SU1200359A1

SU1200359A1 - Устройство для дифференциальной защиты силового трансформатора

Info

Publication number: SU1200359A1
Application number: SU843728402A
Authority: SU
Inventors: Evgenij P Korolev
Original assignee: Go Otdel Vg Proektno Izyskatel
Priority date: 1984-04-13
Filing date: 1984-04-13
Publication date: 1985-12-23

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной дифференциальной защите, и может быть использовано, например, для защиты трансформаторов, блоков генератортрансформаторов и генераторов при коротких замыканиях.

Целью изобретения является повышение быстродействия при витковых замыканиях, обусловленных броском тока намагничивания.

На фиг. I показана блочная схема предлагаемого устройства! на фиг. 2 - схема первого органа блокировки; на фиг. 3 - диаграмма работы первого органа блокировки

2

при бросках тока намагничивания; на фиг. 4 и 5 - диаграмма работы первого органа блокировки при коротком замыкании и работе транс5 форматоров тока соответственно без погрешности и с насыщением магнитопроводов в переходном процессе.

Устройство для дифференциальной защиты трансформатора предназначено

¹⁰ .для защиты (фиг. I) трансформатора 1, с обеих сторон которого установлены трансформаторы 2 и 3 тока.

Вторичные обмотки трансформаторов 2 тока через последовательно включенные датчики 4-6 фазных токов соответственно соединены в треуголь-*

1200359

ник, а через датчики 7-9 разности фазных токов и датчики 10-12'дифференциальных токов соединены в дифференциальную схему. Трансформатор 13 напряжения подключен первичными обмотками к сети 14 высшего напряжения. Выходы датчиков 10-12 дифференциальных токов соединены с входами первого трехфазного выпрямителя 15 рабочего органа 16, в котором инерционный элемент 17 подключен входом к выходу первого трехфазного выпрямителя Г5 и к первому входу сумматора 18, а выходом - к второму входу этого сумматора. К выходу сумматора подключен вход первого компаратора 19, выход которого соединен с входом первого расширителя 20 импульсов. Выход первого расширителя подключен к первому входу первого логического элемента И 21, к выходу которого подключен вход . блока 22 задержки, выход которого соединен с исполнительным органом

23. К выходу первого расширителя 20 импульсов подключен вход первого дифференциатора 24. Первый 25, второй 26 и третий 27 входы первого органа 28 блокировки соединены с выходами датчиков 4-6 фазных токов соответственно, а четвертый 29, пятый 30 и шестой 31 входы - с соответствующими выходами трех фаз вторичных обмоток трансформатора 13 напряжения.

Выход первого органа 28 блокировки соединен с входом ускорения инерционного элемента 17 и с вторым входом первого логического элемента И 21. Три входа второго трехфазного выпрямителя 32 второго органа блокировки 33 соединены с выходами соответствующих датчиков 7-9 разности фазных токов. К выходу первого выпрямителя 15 подключены первые входы второго 34 и третьего 35 компараторов, вторые входы которых подключены к выходу второго выпрямителя 32. Входы второго 3.6 и третьего 37 расширителей импульсов подключены соответственно к выходам второго 34 и третьего 35 компараторов, а выходы -к первым входам соответственно первого 38 и второго 39 логических элементов И-НЕ. Выход второго логического элемента И-НЕ 39 соединен с третьим входом первого логического элемента И 21 и с вторым входом первого логического элемента И-НЕ 38»

выход которого подключен к второму входу второго логического элемента И-НЕ 39, к третьему входу которого подключен выход первого дифференци5 атора 24.

Первый орган 28 блокировки состоит из трех одинаковых пофазных модулей 40-42. В каждом из модулей первый 25 (второй 26, третий 27)

¹⁰ вход подключен к входу второго дифференциатора 43, к выходу которого подключен вход второго формирователя 44 прямоугольного напряжения. Вход третьего дифференциатора 45

15 соединен с выходом второго формирователя 44 прямоугольного напряжения

I

и с вторым входом второго логического элемента И 46, третий вход которого подключен к выходу

20 третьего дифференциатора 45. К первому входу второго логического элемента И 46 подключен выход первого формирователя 47 прямоугольного напряжения, вход которого соединен

25 с входом третьего выпрямителя 48 и с четвертым 29 (пятым 30, шестым 31) входом первого органа 28 блокировки. Выход третьего выпрямителя 48 подключен к рабочему вхо—

30 ду блока 49 выборки и хранения, управляющий вход которого соединен с выходом второго логического элемента И 46, а выход - с входом четвертого компаратора 50. Вход фор35 мирователя 51 модуля подключен к выходу первого формирователя.47 прямоугольного напряжения, а выходк входу четвертого расширителя 52 импульсов. Первый и.второй входы

40 третьего логического элемента ИНЕ 53 соединены соответственно с выходами четвертого компаратора 50 и четвертбго расширителя 52 импульсов, а выход - с первым (вторым

45 третьим) входом логического элемента ИЛИ 54, выход которого является выходом первого органа 28 блокировки.

Устройство работает следующим

50 образом.

В нормальном режиме работы силового трансформатора 1 с нагрузкой напряжения на выходе датчиков 10-12 дифференциального тока, выполненных

55 с возможностью выравнивания ампервитков плеч, не превышают уровня срабатывания компаратора 19. Кроме того, небаланс, который практичес5

1200359

6

ки может иметь место на выходе первого выпрямителя 15, полностью компенсируется в сумматоре 18 после суммирования с установившимся инвертированным сигналом от инерцион- 5 ного элемента 17, Поэтому первый компаратор 19 не срабатывает и логический "О" через первый расширитель .

20 импульсов поступает на первый вход первого логического элемента И 21. Наличие нуля по крайней мере на одном из входов 21 обеспечивает надежное несрабатывание последующих блока 22 задержки и исполнительного органа 23, ^,5

Второй орган 33 блокировки работает так же, как в известном устройстве, т.е. второй компаратор 34 срабатывает, когда напряжение И, на выходе первого выпрямителя 15 боль- 70 ще напряжения на выходе второго выпрямителя 32. В рассматриваемом режиме напряжения на выходах датчиков 7—9 разности фазных токов будут больше, чем на выходах датчиков 10-12 дифференциальных токов^ так как осуществляется разность разнополярных сигналов. Это значит, что второй компаратор 34 не сработает и на его выходе, а значит и ³⁰

на первом входе первого логического элемента И-НЕ 38 будет логический ”0". Третий компаратор 35 сработает, логическая "1" с его выхода проходит через третий расширитель 35 37 импульсов на первый вход второго логического элемента И-НЕ 39. При этом на втором входе 39 присутствует логическая "1" с выхода 38, а на третьем входе - с выхода первого 40 дифференциатора 24. Наличие логических "1" на всех входах 39 обусловливает логический "0" на его выходе, который поступает на второй вход первого логического элемента 45 И-НЕ 38 и на третий вход первого логического элемента И 21, блокируя рабочий орган 16.

. Работа первого органа 28 блокировки основана на принципе контроля 50 угла между первыми гармониками тока и напряжения одноименных фаз трансформатора 1. Практически это выполнено путем контроля мгновенного напряжения в момент перехода тока той 55 же фазы через максимум. Причем блокирующий сигнал на выходе первого органа блокировки 28 появляется только в том случае, если угол между током и напряжением больше или равен уставке, определяемой углом холостого хода исправного трансформатора. Во всех других режимах на выходе первого органа блокировки 28 присутствует логическая "1", разрешающая срабатывание защиты при совпадении логических "1" на всех входах логического элемента И 21.

Принцип действия первого органа 28 блокировки в различных режимах иллюстрируется эпюрами, приведенными на фиг. 3-5.

Работа первого органа блокировки 28 происходит в следующей последовательности.

Из напряжения данной фазы в первом формирователе 47 прямоугольного напряжения формируются прямоугольные импульсы обеих полярностей. В блоке 43 формируется первая производная фазного тока той же фазы. Затем в блоке 44 из полученного с второго дифференциатора 43 напряжения формиру ются прямоугольные импульсы. В блоке 45 из прямоугольных импульсов формируются путем дифференцирования короткие импульсы. Затем во втором логическом элементе 46 проверяется совпадение сигналов с формирователя 44, дифференциатора 45 и формирователя 47.

Блок 49 выборки и хранения до поступления сигнала с второго логического элемента И 46 находится в режиме слежения .за мгновенным значением фазного напряжения, выпрямленного третьим выпрямителем 48, и имеет нуль на выходе. В момент прихода короткого импульса управления с блока 46 происходит выборка мгновенного значения напряжения, а после его окончания блок 49 переходит в режим хранения. Напряжение с выхода 49 поступает на четвертый компаратор 50, Где сравнивается с уставкой. Четвертый компаратор 50 нормально имеет на выходе логическую "I". Если угол между током и напряжением станет меньше, чем в режиме холостого хода трансформатора, например, при наличии нагрузки на трансформатор, потребляющей активную мощность, при к.з. внешнем или в защищаемой зоне, при витковых к.з. происходит увеличение сигнала выборки в блоке 49,

7 1200359

и компаратор 50 срабатывает. На .выходе 50 появляется логический "0", что приводит к появлению логической "1" на выходе третьего логического элемента И-НЕ 53. Логи- $ ческая "1” по крайней мере на одном из входов логического элемента ИЛИ 54 обусловливает логическую "1" на выходе первого органа 28 блокировки в целом, т.е. сигнала, разретающего действие защиты при совпадении логических "1" на всех входах 21.

В нормальном режиме питания нагрузки на первом и третьем входах первого логического элемента И 21 присутствует логический "0", а на втором - логическая "1". Наличие нуля только на одном (третьем) входе 21 достаточно, чтобы защита не сработала от случайных сигналов, которые могут проникнуть через входные цепи рабочего органа. Кроме того, наличие блока 22 задержки с временем действия около 0,025 с &

обеспечивает дополнительную отстройку от случайных сигналов.

При включении защищаемого трансформатора под напряжением в режиме холостого хода комплект трансформаторов тока 2, соответствующий включаемой обмотке, замеряет ток намагничивания силового трансформатора.

Ток протекает через датчики 4-6 фазных токов, датчики 7-9 разности фазных токов, и датчики 10-12 дифферен- 35 циальных токов. Так как питание одностороннее, то напряжения на выходе датчиков 7-9 и 10-12 одинаковы. Поэтому одинаковы и напряжения на выходах выпрямителей 16 и 32, и ком- ⁴⁰параторы 34 и 35 не сработают. Следовательно, не сработает второй орган блокировки в целом, т.е. на третьем входе первого логического элемента И 21 присутствует логическая ⁴⁵"1". При исправном силовом трансформаторе бросок тока намагничивания в каждой фазе имеет максимум вблизи перехода через нуль напряжения той же фазы, так как активные 5° потери холостого хода силового трансформатора не превышают 0,22 от полной мощности трансформатора. Поэтому блок 49 выборки и хранения выделяет из выпрямленного блоком 48 55

напряжения сети значения напряжений, не превышающие уставку срабатывания четвертого компаратора '( Фиг. 3) .

На его выходе сохраняется логическая "1", которая поступает на первый вход третьего логического элемента И-НЕ 53, на втором входе которого также будет логическая "1", сформированная из прямоугольного напряжения с выхода 47 формирователем 51 модуля и расширителем 52 импульсов. Цепочка из блоков 51 и 52 необходима для того, чтобы осуществлять запрет блокирования защиты от первого органа 28 блокировки, например, при исчезновении напряжения, обусловленного либо коротким замыканием, либо обрывом цепи напряжения. Наличие логических единиц на обоих входах третьего логического элемента ИНЕ 53 обусловливает логический "0" на его выходе. Аналогичное состояние будет на выходах 53 двух других фаз, поэтому при нулях на· всех входах логического элемента ИЛИ 54 нуль будет и на его выходе, т.е. на выходе первого органа 28 блокировки в целом, а значит на втором входе первого логического элемента И 21, запрещая срабатывание защиты. Кроме того, логический нуль с органа блокировки поступает на ускоряющий вход инерционного элемента 17, чем обеспечивается быстрая компенсация небаланса на выходе сумматора 18 (напряжения на обоих входах 18 равны по модулю и противоположны по знаку). При этом осуществляется запоминание предшествующего режима на инерционном элементе 17 с тем, чтобы после окончания действия блокирующего сигнала с выхода органа 28 блокировки схема органа 17 была приведена в исходное состояние и готова к повторному действию, например, в случае возникновения повреждения в защищаемой зоне, вызванного броском тока намагничивания.

Если в результате броска тока намагничивания при включении холостого силового трансформатора под напряжение в обмотке одной из фаз его возникло витковое короткое замыкание, то до появления логической "1" на выходе первого органа 28 блокировки напряжение на выходе сумматора I8 в рабочем органе сохраняется равным нулю, так как. инерционный элемент 17 нулем с входа 25 на входе ускорения переведен в режим безынерционного инвертора. Поэтому не возбуждаются и все еле9

дующие за сумматором 18 блоки рабочего органа. Так как питание трансформатора 1 в данном режиме одностороннее, то напряжение на выходе первого 15 и второго 32 выпрямителей одинаковы. При этом орган 33 блокировки не срабатывает, разрешая действовать защите.

Известно, что при повреждении обмотки трансформатора (витковое к.з.), увеличиваются активные потери в обмотках и в стали трансформатора, что приводит к уменьшению угла между током в обмотке и напряжением соответствующей фазы. При уменьшении угла увеличивается напряжение выборки блоком 49 (фиг. 3) и если оно превышает порог срабатывания компаратора 50,' то на его выходе появляется логический "0", что приводит к появлению логической "1" на выходе 53, а значит, и на выходе 54, т.е. органа 28 блокировки в целом. В момент прихода логической "1" на вход ускорения инерционного элемента 17 последний переходит в режим инерционного органа и в течение времени инерции (около 0,3 с) на выходе сумматора будет присутствовать экспоненциально затухающий в течение указанного времени (или до отключения повреждения) сигнал. Если этот сигнал превышает уставку срабатывания первого компаратора 19, то он срабатывает и логическая "1" с его выхода через первый расширитель 20 импульсов приходит на первый вход первого логического элемента И 21. Так как на двух других входах 21 тоже логические "1", то на его выходе появляется логическая "1", которая поступает на вход блока 22 задержки. Если с выхода компаратора 19 сигналы поступают периодически, то блок 20 расширения сформирует из них непрерывный сигнал, что обеспечит срабатывание блока 22 задержки (Ъ₂₁*0,025 с), после чего срабатывает исполнительный орган 23 защиты.

Если на выходе компаратора появился единичный импульс помехи, то даже расширенный до 0,015-0,02 с в расширителе 20 он не пройдет через блок 22 задержки и защита не сработает.

При восстановлении напряжения на нагруженном трансформаторе может

1200359 Ю

иметь место бросок тока намагничивания, однако в этом режиме второй орган 33 блокировки заблокирует защиту, так как разность фазных токов 5 больше дифференциального тока на ток нагрузки. Первый орган блокировки в этом режиме может либо не сработать ввиду того, что угол между фазным током и напряжением уменыпил10 ся по сравнению с холостым ходом трансформатора, либо тоже сработает на несколько периодов промышленной частоты, если начальный бросок тока намагничивания окажется намно15 го больше тока нагрузки, и уменьшение угла окажется незначительным, т.е. недостаточным для срабатывания компаратора 50. Б любом случае указанный режим не приведет к срабатыва20 нию защиты.

При внешнем коротком замыканий, в том числе с насыщением магнитопроводов трансформаторов 2 или 3 тока, второй орган 33 блокировки срабаты25 вает так же, как в режима нагрузки или восстановлении напряжения на нагруженном трансформаторе. Причем в интервале насыщения трансформаторов тока может появиться небаланс 30 в дифференциальной цепи, приводящий к срабатыванию компаратора 19. В момент срабатывания компаратора 19 в дифференциаторе 24 формируется кратковременный импульс сброса блокиров35 ки, поступающий на третий вход второго логического элемента И-НЕ 39.

В течение времени действия этого импульса на третьем входе первого логического элемента И 21 и на вто₄₀ ром входе первого логического элемента И 38 будет логическая "1". Однако, ввиду того, что даже при насыщении магнитопроводов трансформаторов тока сохраняется соотношение,

45 при котором напряжение на выходе 32 больше, чем на выходе 15, компаратор 34 не срабатывает и после окончания импульса сброса с дифференциатора 24 на выходе второго органа блоки50 ровки вновь появляется логический "0”, блокирующий защиту. Первый орган блокировки в этом режиме не формирует блокирующего сигнала (фиг. 4, 5) ,· так как угол между 55 фазным током и напряжением значительно меньше, чем при холостом ходе. Компаратор 50 находится в сработанном состоянии и на выходе пер1 1

вого органа 28 блокировки - логическая "1". Причем переходный процесс к.з. и насыщение трансформаторов тока еще более способствуют повышению чувствительности компаратора 50, так как увеличиваются напряжения выборки в блоке выборки и хранения 49 (фиг. 5).

При к.з. в защищаемой зоне, по крайней мере до возможного насыщения трансформаторов тока, напряжение на выходе первого выпрямителя 15 от датчиков дифференциальных токов будет больше напряжения на выходе второго выпрямителя 32 от датчиков разности фазных токов. Поэтому срабатывает компаратор 34. Логическая "1" с его выхода через расширитель 36 импульсов поступает на первый вход первого логического элемента И-НЕ 38.

Если режиму короткого замыкания в защищаемой зоне предшествовал нормальный нагрузочный режим, то на выходе логического элемента ИНЕ 39 был логический "О", запрещающий срабатывание защиты по третьему входу первого логического элемента И 21 и срабатывание логического элемента И-НЕ 38 по второму входу.

Так как режим работы первого органа 28 блокировки не меняется, т.е. на его выходе присутствует логическая "1", то сигнал от выпрямителя 15 проходит через сумматор 18 и приводит к срабатыванию первого компаратора 19. После расширителя 20 импульсов логическая "1" проходит на первый вход первого логического элемента И 21 и передним фронтом через первый дифференциатор 24 осуществляет кратковременный сброс памяти логического элемента И-НЕ 39. В течение времени дейст1200359 12

вия импульса сброса на выходе второго логического элемента И-НЕ 39 появляется логическая "1", которая поступает на второй вход логического

5 элемента 38 и на третий вход 21. Совпадение логических " I" на обоих входах 38 приводит к появлению нуля на его,выходе и на втором входе 39. В результате осуществляется за10 поминание логической "1" на выходе второго логического элемента И-НЕ 39, С этого момента на всех трех входах первого логического элемента И 21 присутствуют логические "I", что

15 обеспечивает единицу на его выходе. Через время действия блока 22 задерж ки происходит срабатывание исполнительного органа защиты 23.

Если в процессе к.з. будут перио20 дически насыщаться магнитопроводы трансформаторов тока, то вследствие перераспределения тока от плеча с ненасыщенными трансформаторами тока в плечо с насыщенными и в дифферен25 циальную цепь могут периодически срабатывать компараторы 34 и 35, и на выходах обоих расширителей импульсов 36 и 37 будут логические ’Ί!’ Однако сбоя в работе второгб органа

30 блокировки не произойдет, так как сброс с дифференциатора 24 однократный и происходит до насыщения трансформаторов тока.

Устройство не реагирует на пере₃₅ ключения РПН в режиме нагрузки, так как в этом режиме второй орган блокировки блокирует защиту.

Предлагаемое устройство позволяет выполнить дифференциальную защиту силовых трансформаторов с током срабатывания до 5% от номинального тока при наличии РПН и с временем действия не более 0,025 с. Для транс форматоров без РПН чувствительность защиты может быть еще выше.

1200359

Φαζ.2

1200359

ФигЗ

1200359

Claims

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА, содержащее установленные с обеих сторон защищаемого трансформатора трансформаторы тока, вторичные обмотки которых через датчики разности фазных токов и датчики дифференциальных токов соединены по дифференциальной схеме,. рабочий орган, состоящий из первого трехфазного выпрямителя, первого сумматора, инерционного элемента, первого компаратора, первого расширителя импульсов, первого элемента И, блока задержки и исполнительного органа, причем входы первого трехфазного выпрямителя подключены к выходам датчиков дифференциального тока, а выход соединен с первым входом первого сумматора непосредственно, а с вторым через инерционный элемент, выход первого сумматора через последовательно соединенные первый компаратор и первый расширитель импульсов подключен к первому входу первого элемента И, выход которого подключен к соединенным последовательно блоку задержки и исполнительному органу, первый орган блокировки от бросков тока намагничивания, подключенный выходом к· входу ускорения инерционного элемента и к второму входу первого элемента И, второй орган блокировки от внешних коротких замыканий, состоящий из вто- о рого трехфазного выпрямителя, второго и третьего компараторов, второго и третьего расширителя импульсов, первого и второго элементов И-НЕ, причем входы второго трехфазного выпрямителя соединены с выходами датчиков разности фазных токов, а выход соединен с вторыми входами второго и третьего компараторов, первые входы которых соединены с выходом первого трехфазного выпрямителя, выходы второго и третьего компараторов через второй и третий расширитель импульсов подключены соответственно к первым входам первого и второго элементов И-НЕ, выход каждого из которых соединен с вторым входом другого, первый дифференциатор, вход которого подключен к выходу первого расширителя импульсов, а выход - к третьему входу второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с третьим входом первого элемента И, отличающееся тем, что, с целью повышения

5 Ц „.,1200359

1200359

быстродействия при витковых замыканиях, обусловленных броском тока намагничивания, оно дополнительно снабжено, датчиками фазных токов и трансформатором напряжения, причем входы датчиков фазных токов включены последовательно с вторичными обмотками трансформаторов тока высшего напряжения, а их выходы соединены соответственно с первым,вторым и третьим входами первого органа блокировки, четвертый, пятый и шестой входы которого подключены к вторичным обмоткам вновь введенного трансформатора напряжения, первичные обмотки которого соединены с сетью высшего напряжения.

2. Устройство по π. 1, отличающееся тем, что первый орган блокировки содержит первый, второй и третий пофазный модули и элемент ИЛИ, причем у первого органа блокировки первый, второй и третий входы подключены к первым входам иофазных модулей, а четвертый, пятый и шестой входы - к вторым входам пофазных модулей, каждый из которых Состоит из второго и третьего дифференциаторов, первого и второго формирователей прямоугольного напряжения второго элемента И, блока выборки и хранения, третьего выпрямителя, четвертого компаратора, формирователя модуля, четвертого расширигеля импульсов, третьего логического элемента И-НЕ и общего для трех фаз логического элемента ИЛИ, причем с первым входом пофазного модуля соединен вход второго дифференциатора, выход которого подключен к входу второго формирователя прямоугольного напряжения, а его выход - к второму входу второго элемента И и входу третьего дифференциатора, выход которого соединен с третьим входом второго элемента И, первый вход которого подключен к входу формирователя модуля и к выходу первого формирователя пря—· моугольного напряжения, вход которого соединен с вторым входом пофазного модуля и с входом третьего выпрямителя, выход второго элемента И подключен к управляющему входу блока выборки и хранения, рабочий вход которого соединен с выходом третьего выпрямителя, а выход - с входом четвертого компаратора, выход которого подключен к первому входу третьего элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом четвертого расширителя импульсов, а выход - с одним из входов элемента ИЛИ, выход которого образует выход первого органа блокировки, а вход четвертого расширителя импульсов соединен с выходом формирователя модуля.

1