новая папка 1 / 677950
.pdf
2460
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электрооборудования
РАСЧЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
ТРАНСФОРМАТОРА
Методические указания к выполнению расчетно-графического задания
по курсу «релейная защита и автоматика»
А.Н. ШПИГАНОВИЧ, Ю.А. ШУРЫГИН
Липецк Липецкий государственный технический университет
2018
1
УДК 621.31 (07)
Ш835
Рецензент – д-р техн. наук, проф. Мещеряков В.Н.
Шпиганович, А.Н.
Ш835 Расчет дифференциальной токовой защиты трансформатора: метод. указ. к выполнению расчетно-графического задания по курсу «Релейная защита и автоматика» [Текст] / А.Н. Шпиганович, Ю.А. Шурыгин. − Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета,
2018. − 24 с.
Рассмотрены вопросы исполнения и выбора уставок дифференциальной
токовой защиты силового двухобмоточного трансформатора, выполненной на
базе микропроцессорного устройства защиты БМРЗ-ТД-12-20-21. Приведены
индивидуальные исходные данные для выполнения расчетно-графического за-
дания.
Предназначены для студентов направления подготовки 13.03.02 «Электро-
энергетика и электротехника» очной, очно-заочной и заочной форм обучения.
Табл. 3. Ил. 3. Библиогр. : 4 назв.
© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2018
2
1. Особенности исполнения микропроцессорной дифференциальной
токовой защиты двухобмоточного силового трансформатора
Дифференциальная токовая защита (ДТЗ) является основной защитой трансформаторов и автотрансформаторов от внутренних повреждений и КЗ на выводах. Блок микропроцессорной релейной защиты (БМРЗ) [1] трансформато-
ра имеет два вида защиты: дифференциальная токовая отсечка (ДТО); диффе-
ренциальная защита с торможением (ДЗТ). Схема подключения БМРЗ к вто-
ричным обмоткам трансформаторов тока представлена на рис. 1. На входы бло-
ка подаются вторичные токи, имеющие положительное направление. Как пра-
вило, первичные токи различаются по значению и не совпадают по фазе. Отли-
чие коэффициентов трансформации в еще большей степени усугубляет ситуа-
цию. В БМРЗ предусматривается программный учет фактических значений ко-
эффициентов трансформации трансформатора, что позволяет не использовать промежуточные трансформаторы тока. Кроме того, блок имеет функцию ком-
пенсации поворота фазы при различных комбинациях схем и групп соединения обмоток. Поэтому пользователю достаточно ввести в БМРЗ уставку, соответст-
вующую схеме и группе соединения обмоток защищаемого трансформатора.
Для обеспечения правильного функционирования ДТЗ при внешних одно-
фазных коротких замыканиях в БМРЗ предусматривается исключение токов ну-
левой последовательности для обмоток, соединенных по схеме «звезда». Харак-
теристики ДТЗ представлены на рис. 2. Уставку срабатывания ДТО выбирают больше максимально возможного тока небаланса при внешнем КЗ или броске тока намагничивания трансформатора (БТН). В большинстве случаев ДТО не может обеспечить выполнение требований к чувствительности защиты, а именно коэффициент чувствительности кЧ 2. Для обеспечения этих требований вво-
дится ДЗТ, уставка срабатывания которой увеличивается при возрастании тока торможения IТ . Ток торможения рассчитывается в блоке БМРЗ из токов первич-
ной и вторичной сторон трансформатора. ДЗТ имеет основную «грубую» харак-
теристику и дополнительную «чувствительную» характеристику.
3
Л1 И1 |
Л1 И1 Л1 И1 |
||||
Л2 |
И2 |
Л2 |
И2 |
Л2 |
И2 |
|
|
|
|||
Т
Л2 И2 |
Л2 И2 |
||
Л1 |
И1 |
Л1 |
И1 |
|
|
||
Цепь
IaВН
IВН (общий)
a
IВНb
IВН (общий)
b
IсВН
IВН (общий)
c
БМРЗ
Цепь
IaНН
IНН (общий)
a
IННb
IНН (общий)
b
IсНН
IНН (общий)
c
Рис. 1. Схема включения вторичных цепей трансформаторов тока к БМРЗ
При применении «чувствительной» характеристики блок осуществляет расчет фактического коэффициента трансформации, что обеспечивает сниже-
ние составляющей тока небаланса, обусловленной регулированием напряжения трансформатора. По сравнению с грубой характеристикой чувствительная ха-
рактеристика имеет больший коэффициент чувствительности (см. рис. 2). ДТЗ
работает раздельно для «контура» каждой фазы.
4
|
IД |
|
|
|
IДТО |
|
|
|
|
|
|
ДТО |
ДЗТ |
|
|
|
|
ДЗТ Ч |
|
|
|
КТОРМ3 |
|
|
|
|
|
КТОРМ3.ч |
|
IДЗТ.нач |
КТОРМ2 |
|
|
|
КТОРМ2.ч |
|
|||
IДЗТ.нач.ч |
|
|||
I |
НБ |
|
|
|
|
|
0,5 Iном.ТР |
1,5 Iном.ТР |
IТ |
Рис. 2. Характеристики ДТЗ БМРЗ
Токи контуров – это токи, полученные в блоке БМРЗ после программного исключения токов нулевой последовательности и компенсации поворота фаз.
Если защита срабатывает в одном из «контуров», то формируется сигнал на от-
ключение автоматических выключателей с обеих сторон трансформатора.
Дифференциальный ток IД |
и ток торможения IТ двухобмоточного трансформа- |
||||||||||||||||||||||||
тора вычисляются по формулам |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
I |
|
|
|
|
I |
к.ВН |
I |
к.НН |
|
|
; I |
|
|
|
|
I |
к.ВН |
|
|
|
к.НН |
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|||||||||||||
Д |
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
IВН |
|
|
|
|
|
2 IВН |
кВН |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
кВН |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ном.ТР |
|
ТТ |
|
|
|
|
|
ном.ТР |
|
ТТ |
|
|
|
||||||
где Iк.ВН , Iк.НН − комплексные значения вторичных токов сторон «контура»,
приведенные к стороне ВН, вычисляемые с учетом схемы и группы соединения
обмоток, А; IВН |
|
− номинальный первичный ток стороны ВН, А; кВН |
− коэф- |
|||||||||||||||
|
|
|
ном.ТР |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТТ |
|
фициент трансформации трансформатора со стороны ВН. |
|
|||||||||||||||||
|
Для предотвращения ложного срабатывания ДЗТ при БТН предусматри- |
|||||||||||||||||
вается блокировка. Информационный признак блокирования имеет вид |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ИПБ |
|
|
|
|
|
I( 200) диф |
|
, |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
I(100) диф |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
I(50) диф |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где |
I(50) диф |
, |
I(100) диф |
, |
I( 200) диф |
− действующие значения первой, второй, четвертой |
||||||||||||
гармоники в дифференциальном токе, соответственно, А. |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2. Методика расчета уставок двухобмоточного силового трансформатора
2.1. Исходные данные
При проведении расчетов уставок микропроцессорного терминала БМРЗ-
ТД-12-20-21 используем следующие исходные данные [1]:
−тип трансформатора ТДН-16000/110;
−схема и группа соединения обмоток – Y0/Δ-11;
−номинальная мощность SНОМ.ТР 16 МВА ;
−номинальное напряжение стороны ВН UмаксВН 115 кВ ;
−номинальное напряжение стороны НН UмаксНН 6,6 кВ ;
−напряжение КЗ трансформатора, соответствующее крайнему нижнему положению РПН (регулирование в сторону повышения напряжения заблокиро-
вано) uк.мин 9,8% ;
− напряжение КЗ трансформатора, соответствующее крайнему верхнему положению РПН (регулирование в сторону понижения напряжения заблокиро-
вано) uк.макс 11,7%.
Система регулирования напряжения основана на устройстве РПН, распо-
ложенном в нейтрали ВН трансформатора с количеством ступеней регулирова-
ния n=19 и шагом регулирования U 1,78% .
Питающая система имеет следующие параметры:
−сопротивление системы в минимальном режиме Xc.мин 21 Ом ;
−сопротивление системы в максимальном режиме Xc.макс 18,5 Ом ;
−среднее номинальное напряжение системы UсрВН.ном 115 кВ .
Параметры системы стороны НН:
− среднее номинальное напряжение стороны НН UсрНН.ном 6,3 кВ .
Параметры трансформаторов тока:
−коэффициент трансформации ТТ стороны ВН трансформатора кТТВН 30 ;
−коэффициент трансформации ТТ стороны НН трансформатора кТТНН 400 .
6
2.2. Расчет сопротивления трансформатора
Напряжение обмотки ВН при крайнем нижнем положении РПН
ВН |
ВН |
|
|
n 1 |
|
U |
|
|
19 1 |
|
1,78 |
|
|||
Uмин |
Uср.ном |
1 |
|
|
|
|
|
115 1 |
|
|
|
|
|
|
96,6,кВ. |
2 |
|
2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
100 |
|
|||
Напряжение обмотки ВН при крайнем верхнем положении РПН
ВН |
ВН |
|
|
n 1 |
|
U |
|
|
19 1 |
|
1,78 |
|
|||
Uмакс |
Uср.ном |
1 |
|
|
|
|
|
115 1 |
|
|
|
|
|
|
133, 4,кВ. |
2 |
|
2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
100 |
|
|||
Рассчитанное значение напряжение необходимо сравнить с наибольшим допустимым значением, приведенным в табл. 1 [2].
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
Междуфазные напряжения электрических сетей |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Номинальное напряже- |
|
Наибольшее напряжение, |
Среднее (для расчета то- |
||||||||||||||||||||||||
ние, кВ |
|
|
|
|
|
|
кВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ков КЗ), кВ |
|
|||||
35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
37 |
|
||||
110 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
126 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
115 |
|||||
220 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
252 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
230 |
|||||
В рассматриваемом |
примере рассчитанное |
значение |
UВН |
получилось |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
макс |
|
больше максимального допустимого, поэтому принимаем UВН |
126 кВ. |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
макс |
|
|
Сопротивление трансформатора при крайнем нижнем положении РПН |
|||||||||||||||||||||||||||
X |
|
|
uк.мин |
|
|
|
UминВН 2 |
|
|
|
9,8 |
|
96,62 |
|
57,1 Ом. |
|
|
||||||||||
Т.мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
100 SНОМ.ТР |
100 |
|
16 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Сопротивление трансформатора при крайнем верхнем положении РПН |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВН 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
u |
к.макс |
|
Uмакс |
|
|
|
11,7 |
|
126 |
|
|
|
116,1 Ом. |
|
|
||||||||
Т.макс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
100 SНОМ.ТР |
100 |
16 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
2.3. Выбор преобразователей тока и напряжения (ПТН) блока БМРЗ
Используем схемы замещения, представленные на рис. 3, и выполним расчет токов КЗ на сторонах трансформатора: ВН в точке К1; НН в точке К2.
7
а |
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
115 кВ |
Xc.макс 18,5 Ом |
|
|
|
|
Е |
Ф |
|
115 |
|
кВ |
||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
К1 |
|
|
Xc.мин 21 Ом |
|
|
|
|
18,5(21) Ом |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
К1
ТДН 16000 /110 115 кВ 9 1,78%
6,6 кВ
К2 |
uк.макс 11,7% |
57,1(116,1) Ом |
uк.мин 9,8%
К2
6,3 кВ
Рис. 3. К расчету токов КЗ:
а – однолинейная схема; б – схема замещения
Периодическая составляющая максимального фазного тока КЗ на стороне ВН трансформатора
I |
ВН |
|
|
UсрВН.ном |
|
115000 |
3589, А. |
||||
к.макс |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
3 ХС.макс |
3 18,5 |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
Значение верхней границы диапазона измерений ПТН для стороны ВН
iВН |
к |
|
|
IкВН.макс |
2 |
3589 |
240, А. |
|
кВН |
30 |
|||||
к.макс |
|
пер |
|
|
|
||
|
|
|
|
ТТ |
|
|
|
Всоответствии с табл. 2 [3] выбираем следующие параметры ПТН
iмаксВН .ПТН 250 А и IномВН .ПТН 2,5 А .
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
К выбору параметров ПТН |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Номинальный входной ток IВН |
, А |
|
0,5 |
1,0 |
2,5 |
|
5,0 |
ном.ПТН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диапазон контролируемых значений |
|
0,065-65 |
0,13-130 |
0,25-250 |
|
0,5-500 |
|
тока в фазах, А |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
Выбранный ПТН следует проверить по условию обеспечения заданной
погрешности измерения тока нагрузочного режима:
− для IВН |
2,5 А и 5 А |
I |
|
6 |
|
Iном.ТР |
; |
(1) |
|
ном.ПТН |
|
|
|||||||
ном.ПТН |
|
|
|
|
кТТ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
− для IВН |
0,5 А и 1 А |
I |
|
3 |
Iном.ТР |
. |
(2) |
||
ном.ПТН |
|
||||||||
ном.ПТН |
|
|
|
|
кТТ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Номинальный первичный ток ВН трансформатора |
|
||||||||
ВН |
|
|
Sном.ТР |
|
16000000 |
80,3 А. |
|||
Iном.ТР |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
3 UВН |
3 115000 |
||||||||
|
|
|
|
ном.ТР |
|
|
|
|
|
Подставив рассчитанные значения в формулу (1) имеем
IВН |
6 |
IномВН .ТР |
; |
||
кВН |
|||||
ном.ПТН |
|
|
|
||
|
|
|
ТТ |
|
|
2,5 6 |
80,3 |
16,08. |
|||
30 |
|
||||
|
|
|
|
||
Таким образом, выбранный ПТН соответствует требованиям.
Рассчитаем периодическую составляющую приведенного максимального фазного тока КЗ на стороне НН:
I |
НН |
|
|
|
UсрВН.ном |
|
115000 |
878 А. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
к.макс.прив |
3 Xс.макс XТ.мин |
3 18,5 57,1 |
|||||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
Приведем полученное значение к стороне НН трансформатора:
IНН |
IНН |
|
UминВН |
878 |
96,6 |
13459 А. |
UНН |
|
|||||
к.макс |
к.макс.прив |
|
|
6,3 |
|
|
|
|
|
ср.ном |
|
|
|
Определим величину верхней границы диапазона измерений ПТН для стороны ВН:
iНН |
к |
|
|
IкНН.макс |
2 |
13459 |
67, А. |
|
|
кНН |
|
|
|||||
к.макс |
|
пер |
|
|
400 |
|
||
|
|
|
|
ТТ |
|
|
|
|
В соответствии |
с табл. 2 выбираем следующие параметры ПТН |
||
iНН |
130 А |
и IНН |
1,0 А . Выполним проверку ПТН по условию обеспе- |
макс.ПТН |
|
ном.ПТН |
|
чения заданной погрешности измерения тока нагрузочного режима. Для этого
9
рассчитаем номинальный первичный ток НН трансформатора
НН |
|
|
Sном.ТР |
|
16000000 |
1400 А. |
||||
Iном.ТР |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
UНН |
|
|
|
6600 |
||||
3 |
3 |
|||||||||
|
|
|
|
ном.ТР |
|
|
|
|
|
|
Подставив полученные значения в формулу (2), имеем
IНН |
3 |
IномНН .ТР |
; |
|
|||
ном.ПТН |
|
кНН |
|
|
|
ТТ |
|
1 3 1400400 10,5.
Следовательно, выбранный ПТН соответствует требованиям.
2.4. Выбор уставки срабатывания ДТО
Уставку срабатывания ДТО IДТО по условию отстройки от броска тока
намагничивания следует принять от 4 до 5, примем её равной 4. Определим от-
носительный расчётный максимальный ток небаланса |
IНБ.расч |
в соответствии со |
||||||||
следующей формулой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
I |
|
|
|
|
I |
НБ.расч |
|
I |
|
|
, |
(3) |
||
|
|
|
НБ.расч |
|
НБ.расч |
|
НБ.расч |
|
|
|
где IНБ.расч − составляющая, объясняемая погрешностью трансформаторов тока; |
||||||||||
|
− составляющая, вызванная регулированием напряжения трансформатора; |
|||||||||
IНБ.расч |
||||||||||
|
− составляющая, обусловленная неточностью выравнивания токов плеч. |
|||||||||
IНБ.расч |
||||||||||
Для определения составляющих относительного расчетного тока используем следующие зависимости:
IНБ.расч |
кпер |
кодн макс |
IВН |
; |
|
|
|
(4) |
||
|
|
|
|
|
Iк.макс |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
ном.ТР |
|
|
|
||
IНБ.расч Uрег.1 к |
ток.1 Uрег.2 |
кток.2 |
|
ВН |
; |
(5) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Iк.макс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
ном.ТР |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
IНБ.расч |
|
Iк.макс |
, |
|
|
|
|
|
(6) |
|
|
|
|
IВН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ном.ТР |
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|