Алгоритмы защиты трансформатора для выявления внутренних коротких замыканий

В существующих схемах релейной защиты и автоматики (РЗА) значительная часть витковых замыканий трансформатора фиксируется исключительно газовой защитой. Защита реагирует на увеличение давления внутри бака трансформатора при нагреве масла. К моменту срабатывания газовой защиты витковое замыкание успевает развиться, увеличивая поврежденную часть обмотки. Кроме того, действие газовой защиты оказывается не резервируемым, в случае ее отказа процесс развития повреждения заканчивается срабатыванием дифференциальной защиты при переходе замыкания в междуфазное, которое может происходить одновременно с разрушением бака трансформатора [1].

Дифференциальная защита трансформатора (ДЗТ) теоретически может фиксировать замыкания между витками одной фазы, так как в этом случае изменяется магнитосвязь между первичной и вторичной обмоткой, что приводит к появлению небаланса между токами обмоток [2, 3]. Однако на практике тормозная характеристика дифференциальной защиты выставляется так, что защита может не почувствовать витковые замыкания и замыкания в нижней части обмотки. Кроме того, существующие дифференциальные защиты не предназначены для фиксации повреждений в одной фазе, так как в этих защитах применяется компенсация токов нулевой последовательности, составляющих большую часть тока замыкания, произошедшего в одной фазе.

Особенности работы ДЗТ детально расписаны в [4]. Тормозную характеристику дифференциальной защиты принято отстраивать от погрешностей измерительного оборудования из-за отсутствия возможности учитывать номер текущей отпайки устройства регулирования под нагрузкой (РПН) для пересчета значения коэффициента трансформации. Также большие трудности при работе ДЗТ возникают из-за влияния нелинейных элементов энергосистемы (трансформатора тока в режиме насыщения, силового трансформатора в начальный момент включения). В России принято блокировать защиту при бросках тока намагничивания при включении, перевозбуждении силового трансформатора при повышении напряжения либо при насыщении трансформаторов тока (ТТ) в результате превышения предела измерения трансформатора тока [2]. Блокировка производится по факту наличия гармонических составляющих. Работа блокировки может существенно замедлить защиту, особенно если она излишне чувствительна, с другой стороны, загрубление блокировки может привести к ложной работе защиты.

Исследование внутренних коротких замыканий трансформатора в 1980-х годах уже проводилось А.С. Засыпкиным для модернизации и анализа эффективности используемых в то время дифференциальных защит трансформатора типа ДЗТ-20 и РНТ [2]. Однако в то время отсутствовали достаточные вычислительные мощности для моделирования в реальном времени таких расчетов для проверки защит.

В статье приводится описание алгоритма, определяющего внутренние замыкания по параметрам схемы замещения силового трансформатора. Алгоритм основан на контроле состояния магнитосвязи трансформатора в процессе эксплуатации.

Разработанный алгоритм вычисляет текущий номер отпайки трансформатора и контролирует отношение электродвижущей силы (ЭДС) обмоток. Чувствительность алгоритма сравнивается с двумя алгоритмами ДЗТ – стандартным и усовершенствованным.

Математическое описание принципа работы

• А.    Определение текущего номера

отпайки РПН

Принцип действия предлагаемого в статье алгоритма заключается в фиксации небаланса между ЭДС обмоток, приведенными к одной ступени напряжения через заранее известный (из доаварийно-го режима) коэффициент трансформации. В случае отклонения коэффициента трансформации от паспортного значения, соответствующего текущему положению РПН, можно сделать вывод о наличии неисправности обмоток трансформатора, таких как короткое замыкание (КЗ), в том числе витковое замыкание.

Для вычисления коэффициента трансформации может быть использована простейшая модель трансформатора, позволяющая вычислить падение напряжения на его продольных сопротивлениях рассеяния с целью вычисления напряжения эквивалентной внутренней ЭДС каждой из обмоток трансформатора. Параметры такой модели могут быть получены из стандартных опытов КЗ и холостого хода (ХХ).

Формула для вычисления ЭДС обмоток отличается в зависимости от схемы замещения трансформатора и стороны трансформатора, на которой установлено устройство РПН. Алгоритм можно использовать и на автотрансформаторах, если устройство РПН установлено на средней стороне.

В данной работе не рассматривается случай, когда устройство РПН устанавливается в нейтраль автотрансформатора, так как при изменении отпайки РПН в нейтрали одновременно изменяется число витков как обмотки высокого, так и обмотки среднего напряжения, что усложняет расчет номера отпайки РПН трансформатора.

Методика вычисления коэффициента трансформации, приведенная далее, соответствует случаю двухобмоточного трансформатора, обмотки которого соединены по схеме Y/Δ-11 с РПН на стороне высокого напряжения (ВН).

Для вычисления ЭДС обмотки необходимо определить падение напряжения на сопротивлении рассеяния обмотки. Падение напряжения обмотки вычисляется как сумма фазного тока и тока нулевой последовательности по формулам:

dU md = I ф ( R вн + г ( X _в ^в _н + X нн ) ) +

+ 1 0 ( R в ^в н + i ( X ввн + X н ^в н ) к 0 ) ;                 (1)

( в.,h\ jttнн _ гф I 0 K 0 '3 пн dUmid = Iнн +---""^--- ' Rнн, v         K т     У где Iвфн , Iнфн – действующее значение тока с выводов трансформатора, из которого вычтен ток нулевой последовательности, А; X в , X в , Rн , Rв – вн нн нн вн сопротивление обмоток трансформатора, вычисленное с учетом текущего анцапфа РПН, Ом; Kтвн – коэффициент трансформации с учетом текущего анцапфа РПН; I0в – действующее значение тока нулевой последовательности высокой стороны; к0 = Z0/ZМ0 - коэффициент токораспределе-ния нулевой последовательности.

Ток нулевой последовательности стороны низкого напряжения трансформатора невозможно вычислить по замерам трансформаторов тока, так как он замыкается внутри обмоток, соединенных в треугольник. Поэтому ток вычисляется приведением тока нулевой последовательности высокой стороны к низкой. Падение напряжения на индуктивности вычисляется с учетом коэффициента токораспределения нулевой последовательности, учитывающего наличие трехстержневого сердечника трансформатора [5 ] .

Продольные сопротивления обмоток X _в^в_н , X _н^в_н , R _н^н_н , R _в^в_н в формулах (1) приводятся к напряжению вычисляемой стороны с учетом актуального коэффициента трансформации (полученного в предшествующем режиме).

При переключении анцапфа изменяется соотношение длин обмоток, т. е. коэффициент трансформации. Помимо изменения коэффициента трансформации вследствие изменения числа витков изменяется и само сопротивление рассеяния обмотки той стороны трансформатора, в которой установлено РПН. Приближенно учесть изменение сопротивления рассеяния обмотки трансформатора при переключении анцапфа можно путем повторного вычисления сопротивления с использованием специального коэффициента пересчета напряжения КЗ, порядок вычисления которого будет приведен ниже. С учетом положения РПН продольные сопротивления вычисляются по формулам:

R ^в вн

в кз

R ^н нн

^н кз

X ^в вн

^в U кз%

( U ном • K к.в. ) ²

( Qном \²

^ в    )

( U н^м ) ²

;

2 ;

ном

( ^ н )

( U ном • K кв. ) ².

•

X ^в нн

^н U кз%

•

S ном       ;

( UГ • к к. в . ) ²

ном       ,

Sн где Uвном – номинальное напряжение высокой стороны; Uнном – номинальное напряжение низкой стороны; АРквз, APн - потери активной мощности при КЗ, МВт; Sвном , Sнном – номинальная мощность обмоток трансформатора, МВА; Uквз% , Uкнз% – напряжение КЗ обмоток в процентах от номинального напряжения высшего напряжения; Kк.в. – коэффициент коррекции приведения сопротивления к высокой стороне.

Если не учитывать такое изменение сопротивления обмоток, при вычислении коэффициента трансформации возникнут существенные погрешности. Величина погрешности при расчете коэффициента трансформации тем больше, чем больше номер текущего анцапфа. Проведенные испытания показали, что при больших номерах анцапфа (±7…9) значение номера будет вычисляться с погрешностью, соизмеримой с ценой анцапфа (цена которого составляет 1,78 % длины обмотки).

При наличии корректно вычисленных падений напряжения на сопротивлениях рассеяния обмоток ЭДС обмотки вычисляются пофазно для каждой обмотки по формулам:

вн        in        вн

Umid = Uвн + dUmid ’ нн       in        нн

^U mid  ^U нн ^{+ dU} mid ,

где Uвinн , Uнinн – измеренное действующее значение напряжения с выводов трансформатора.

В нагрузочном режиме работы трансформатора защита должна фиксировать факт переключения РПН и блокировать действие на время работы избирателя. Текущий коэффициент трансформатора для двухобмоточного трансформатора с РПН на стороне ВН должен вычисляться непрерывно в нагрузочном режиме по формуле

K вн

mid U нн

mid U _вн

где Kтвн – коэффициент трансформации высокой стороны относительно низкой стороны.

Тогда текущий номер отпайки будет вычис- ляться по формуле

1    ( тт ном

N = —   U ^в   K ^1н - 1

к I тт ^{ном      т}

K tap V U н ³⁵        .

,

где K_tap – шаг переключения РПН.

В нормальном режиме по обновленному номеру анцапфа заново вычисляется текущее значение коэффициента трансформации по формуле ном

К _тн = -н—(1 - N . к ). ^т ном             ^tap

U _в

Номер анцапфа для приведения токов и напряжений к одной стороне должен вычисляться только в нагрузочном режиме и запоминаться в режиме КЗ. Поэтому в процессе работы устройства необходимо отслеживать режим, когда возникает переключение РПН. Факт переключения можно зафиксировать по одновременному изменению вычисленного номера анцапфа во всех фазах на единицу с заранее заданной точностью. По окончании работы устройства РПН, чтобы учесть изменение соотношения длин обмоток в расчете сопротивлений трансформатора, необходимо пересчитать коэффициент коррекции приведения сопротивления к высокой стороне по формуле

K

к.в.

U ном 1

н Kвн ном Uв

.

• В.    Принцип определения КЗ

по небалансу ЭДС обмоток

Признаком нормальной работы трансформатора является совпадение вычисленного по вышеприведенной модели коэффициента трансформации с паспортным значением (с учетом текущего анцап-фа). Отклонение от этого значения говорит о наличии внутреннего замыкания в одной из обмоток.

При наличии актуального номера анцапфа в доаварийном режиме факт внутреннего замыкания трансформатора может быть зафиксирован по разности ЭДС пары обмоток трансформатора, приве- денных, вычисленных с учетом падения напряжения и приведенных к одной ступени напряжения через коэффициент трансформации доаварийного режима. Для удобства задания уставки пускового органа значение разности ЭДС может быть выражено в процентах относительно большего из приведенных напряжений:

dT- =

вн       нн dUmid dUmid _ 1 оо max (-mid |, -mHd I)

При превышении этой уставки защита срабатывает через выдержку времени, зависящую от величины разности ЭДС, т. е. в зависимости от числа замкнутых витков.

Здесь необходимо отметить, что в случае соединения обмоток низкого напряжения трансфор- матора в треугольник в приведенном выше расчете будут использоваться линейные замеры стороны низкого напряжения трансформатора, вычисленные как разности соответствующих фазных замеров, полученных от измерительных трансформаторов, установленных на стороне низкого напряжения силового трансформатора, т. е. коэффициент трансформации высокое – низкое напряжение вычисляется как отношение фазного напряжения высокой стороны и соответствующего линейного напряжения низкой стороны

Защита, работающая по принципу контроля разности приведенных ЭДС обмоток, может быть реализована в виде двух ступеней:

• •    первая ступень - грубая, фиксирует без ты-держки времени КЗ на выводах трансформатора с порогом срабатывания 25 %, который обусловлен динамической погрешностью вычисления действующего значения сигнала «dTU_st1»;

• •    вторая ступень - чувствительная, фиксирует витковые замыкания в трансформаторе с выдержкой времени в несколько периодов основной частоты и порогом срабатывания 3 %, обусловленным статической погрешностью вычисления действующего значения сигнала «dTU_st2».

Для повышения чувствительности при определении витковых замыканий защита может одновременно подключаться к релейной и измерительной обмоткам трансформатора тока. В нормальном режиме работы трансформатора используется точный замер измерительной обмотки, если ток, протекающий по трансформатору тока выше, чем максимальный предел по току измерительной обмотки, используется замер релейной обмотки трансформатора тока. В этом случае чувствительность защиты к витковым замыканиям будет определяться точностью измерительной обмотки, которая выше, чем точность релейной обмотки на участке линейной трансформации. В случае витковых замыканий токи вводов трансформатора мало отличаются от нагрузочных, поэтому для работы защиты хватит измерительного диапазона обмотки измерения.

Алгоритм определения внутреннего замыкания в трансформаторе по невязке ЭДС обмоток использует цепи напряжения, поэтому при обрыве цепей напряжения его следует блокировать так же, как и любую защиту без выдержки времени с использованием цепей напряжения.

Однако в случае использования высоковольтных датчиков надежность замеров напряжения и тока одинакова, в качестве таких датчиков могут быть использованы оптический ТН/ТТ, катушка Роговского и емкостной делитель напряжения.

• С.    Модель трансформатора

Для проверки работоспособности приведенного алгоритма защиты необходимо производить моделирование внутренних КЗ трансформатора. Подробно ознакомиться с конструкционными осо- бенностями, параметрами и диагностикой силовых трансформаторов можно в [6]. Модель трансформатора, предназначенная для работы в режиме КЗ внутри обмотки, присутствует в программноаппаратном комплексе Omicron. Такая модель позволяет оценить чувствительность защиты трансформатора к внутренним КЗ [7, 8].

Модель, используемая в программноаппаратном комплексе Omicron, представляет трансформатор в виде магнитосвязанных катушек, для которых составляется матрица взаимоиндукций и индуктивностей [9, 10]. Благодаря такому представлению появляется возможность разделить исходную обмотку трансформатора на несколько последовательно соединенных обмоток, расширив матрицу параметров трансформатора. Параметры модели трансформатора вычисляются по данным симметричных опытов КЗ и ХХ, а коэффициенты рассеяния находятся эвристически по формулам, описанным в [8]. Схема замещения для модели представлена на рис. 1. Параметры схемы замещения трансформатора, приведенной на рис. 1, были вычислены по паспортным данным, которые можно найти в приложении. Показанное на рис. 1 сопротивление намагничивания RM, LM в процессе моделирования не учитывалось ввиду его чрезвычайно большой величины.

Для корректного моделирования трансформатора необходимо учитывать использование трехстержневого сердечника в большинстве типов силовых трансформаторов и автотрансформаторов. В трехстержневом магнитопроводе средний стрежень находится в особых условиях по отношению к двум другим, что приводит к существенному изменению параметров нулевой последовательности трансформатора.

Рис. 1. Трехфазная схема замещения двухобмоточного трансформатора, соединенного по схеме Y/Δ-11

Fig. 1. Three-phase equivalent circuit of a two-winding transformer connected in a Y/Δ-11 configuration

Поток нулевой последовательности в трехстержневом сердечнике не ограничивается сердечником и замыкается через воздух, масло и корпус трансформатора. Поэтому в электрических схемах замещения трехфазной модели это моделируется дополнительной связью М0 между фазами. В пятистержневом трансформаторе шунт М0 отсутствует, потому что магнитный поток в нем замыкается через дополнительные магнитные стержни.

Ввиду отсутствия сопротивления нулевой последовательности холостого хода в качестве паспортного параметра для трехстержневого трансформатора (для пятистержневого трансформатора его учитывать не нужно) его необходимо определять опытным способом, производя замер сопротивления путем подключения фаз трансформатора к трем напряжениям с одинаковой фазой. Измерив ток и имея значение приложенного к обмотке напряжения, можно вычислить сопротивление нулевой последовательности холостого хода трансформатора.

В модели трансформатора программно-аппаратного комплекса Omicron величина шунта нулевой последовательности, определяющая потери потока нулевой последовательности, выбрана в пять раз больше, чем сопротивление прямой последовательности. Такое решение в целях упрощения модели было принято разработчиками модели в компании Omicron по результатам исследования множества различных трансформаторов [4].

Экспериментальная часть

• А.    Описание экспериментов

Для оценки эффективности предложенного алгоритма защиты чувствительность защиты сравнивается с чувствительностью традиционной ДЗТ. При этом рассматривается два варианта исполнения ДЗТ.

Первый вариант – это аналог традиционной ДЗТ, тормозная характеристика которой отстроена от небаланса, вызванного переключением РПН, а ток высокой стороны получается сдвигом замеров измерительных трансформаторов на 30 градусов.

Кроме того, чувствительность предложенного алгоритма защиты имеет смысл сравнить с усовершенствованной версией ДЗТ, в которой коэффициент трансформации рассчитывается по формуле (6) с учетом номера отпайки, рассчитанного по формуле (5), а линейный ток треугольника на стороне низкого напряжения трансформатора вычисляется как разность фазных замеров измерительных трансформаторов низкой стороны.

Тормозная характеристика для обоих случаев посчитана по стандартной методике вычисления уставок ДЗТ (рис. 2).

Однако в усовершенствованной версии ДЗТ не учитываются ток небаланса, вызванный работой РПН. Кроме того, начальный участок тормозной характеристики усовершенствованной ДЗТ не отстраивается от тока максимального нагрузочного режима, так как в современных терминалах ДЗТ может быть реализована блокировка ДЗТ при обрыве токовых цепей без выдержки времени. Выполненная таким образом тормозная характеристика позволяет существенно повысить чувствительность ДЗТ.

Тормозная характеристика ДЗТ рассчитывалась по формулам:

I diff 1    k отс1 "  I ном ' ^Де нб ; I maxl   0;

I diff 2 = I diff 1 ; I max 2 = k отс2 ' I ном ;

I diff 3 = k отс3 ' I перегр ‘ ^Де нб^; I max 3 = I перегр^;

T,.^.=k      K ( 3 )        -Ae v T ,(3T^K ( 3 )

diff 4    отс4 кз.внеш.макс   °нб; max 4 кз.внеш.макс, где Iном – номинальный ток обмотки ВН силового трансформатора, А; Iперегр – максимальный ток трансформатора в режиме перегрузки, А; IK внеш макс — максимальный ток трансформатора в режиме внешнего КЗ, А; ,     ,     ,      – р                              ,   ; отс1 , отс2 , отс3 , отс4

коэффициенты отстройки, о.е.; д^ - коэффициент небаланса, вызванный различиями используемых ТТ и погрешностью коэффициента трансформации с учетом РПН.

Рис. 2. Пример тормозной характеристики ДЗТ

Fig. 2. Example of a braking characteristic of a DPT

Iф_L`

Iф_L`

ДЗТ2_Y

I_торм

Iф_H`

KT = UL_nom/

UH_nom*(1-N*Ktap)

Iф_H → I0 Iф_H - I0 = Iф_H`

Iф_L → Iл_L Iл_L * KT = Iф_L`

т

K^вн т = |U^нн mid |/ |U^вн mid |

N = round(N(K^вн т ))

вн

U mid

Kк к.в.

jmpIф нн

U mid

dTU_st2_0

>

Расчет критерия срабатывания dTU dTU_st1_0

>

Расчет коэф. коррекции

Kвнт dTU = (dUвнmid- dUннmid)/ max(|Uвнmid|,|Uннmid|) *100

. = U н ^ном/ U в ^ном*K^в

Imax dTU

Uф_L

Uф_H uф_H* Ktn_H

R, Х dUннmid

L

Расчет падения напр.

Расчет сопр. ВН и НН

Рис. 3. Блок-схема исследуемых алгоритмов (сверху вниз): стандартная ДЗТ v1, усовершенствованная ДЗТ v2 и алгоритм определения замыканий по модели трансформатора dTU

Fig. 3. Block diagram of the investigated algorithms (from top to bottom): standard DPT v1, enhanced DPT v2, and the algorithm for detecting transformer faults based on the transformer model, dTU dUвнmid

U ном , ΔР кз , U кз%

K к.в.

R^в вн , R^н нн , X^в вн , X^в нн

Iф_H`

Iф_L`

Расчет перв.

напр. НН uф L uф_L* Ktn_L

Расчет перв. напр. ВН uф_H

jmpIф_H I_дифф

Расчет ЭДС обмотки

U вн mid

U нн mid

Расчет коэф. трансф.

Расчет коэф. трансф.

dTU_st2

dU^вн mid dU^нн mid

jmpIф max dU st1

dTU st1

На рис. 3 приведена блок-схема для трех вариантов защиты. Тёмно-зеленым цветом выделены уставки. Видно, что для ДЗТ v1 и ДЗТ v2 основной уставкой является тормозная характеристика, которую нужно предварительно рассчитать, а для алгоритма dTU – параметры трансформатора.

Проверка расчета номера отпайки проводилась на модели программно-аппаратного комплекса RTDS, в котором имеется возможность переключать номер анцапфа РПН в процессе моделирования.

Для верификации работы защиты при КЗ в трансформаторе использовался терминал ТПА-01, два испытательных комплекта Omicron 430 и программа RelaySimTest, в которой имеется детальная модель трансформатора с РПН.

В качестве критерия срабатывания защиты выбран коэффициент смещения ЭДС обмоток dTU в процентах по формуле (8).

• В.    Результаты экспериментов

Результат работы алгоритма в режиме переключения отпайки приведен на осциллограмме на рис. 4.

На рис. 4 изображены:

• •    модуль напряжения низкой стороны трансформатора по фазе А «absUa_L, В»;

• •    дифференциальный ток традиционной защиты ДЗТ «ДЗТ1.Ia_диф, А»;

• •    дифференциальный ток усовершенствованной ДЗТ «ДЗТ2.Ia_диф, А»;

• •    тормозной ток ДЗТ «Ia_торм, А»;

• •    текущий номер отпайки РПН «Ntap»;

• •    относительное смещение ЭДС обмотки трансформатора по фазе А «dTU_A».

Номер анцапфа на осциллограмме последовательно изменяется с 0 до 3. Видно, что после изменения номера отпайки в модели RTDS изменяется значение модуля измеренного напряжения «absUa_L, В», что приводит к пересчету номера отпайки «Ntap» на устройстве РЗА. Корректность расчета можно определить по тому, как изменяется дифференциальный ток усовершенствованной дифференциальной защиты «ДЗТ2.Ia_диф». Он остается близким к нулю. При этом дифференциальный ток традиционной защиты «ДЗТ.Ia_диф» постепенно увеличивается, так как не учитывает изменение коэффициента трансформации. Между моментом изменения номера отпайки и пересчетом значений возникает небольшой небаланс тока 1,5 А, определяемый ценой деления РПН.

Если не учитывать номер отпайки, то дифференциальный ток будет с каждым изменением увеличиваться больше. При изменении номера отпайки также возникает смещение ЭДС обмоток «dTU_A» на один период, который примерно равен цене деления РПН.

Рис. 4. Осциллограмма расчета номера отпайки в процессе эксплуатации: А) переключение анцапфа с положения 0 в положение 1; B) переключение анцапфа с положения 1 в положение 2;

C) переключение анцапфа с положения 2 в положение 3

Fig. 4. Oscillogram of the calculation of the tap changer position during operation: A) tap changer switch from position 0 to position 1; B) tap changer switch from position 1 to position 2;

C) tap changer switch from position 2 to position 3

На рис. 5–7 изображены следующие сигналы:

• •    измеренное значение напряжения высокой стороны трансформатора по фазе А «Ua_H»;

• •    измеренное значение тока высокой стороны трансформатора по фазе А «Ia_H»;

• •    дифференциальный ток усовершенствованной ДЗТ «ДЗТ2.Ia_диф, А»;

• •    дифференциальный ток традиционной защиты ДЗТ «ДЗТ.Ia_диф, А»;

• •    тормозной ток ДЗТ «Ia_торм, А»;

• •    относительное смещение ЭДС обмотки трансформатора по фазе А «dTU_A»;

• •    дискретный сигнал определения ступенчатого изменения режима, также необходимый для отстройки от переходных процессов при цифровой обработке сигналов, по относительному приращению вектора тока «jmp_Ia»;

• •    дискретный сигнал срабатывания ДЗТ «ДЗТ2.Y_a» по фазе А;

• •    дискретный сигнал срабатывания первой ступени без выдержки времени защиты по модели трансформатора «dTU_st1» по фазе А;

• •    дискретный сигнал срабатывания пускового органа второй ступени защиты по модели трансформатора «dTU_st2_0» по фазе А;

• •    дискретный сигнал срабатывания ступени защиты по модели трансформатора «dTU_st2» по фазе А.

На графиках показаны сигналы срабатывания защит и пусковых органов, а также сигнал об окончании переходного процесса в цифровом фильтре по току фазы А «jmp_Ia», который является разрешающим сигналом для работы защит, т. е. измеренные значения считаются действительными только после появления сигнала «jmp_Ia». Он необходим, чтобы исключить ложное срабатывание защиты по промежуточным некорректным значениям, появляющимся в ходе вычислительного переходного процесса в устройстве РЗА.

На рис. 5 показана осциллограмма с устройства, на которой изображен режим внешнего однофазного замыкания на высокой стороне трансформатора.

Осциллограмма показывает работу алгоритмов при внешнем КЗ, которое происходит в момент времени 0,88 с. Видно, что при использовании корректировки фазы тока со стороны треугольника на угол при замыкании на землю возникает дифференциальный ток «Ia_диф1» 17,2 А, близкий к тормозному току «Iа_торм» 26,3 А, что может привести к ложной работе защиты. Дифференциальный ток, который получается, если пересчитывать в фазный ток низкой стороны из линейного тока «Ia_диф2», имеет небольшой импульс тока 4,4 А в переходном режиме, который затем снижается до нуля. Можно видеть, что во втором

Рис. 5. Осциллограмма внешнего однофазного КЗ: А) начало КЗ; B) окончание вычислительного переходного процесса на устройстве

Fig. 5. Oscillogram of an external single-phase short circuit: A) beginning of the short circuit;

B) completion of the computational transient process at the device

Рис. 6. Осциллограмма виткового замыкания в фазе А с расстоянием между витками в 10 % обмотки: A) начало КЗ, B) окончание вычислительного переходного процесса на устройстве

Fig. 6. Oscillogram of a turn-to-turn fault in phase A with a 10% distance between windings:

A) beginning of the short circuit; B) completion of the computational transient process at the device

Рис. 7. Осциллограмма виткового замыкания в фазе А с расстоянием между витками в 5 % обмотки: A) начало КЗ; B) окончание вычислительного переходного процесса на устройстве

Fig. 7. Oscillogram of a turn-to-turn fault in phase A with a 5% distance between windings:

A) beginning of the short circuit; B) completion of the computational transient process at the device случае дифференциальный ток вычисляется точнее. Поэтому далее рассматриваться будет только усовершенствованная ДЗТ второго типа. Также на осциллограмме показано значение смещения ЭДС обмоток «dTU_А» в процентах по формуле (8), которое не изменяется при внешнем КЗ.

На рис. 6 изображен результат работы алгоритма при внутреннем межвитковом замыкании в трансформаторе на высокой обмотке в фазе А с длиной закороченных витков 10 % от длины обмотки, которое происходит в момент времени 0,89 с. Магнитосвязь между обмотками изменяется. При этом увеличивается дифференциальный ток «ДЗТ2.Ia_диф, А» и смещение ЭДС обмоток «dTU_А».

ДЗТ срабатывает без выдержки времени «ДЗТ2.Y_a», алгоритм, определяющий внутренние замыкания, также срабатывает без выдержки времени по первой ступени «dTU_st1а» и спустя 35 мс по второй ступени «dTU_st2». Коэффициент чувствительности для ДЗТ в этом случае K _ч = 733/310 = 2,36.

Максимальная чувствительность алгоритма по модели трансформатора примерно 3–4 % обмотки при шаге отпайки 1,78 %. Это видно по осциллограмме на рис. 7, на которой изображен результат работы алгоритма при внутреннем меж-витковом замыкании в трансформаторе на высокой обмотке в фазе А с длиной закороченных витков 5 % от длины обмотки, которое происходит в момент времени 0,89 с. Видно, что ДЗТ чувствительна к таким замыканиям при заданной тормозной характеристике, алгоритм, определяющий смещение ЭДС обмоток, срабатывает с выдержкой времени 35 мс по чувствительной второй ступени.

Коэффициент чувствительности для ДЗТ

K _ч = 452,3/200,4 = 2,227.

Для защиты по модели трансформатора:

K _{ч ст1} = 15,69/3 = 5,23 первой ступени, _

K ч _ст2 = 15,69/25 = 0,62 второй ступени.

Заключение

В статье авторы протестировали алгоритм определения внутренних замыканий на землю по модели трансформатора.

По результатам опытов можно сказать, что алгоритм работает и способен почувствовать внутренние КЗ в трансформаторе. Но также видно, что примерно аналогичная чувствительность будет и у дифференциальной защиты, если используется чувствительная тормозная характеристика.

Стоит отметить, что в статье расчетная тормозная характеристика посчитана по стандартным формулам без учета обрыва токовых цепей. На практике она будет менее чувствительна, потому что уставки будут завышены, чтобы избежать ложных срабатываний. Поэтому способы взаимозаменяемы, но для того, чтобы ДЗТ была более чувствительна к витковым замыканиям, в ней необходимо учитывать текущий номер отпайки трансформатора и вычислять ток со стороны треугольника из линейных значений.

Видно, что по описанным формулам можно вычислить номер отпайки, что позволяет использовать ДЗТ с более чувствительной тормозной характеристикой. Разработанный алгоритм определения замыканий в трансформаторе сопоставим по чувствительности с ДЗТ, но при этом менее зависим от режимов броска тока намагничивания ввиду того, что работает не только по току, но и по замерам напряжения. Более подробно исследование об устойчивости метода определения чувствительности к внутренним замыканиям, к возникновению бросков тока намагничивания и перевозбуждению будет рассмотрено в дальнейших работах.

ПриложениеПараметры силового трансформатора

Силовой трансформатор ТРДН – 16000/110/10,5.

РПН ± 7,12 %, 9 ступеней, шаг 1,78 %.

Основные параметры:

S _т = 16 МВА;

U_m = 115 кВ; U _Hн= 11 кВ; вн               нн

А Р ™^-нн = 0,085 МВт; А Р_ХХ = 0,019 МВт; кз                             хх

А Q хх = 0,112 МВАр; U ^нн = 10,5 %;

K tap = 0,0178;           N_ta p = 10.