция срабатывания выбрана из условия надёжной работы реле при КЗ в защищаемой зоне и достаточной отстройки от I_нб апериодическим током.

При внутреннем КЗ и наличии торможения физические процессы, протекающие в реле, аналогичны рассмотренным при внешнем КЗ. Следует иметь в виду, что выбранные соотношения чисел витков дифференциальной и тормозной обмоток должны обеспечивать (при внутреннем КЗ) преобладание рабочей МДС над тормозной, и, следовательно, надёжное срабатывание реле.

Выше отмечалось, что торможение наиболее эффективно при угле сдвига фаз между рабочей МДС F _р и тормозной F_т, лежащем в пределах – 30°÷ 0°÷ +30°; а наименее эффективно при угле в диапазоне +60°÷ +90°÷ +120° (90°±30°). Это наглядно подтверждается временной диаграммой магнитных потоков Ф_р и Ф_т (рисунок 2.41).

ΔR_μ Ф_р, Ф_т

ΔR_μ Ф_р, Ф_т

Ф_р – рабочий поток в отсутствии торможения

Ф_р – рабочий поток, ослабленный торможением

Ф_р – рабочий поток, ослабленный торможением

ΔR_μ

Ф_т

ΔR_μ

ΔR_μ

t

t

ωt

0

ωt

0

t₁

t₂

Ф_т

F_т, F_р=90°

а) б)

Рисунок 2.41 Временные диаграммы потоков Ф_р и Ф_т реле ДЗТ-10

Приращение магнитного сопротивления сердечника НТТ ΔRμ прямо пропорционально тормозному магнитному потоку. При угле сдвига фаз равном 0° (рисунок 2.41,а) возрастание магнитного сопротивления Rμ по фазе совпадает с рабочим магнитным потоком. Пунктирной линией показан магнитный поток рабочей обмотки, который имел бы место в отсутствие торможения, когда ΔRμ = 0. Однако при наличии торможения, когда

F_т , F_р = 0°, когда на максимум рабочего потока приходится максимум Rμ, возрастающее магнитное сопротивление ограничивает поток Ф_р. На рисунке 2.41,а заштрихованные наклонной штриховкой области свидетельствуют о значительном ослаблении рабочего потока Ф_р тормозным магнитным потоком.

При угле сдвига фаз равном 90° Рисунок 2.41,б) максимум рабочего потока Ф_р совпадает во времени с минимальным приращением ΔRμ магнитного сопротивления. В момент времени t₁ ΔRμ = 0; в этот момент времени торможение не осуществляется. В момент времени t₂ ΔRμ максимально, следовательно, максимально и торможение. Однако в момент времени t₂ Ф_р = 0. Другими словами, в момент времени t₂ торможение велико, «а тормозить нечего» (отсутствует магнитный поток в этот момент).