Ток небаланса это. Токи небаланса в дифференциальных защитах: причины возникновения и методы компенсации — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое токи небаланса в дифференциальных защитах. Какие факторы влияют на появление токов небаланса. Как компенсировать токи небаланса в дифференциальных защитах трансформаторов. Какие методы используются для повышения чувствительности дифференциальных защит.

Содержание

Что такое ток небаланса в дифференциальной защите

Ток небаланса — это ток, протекающий в дифференциальной цепи защиты при отсутствии повреждения в защищаемой зоне. Идеальная дифференциальная защита не должна иметь тока небаланса в нормальном режиме работы и при внешних коротких замыканиях. Однако на практике всегда существует некоторый ток небаланса, который необходимо учитывать при настройке защиты.

Основные причины возникновения тока небаланса:

Погрешности трансформаторов тока
Различие коэффициентов трансформации ТТ на разных сторонах защищаемого объекта
Регулирование напряжения силового трансформатора
Наличие тока намагничивания силового трансформатора

Рассмотрим подробнее каждую из этих причин и методы компенсации токов небаланса.

Погрешности трансформаторов тока как источник небаланса

Трансформаторы тока имеют токовую и угловую погрешности, которые приводят к неточной трансформации первичного тока во вторичную цепь. В результате возникает разность между приведенными вторичными токами с разных сторон защищаемого объекта, которая и создает ток небаланса.

Составляющая тока небаланса, вызванная погрешностью ТТ, определяется по формуле:

I_нб.пог = k_пер * k_одн * ε * I_{КЗ макс}

где:

k_пер — коэффициент, учитывающий переходный режим (1,5-2,5)
k_одн — коэффициент однотипности ТТ (0,5-1,0)
ε — полная погрешность ТТ (не более 10%)
I_{КЗ макс} — максимальный ток внешнего КЗ

Для снижения этой составляющей тока небаланса необходимо:

Использовать ТТ с малой погрешностью (класс точности 5P или 10P)
Выбирать номинальный ток ТТ близким к рабочему току присоединения
Ограничивать вторичную нагрузку ТТ

Влияние различия коэффициентов трансформации ТТ

Трансформаторы тока на разных сторонах защищаемого объекта могут иметь различные коэффициенты трансформации. Это приводит к неравенству вторичных токов и появлению тока небаланса даже при отсутствии погрешностей ТТ.

Составляющая тока небаланса из-за различия коэффициентов трансформации определяется по формуле:

I_нб.кт = I_ном * (W_расч — W_уст) / W_расч

где:

I_ном — номинальный ток защищаемого объекта
W_расч — расчетное число витков выравнивающей обмотки
W_уст — фактически установленное число витков

Для компенсации этой составляющей применяются следующие методы:

Использование промежуточных выравнивающих трансформаторов
Подключение ТТ к разным числам витков дифференциальной обмотки реле
Программная коррекция коэффициентов трансформации в микропроцессорных защитах

Регулирование напряжения силового трансформатора

При регулировании напряжения силового трансформатора изменяется соотношение токов на его сторонах, что приводит к появлению дополнительного тока небаланса в дифференциальной защите.

Эта составляющая тока небаланса определяется по формуле:

I_нб.рег = I_ном * Δu

где:

I_ном — номинальный ток трансформатора
Δu — относительное изменение коэффициента трансформации

Для компенсации данной составляющей применяются:

Отстройка тока срабатывания защиты от максимального тока небаланса

Автоматическая коррекция уставок в зависимости от положения РПН
Торможение защиты от сквозного тока

Влияние тока намагничивания силового трансформатора

Ток намагничивания силового трансформатора создает дополнительный небаланс в дифференциальной защите, особенно при включении трансформатора под напряжение или при перевозбуждении.

В нормальном режиме ток намагничивания составляет 1-2% от номинального тока и не оказывает существенного влияния. Однако при включении трансформатора бросок тока намагничивания может достигать 5-8 кратных значений.

Для отстройки от броска тока намагничивания применяются следующие методы:

Блокировка защиты по второй гармонике дифференциального тока
Торможение защиты от тока одной из сторон
Замедление действия защиты на время броска тока

Методы повышения чувствительности дифференциальных защит

Для обеспечения высокой чувствительности дифференциальной защиты при одновременной отстройке от токов небаланса применяются различные технические решения:

Процентное торможение

Суть метода заключается в увеличении тока срабатывания защиты пропорционально увеличению тока в защищаемом объекте. Это позволяет отстроиться от токов небаланса при внешних КЗ и сохранить чувствительность при внутренних повреждениях.

Адаптивная характеристика срабатывания

Микропроцессорные защиты позволяют реализовать сложные характеристики срабатывания, учитывающие различные режимы работы защищаемого объекта. Это обеспечивает оптимальную чувствительность во всех режимах.

Цифровая фильтрация сигналов

Применение цифровых фильтров позволяет выделить из сигнала полезные составляющие и отстроиться от помех и высших гармоник, что повышает точность работы защиты.

Адаптивная коррекция уставок

Автоматическое изменение уставок защиты в зависимости от режима работы оборудования (положение РПН, нагрузка и т.д.) позволяет обеспечить оптимальную чувствительность.

Заключение

Токи небаланса являются неотъемлемой особенностью дифференциальных защит. Понимание причин их возникновения и методов компенсации позволяет обеспечить правильную настройку и надежное функционирование дифференциальных защит различного оборудования. Современные микропроцессорные устройства предоставляют широкие возможности по минимизации влияния токов небаланса и повышению чувствительности защит.

Определение — ток — небаланс

Cтраница 1

Характеристики и ток намагничивания трансформаторов. [1]

Определение тока небаланса расчетным путем представляет значительную трудность. [2]

Характеристики и ток намагничивания трансформаторов тока дифференциальной защиты. [3]

Определение тока небаланса расчетным путем представляет значительную трудность. Она почти полностью замыкается через ветвь намагничивания, увеличивая этим ток намагничивания и насыщая сердечник трансформатора. Это ухудшает, в свою очередь, трансформацию периодической составляющей тока КЗ, вследствие чего ток намагничивания еще более возрастает. Поэтому наибольшие токи небаланса в схеме дифференциальной защиты появляются в том случае, если повреждение возникает в момент, когда апериодическая составляющая имеет наибольшее значение. Скорость изменения апериодической составляющей зависит от постоянной времени Г, первичной цепи. С увеличением Т продолжительность существования апериодического тока возрастает. Это приводит к росту тока намагничивания. [4]

Определение тока небаланса расчетным путем представляет значительную трудность. [5]

Для определения тока небаланса

в переходном режиме внешнего КЗ могут быть составлены соответствующие дифференциальные уравнения. [6]

Для определения токов небаланса в дифференциальной защите в установившемся режиме необходимо вычислить максимальный ток, протекающий через силовой трансформатор IK. [7]

Для определения тока небаланса в переходном режиме внешнего КЗ могут быть составлены соответствующие дифференциальные уравнения. [8]

Особенности определения тока небаланса в цепи обмотки реле, включенного на сумму токов трех фаз, заключаются в том, что величина тока небаланса при нормальном режиме работы защищаемого присоединения мала и в токе небаланса содержатся составляющие высших гармоник. [9]

При определении тока небаланса исходят из того, что трансформаторы тока в схеме выбраны так, что полная погрешность не превышает е — 10 % при заданной вторичной нагрузке и предельной кратности тока к. [10]

ТТ, повышается точность определения тока небаланса. Когда достаточно, как это чаще всего и бывает, оценить только величину токов небаланса ( с точностью до 50 %), сопротивления Л можно не включать. [11]

В тех случаях, когда выдержка времени защиты не превышает 0 3 сек ( например, в схемах с ускорением после АПВ) при определении тока небаланса / нб. [12]

Принципиальная схема трехступенчатой направленной токовой защиты нулевой последовательности ( комплект КЗ-15. [13]

Цель работы — ознакомление с защитой от замыкания на землю, выполненной по типовой схеме ( рис. 6 — 11) для сетей с большим током замыкания на землю; изучение методов определения токов небаланса в цепи обмотки реле, включенного на ток нулевой последовательности, и способов снятия векторных диаграмм тока и напряжения нулевой последовательности; проверка током нагрузки и рабочим напряжением правильности включения органа, определяющего знак мощности нулевой последовательности — Особенности определения тока небаланса в цепи обмотки реле, включенного на сумму токов трех фаз, заключаются в том, что ток небаланса при нормальном режиме работы защищаемого присоединения мал и в нем содержатся составляющие высших гармоник.

[14]

определения тока небаланса в цепи обмотки реле, включенного на сумму токов трех фаз, заключаются в том, что ток небаланса при нормальном режиме работы защищаемого присоединения мал и в нем содержатся составляющие высших гармоник. [15]

Страницы: 1 2

Принцип действия диф защиты трансформатора (ДЗТ): токи небаланса, ТТ, коэффициенты

Пример HTML-страницы

Принцип действия продольных защит основан на первом законе Кирхгофа.

Содержание

Условная схема дифференциальной защиты
Погрешность ТТ в работе диф защиты трансформатора
Компенсация угловых сдвигов первичных токов и исключение токов нулевой чувствительности
Разные коэффициенты ТТ в ДЗТ
Регулировка коэффициента трансформации силовых трансформаторов
Ток намагничивания при работе ДЗТ

Условная схема дифференциальной защиты

Если принять за узел защищаемый объект (рис. 1.1) и фиксировать ток на всех ветвях, связывающих защищаемый объект (узел) с внешней сетью, то при повреждении на отходящей ветви сумма токов, входящих и выходящих из узла, будет равна нулю.

Рис. 1.1. Схема дифференциальной защиты с циркулирующими токами

При повреждении защищаемого объекта (КЗ в узле) сумма токов по ветвям будет равна току короткого замыкания.

По схеме на рис. 1.1 в нормальном нагрузочном режиме и при внешнем коротком замыкании (на исходящей ветви, за трансформатором тока в сторону сети) во вспомогательных проводах, соединяющих вторичные обмотки трансформаторов тока, циркулируют токи, равные вторичным токам ТТ.

Поэтому такое выполнение продольной дифференциальной защиты именуется схемой с циркулирующими токами. Другим вариантом исполнения дифференциального принципа (рис. 1.2) является схема с уравновешенными напряжениями, в которой вторичные обмотки ТТ соединяются между собой последовательно, и в эту же цепь включен реагирующий орган (дифференциальное реле). Считается, что одноименные концы первичной и вторичной обмоток ТТ расположены с одной стороны. Ток в реле будет равен:

(1–1)

где Z – сумма сопротивлений вспомогательных проводов, обмотки реле и обмоток ТТ.

Рис. 1.2. Схема дифференциальной защиты с уравновешенными напряжениями

В нормальном режиме и коротком замыкании вне зоны действия Е1 = Е2 и направлены в противоположные стороны, ток в реле равен нулю.

При повреждении в защищаемой зоне Е1 ≠ Е2, но направлены в одну сторону, ток в реле не равен нулю и, если он превышает ток срабатывания, то защита отключит поврежденный элемент.

В схеме с уравновешенными напряжениями в нормальном режиме и внешних коротких замыканиях токи во вторичных обмотках ТТ отсутствуют, и ТТ работают в режиме холостого хода. Это может привести к недопустимому перегреву ТТ и появлению высоких напряжений во вторичных цепях, поэтому схема с уравновешенными напряжениями со стандартными трансформаторами тока по рис. 1.2 не применяется, обычно устанавливаются специальные промежуточные ТТ. Кроме того, схема требует использования максимально близких по характеристикам ТТ. Таким образом, схема с уравновешенными напряжениями получается более сложной, чем с циркулирующими токами, и поэтому она получила ограниченное применение.

В свою очередь схема с циркулирующими токами может выполняться в двух вариантах: с малым сопротивлением и с большим сопротивлением дифференциальной цепи реле.

Достоинством схемы с малым сопротивлением дифференциального реле является шунтировка измерительных ТТ, что максимально устраняет их влияние друг на друга.

Достоинством схемы с большим сопротивлением дифференциальной цепи является автоматическое загрубление защиты при насыщении какого-либо ТТ при внешнем КЗ, так как в этом случае малое сопротивление ветви намагничивания насыщенного ТТ шунтирует дифференциальную цепь, уменьшая ток (напряжение) небаланса.

Чаще всего схема с большим сопротивлением дифференциальной цепи применяется при выполнении дифференциальных защит шин, где возможно глубокое насыщение ТТ на том присоединении, где произошло внешнее для дифференциальной защиты КЗ и в чувствительных дифференциальных защитах от замыканий на землю. В настоящее время в связи с уменьшением затрат на реализацию сложных алгоритмов при переходе на электронную элементную базу изготовления реле, схема с большим сопротивлением вытесняется защитами с малым сопротивлением дифференциального реле.

При рассмотрении принципа действия дифференциальных защит было принято, что в нагрузочном режиме и в режиме внешнего короткого замыкания ток в дифференциальной цепи равен нулю. Это возможно только в том случае, если вторичные токи ТТ точно равны первичным приведенным токам, т. е.

В действительности в дифференциальной цепи в этих режимах протекает ток, называемый током небаланса.

Определим, из каких составляющих складывается ток небаланса.

Погрешность ТТ в работе диф защиты трансформатора

Эта составляющая тока небаланса характерна для всех дифференциальных защит и вызвана тем, что вторичный ток равен:

(1 – 2)

где I_втор. – вторичный ток ТТ;
I’_перв. – приведенный ко вторичной обмотке первичный ток;
I’_нам. – приведенный ко вторичной обмотке ток намагничивания.
Ток в реле – ток небаланса – равен (для дифференциальной защиты с двумя ветвями):

I_р.=I_нб.=I_втор.1 – I_втор.2 = I’_перв.1 – I’_{нам. 1} – I’_перв.2 + I’_нам.2 ,

(1 – 3)

где I_втор.1, I’_перв.1, I’_нам.1 – вторичный, приведенный первичный и приведенный ток намагничивания ТТ первой ветви;
I_втор.2, I’_перв.2, I’_нам.2 – то же для второй ветви.
При условии, что первичные токи защищаемого объекта равны первичным токам ТТ при внешнем коротком замыкании:
Ток небаланса будет равен:

(1 – 4)

В общем случае ток небаланса равен геометрической сумме токов намагничивания всех ветвей дифференциальной защиты:

(1 – 5)

Для того чтобы выявить влияние нагрузок ТТ и сопротивления дифференциального реле на ток небаланса, составим схему замещения дифференциальной защиты [3]:

Рис. 1. 3. Схема замещения дифференциальной токовой защиты

На рис. 1. 3. введены следующие обозначения:
Z’_перв1, Z’_нам1, Z_втор1 – приведенные сопротивления первичной обмотки и ветви намагничивания,сопротивление вторичной обмотки ТТ первой ветви;
Z’_перв2, Z’_нам2, Z_втор1 – то же для второй ветви;
I’_перв1, I’_нам1, I_втор1 – приведенные первичный ток, ток намагничивания и вторичный ток ТТ первой ветви;
I’_перв2, I’_нам1, I_втор1 – то же для второй ветви;
I_Р, Z_РО – ток в цепи дифференциального реле и сопротивление дифференциального реле;
r_пр1, r_пр2 – сопротивление соединительных проводов от ТТ до дифференциального реле для первой и второй ветви.

Принимая, что все сопротивления по рис. 1. 3 являются линейными элементами и составив для этой схемы уравнения по законам Кирхгофа, получим для I_нб при внешнем КЗ, когда I’_перв1 = I’ _перв2:

(1 – 6)

где Z₂ = Z_втор2 + r_пр2 ; Z₁ = Z_втор1 + r_пр1;
Z’_нам1 • Z’_нам2 = Z’²_нам;
Z’_нам1 + Z’_нам2 = 2Z’_нам.
Анализ формулы (1 – 6) показывает, что для снижения тока небаланса необходимо для менее мощных ТТ (имеющих меньшее сопротивление намагничивания) уменьшать внешнюю нагрузку.

К сожалению, для большинства трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник», как раз для менее мощных ТТ, на стороне «звезды» нагрузка должна быть увеличена в три раза за счет соединения ТТ в «треугольник», что приводит к большой погрешности ТТ, к увеличению тока небаланса и соответственно к увеличению тока срабатывания дифференциальной защиты.

В переходных режимах работы токи небаланса могут во много раз превосходить установившиеся значения. Проведенные исследования показали, что переходный ток небаланса может содержать значительную апериодическую составляющую, причем при равенстве сопротивления плеч и идентичности вольт-амперных характеристик ТТ ток небаланса представляет однополярный сигнал.

При неравенстве сопротивления плеч ТТ в токе небаланса появляются отрицательные полуволны [4]. На переходный процесс оказывают значительное влияние постоянные времени первичной и вторичной цепи – с их возрастанием токи небаланса увеличиваются, а сам переходный процесс затягивается.

Для обеспечения правильного функционирования дифференциальной защиты необходимо ток срабатывания защиты отстроить от токов небаланса, вызванных погрешностью ТТ в режиме максимального тока внешнего короткого замыкания.

Ввиду сложности расчетов для реальных ТТ переходных токов небаланса, ток срабатывания дифференциальных защит выбирают по условию отстройки от установившегося тока небаланса, а учет переходного режима производится введением повышающего коэффициента kпер, который определяет степень конструктивной отстройки дифференциального реле от переходного режима (реле с промежуточными насыщающимися ТТ, реле с время-импульсной схемой и т.д.).

Для дифференциальных защит, в которых объединяются ТТ нескольких сторон защищаемого объекта, ток небаланса, вызванный погрешностями ТТ, определяется в режиме, когда ТТ одной стороны работают с допустимой погрешностью, а ТТ других – без погрешности.

В этом случае разность токов сторон будет протекать в дифференциальной цепи и определять ток небаланса.

Максимальная допустимая полная погрешность ТТ для дифференциальных защит в установившемся режиме максимального тока внешнего КЗ не должна превышать 10%.

Если для дифференциальной защиты используются ТТ одинакового типа, с одним коэффициентом трансформации, работающие примерно в одинаковых условиях, то мало вероятно, чтобы погрешность, с одной стороны, была равна допустимой, а с другой – равна нулю. Для учета таких условий работы ТТ (в формуле определения тока небаланса) вводится коэффициент однотипности ТТ, равный 0,5.

Таким образом, составляющая тока небаланса, вызванная погрешностью ТТ, определяется:

(1 – 7)

где k_пер – коэффициент, учитывающий переходный режим;
k_одн – коэффициент однотипности ТТ, который принимается равным 1,0 или 0,5 в зависимости от условий работы ТТ;
ε – полная погрешность ТТ в установившемся режиме при расчетном токе внешнего металлического КЗ;
I_{КЗ макс} – максимальное значение тока при установившемся внешнем металлическом КЗ.

Защита с током срабатывания, выбранным по условию отстройки от тока небаланса по (1–7), не обеспечивает требование необходимой чувствительности защиты, поэтому применяют различные способы повышения чувствительности и отстройки от тока небаланса. Традиционным способом отстройки от токов небаланса является процентное торможение, под которым понимается возрастание тока срабатывания дифференциального реле с увеличением тормозного тока. В качестве тормозного тока можно использовать фазный ток одной или нескольких сторон защиты, полусумму абсолютных значений токов сторон защиты и т.п.

Компенсация угловых сдвигов первичных токов и исключение токов нулевой чувствительности

Для силовых трансформаторов со схемой соединения «звезда−треугольник» между токами высшего и низшего напряжения существует угловой сдвиг с кратностью в 300. Без принятия мер для компенсации этого сдвига потребовалось бы значительное загрубление дифференциальной защиты по току срабатывания. Поэтому угловой сдвиг первичных токов компенсируется соответствующим поворотом вторичных токов на одной из сторон трансформатора.

Первичный поворот токов происходит из-за соединения обмоток трансформатора в «треугольник». Поэтому для компенсации фазовой погрешности трансформаторы тока тоже соединяются в треугольник.

Теоретически безразлично, на какой стороне соединить трансформаторы тока в «треугольник». Однако для силового трансформатора с заземленной нулевой точкой на стороне «звезда» при внешнем повреждении на землю со стороны нейтрали протекают токи нулевой последовательности – нейтраль «генерирует» токи нулевой последовательности. Эти токи трансформируются во вторичную цепь на стороне высшего напряжения, а на стороне «треугольника» в трансформаторах тока эти токи отсутствуют, так как первичные токи нулевой последовательности циркулируют внутри обмотки «треугольника» и не выходят во внешнюю цепь. Таким образом, весь ток нулевой последовательности со стороны «звезды» трансформатора будет протекать в дифференциальную цепь.

Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты необходимо подавить токи нулевой последовательности в дифференциальной цепи.

Соединение трансформаторов тока на стороне «звезды» силового трансформатора в «треугольник» обеспечивает, с одной стороны, компенсацию углового сдвига первичных токов и, с другой стороны, отсутствие тока нулевой последовательности в дифференциальной цепи за счет того, что токи нулевой последовательности циркулируют внутри схемы «треугольника» трансформаторов тока.

Следует заметить, что соединение трансформаторов тока в «треугольник» увеличивает нагрузку вторичной цепи в три раза, что может привести к увеличению погрешности трансформаторов тока, необходимости увеличения сечения контрольных кабелей, замены трансформаторов тока и т.д.

В современных цифровых дифференциальных защитах компенсация углового сдвига токов и исключение токов нулевой последовательности обеспечивается программными средствами, что позволяет на всех сторонах силового трансформатора соединять трансформаторы тока в «звезду».

Интересное видео о защите силового трансформатора:

Разные коэффициенты ТТ в ДЗТ

Для выравнивания вторичных токов с разных сторон силового трансформатора необходимо, чтобы номинальные первичные токи силового трансформатора были равны номинальным первичным токам ТТ, а при соединении ТТ в «треугольник» – номинальный первичный ток ТТ был в √3 раз меньше номинального тока этой стороны силового трансформатора.

ТТ имеют стандартную шкалу номинальных значений, поэтому для выравнивания вторичных токов с разных сторон трансформатора используются промежуточные автотрансформаторы (трансформаторы) или магнитное выравнивание с помощью подключения цепей вторичных токов к разным числам витков.

Однако все эти способы не позволяют точно сбалансировать вторичные токи (невозможность установки дробного числа витков или из-за дискретности отпаек витков обмотки и т. п.), поэтому появляется дополнительная составляющая тока небаланса. Эта составляющая определяется:

(1 – 8 )

где W_расч – расчетное число витков;
W_уст – установленное число витков.
Расчетное число витков определяется по выражению:

(1 – 9)

где W_осн и I_{ном. осн} – число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за основную;
W_расч и I_ном – расчетное число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за неосновную.

Следует отметить, что в современных цифровых реле удается минимизировать эту составляющую тока небаланса (до уровня ≈ 1%).

Регулировка коэффициента трансформации силовых трансформаторов

Выравнивание вторичных токов ТТ производится при одном определенном коэффициенте трансформации силового трансформатора (при номинальном или оптимальном положении регулятора). При изменении положения регулятора напряжения равенство токов (ампер-витков) нарушается.

В дифференциальной цепи появляется еще одна составляющая тока небаланса, которая определяется по формуле:

(1 – 10)

где Δu – относительное максимальное изменение коэффициента силового трансформатора от номинального (оптимального) значения.

Ток намагничивания при работе ДЗТ

Основной особенностью дифференциальных защит трансформаторов является неравенство нулю суммы МДС его обмоток из-за необходимости создания в сердечнике трансформатора основного потока, т.е. отношение токов по сторонам трансформатора не равно отношению числа витков за счет наличия тока намагничивания.

Поэтому в токе небаланса появляется еще одна составляющая – ток намагничивания. В нормальном режиме ток намагничивания не превышает 1 – 2% номинального тока и практически не учитывается при выборе тока срабатывания дифференциальной защиты.

Однако в режимах перевозбуждения его величина может возрасти до значений, соизмеримых с током срабатывания дифференциальной защиты.

Режим перевозбуждения возможен при повышении напряжения обмотки свыше номинального или при снижении частоты, этот режим можно характеризовать краткостью перевозбуждения:

(1 – 11)

где – В_ном, u_ном, f_ном – номинальные значения индукции в сердечнике, напряжения и частоты.
При перевозбуждении увеличиваются потери в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, происходит нагрев до недопустимых температур конструктивных элементов, что приводит к нагреву изоляции и ее повреждению, поэтому режим перевозбуждения должен быть ограничен во времени.

Т а б л и ц а 1-1

Максимальное допустимое время существования режима перевозбуждения [1]

B/B_ном	1,15	1,3	1,58	1,66
t, с	1200	20	1	0,1

Кроме повышения напряжения или снижения частоты, которые собственно и являются причинами перевозбуждения, этот режим характеризуется появлением в дифференциальном токе пятой, седьмой, а при схеме соединения ТТ дифференциальной защиты «звезда−звезда» еще и третьей гармоник. Так как насыщение сердечников силового трансформатора происходит в оба полупериода, то в токе намагничивания отсутствует постоянная составляющая.

При подаче напряжения на трансформатор или при восстановлении напряжения после отключения короткого замыкания ток намагничивания резко возрастает и может достичь значений пяти−восьмикратных от номинального, причем большая часть броска тока намагничивания протекает со стороны подачи напряжения, а в режиме холостого хода весь ток намагничивания проходит со стороны питания, т.е. этот ток будет проходить в дифференциальную цепь.

Поэтому должны быть выявлены признаки, по которым можно отличить бросок тока намагничивания от тока короткого замыкания из-за повреждения трансформатора.

Рассмотрим физические процессы, которые происходят при включении трансформатора на примере однофазного трансформатора (рис. 1. 4). Если в момент включения напряжение питания проходит через нулевое значение, то установившееся значение магнитного потока должно быть близко к максимальному. Магнитный поток в сердечнике трансформатора не может измениться мгновенно, что приводит к возникновению свободной апериодической составляющей потока, величина которой должна быть такой величины, чтобы результирующий магнитный поток был равен нулю или остаточному потоку, если к моменту включения в магнитопроводе существовал остаточный поток. В результате кривая результирующего магнитного потока оказывается смещенной относительно нулевой линии. В пределе через половину периода результирующий магнитный поток может принять двойное значение и более при наличии остаточной индукции с неблагоприятным знаком.

Насыщение магнитопровода и вызывает появление значительных бросков тока намагничивания.

Рис. 1.4. Бросок тока намагничивания однофазного трансформатора

В трехфазных трансформаторах на броски тока намагничивания каждой фазы оказывают влияние магнитные потоки в сердечниках других фаз и обмотки трансформатора, соединенные в «треугольник». В зависимости от момента подачи напряжения, режима нейтрали, групп соединения обмоток трансформатора, (трехстержневой трансформатор или состоит из однофазных трансформаторов) бросок тока намагничивания может быть двух видов.

В первом случае во всех трех фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер, причем в одной фазе бросок тока намагничивания будет максимальным, в двух других – одинаковые и противоположные по знаку первой фазы.

Во втором случае в двух фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер разного знака, а в третьей фазе – периодический характер. Периодический бросок тока намагничивания может достигать двукратного значения номинального тока трансформатора. Идеализированные формы двух видов броска тока намагничивания показаны на рис 1.5, а осциллограмма взятия под напряжение трансформатора с броском тока намагничивания второго вида приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.5. Идеализированные формы бросков тока намагничивания первого и второго вида

Рис. 1.6. Осциллограммы токов намагничивания при взятии под напряжение силового трансформатора

При соединении ТТ дифференциальной защиты в «треугольник» при однополярных бросках тока намагничивания в дифференциальной цепи одной из фаз (где протекает разность токов) может появиться вторичный ток периодического характера.

После насыщения ТТ однополярным броском тока намагничивания во вторичном токе также появляются отрицательные полуволны.

Анализ кривых трехфазного броска тока намагничивания показывает следующие его характерные особенности:

бросок тока намагничивания, по крайней мере в двух фазах, носит апериодический характер;
апериодический бросок тока намагничивания в пределах одного периода имеет только один максимум и существенную токовую паузу в то время как ток короткого замыкания – два максимума за период;
в периодическом броске тока намагничивания имеется бестоковая пауза, меньшая по длительности, чем при апериодическом броске;
бросок тока намагничивания содержит высшие гармонические составляющие: вторую, третью и т. д., особенно велика доля второй гармоники. Даже в периодическом броске тока намагничивания доля второй гармонической составляющей велика.

К сожалению, при повреждении в зоне действия дифференциальной защиты ток короткого замыкания может иметь (как и при броске тока намагничивания) быстро затухающую апериодическую составляющую.

При насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей первичного тока во вторичном токе появятся четные гармоники. При больших кратностях тока короткого замыкания в режиме глубокого насыщения трансформаторов тока во вторичном токе могут появиться и паузы. Таким образом, все признаки броска тока намагничивания присущи и вторичному току при больших величинах тока короткого замыкания в зоне работы дифференциальной защиты. Поэтому высокочувствительные дифференциальные защиты трансформаторов, использующие для блокировки один из перечисленных признаков броска тока намагничивания, могут правильно работать только в определенном диапазоне токов.

При токах, когда погрешности трансформаторов тока могут привести (в результате блокировки) к замедлению действия защиты или ее отказу, предусматривается грубая дифференциальная защита, отстроенная по току срабатывания от броска тока намагничивания, так называемая дифференциальная отсечка.

ПУЭ допускает использование дифференциальной отсечки как основной защиты на трансформаторах мощностью до 25 МВ•А. Для дифференциальной отсечки с электромагнитным токовым и выходным промежуточным реле ток срабатывания может быть принят трех–четырехкратным номинального тока трансформатора.

ПРИЧИНЫ, ПОСЛЕДСТВИЯ И ЗАЩИТА – Помехи напряжения

В трехфазных системах асимметрия тока определяется как максимальное отклонение любого фазного тока от среднего, деленное на средний ток. Текущий дисбаланс может возникнуть по причинам, находящимся под контролем конечного пользователя или вне контроля конечного пользователя. Некоторые из причин небаланса тока (или дисбаланса):

Несбалансированное напряжение источника от электросети
8 неравный импеданс трехфазной системы распределения
Неравное распределение однофазных нагрузок
Несбалансированные нагрузки по каждой фазе
Несовершеннолетний трансформер Faulty Contactor, Loose Cretange

Faulty Contactor, Loose Cretange 9000 8. потери

В трехфазной системе асимметрия напряжения возникает, когда фазное или линейное напряжение отличается от номинального сбалансированного состояния. Нормальное сбалансированное состояние — это когда напряжения трех фаз одинаковы по величине и векторно смещены на 120 градусов. Дисбаланс напряжения может быть вызван разницей в величине напряжения или фазового угла, или того и другого . Стандарт NEMA для электродвигателей рекомендует, чтобы максимальный дисбаланс напряжения составлял 1% без снижения номинальных характеристик. При дисбалансе напряжения свыше 1 % необходимо снизить номинальную мощность двигателя (см. рис. 6). Асимметрия напряжения приводит к асимметрии тока , перегреву, повреждению или сокращению срока службы асинхронных двигателей.

Ссылка на калькулятор асимметрии напряжения

Рис. 1: График, показывающий фазный ток и асимметрию тока в процентах
Дисбаланс напряжения может создавать проблемы для цепей двигателя, особенно для двигателей, питаемых от сети. Дисбаланс напряжения в двигателях с питанием от ЧРП также приводит к дисбалансу тока, но разница в том, что фаза с наибольшим напряжением будет нести наибольший ток, поэтому нагрузка ЧРП имеет тенденцию немного смягчать дисбаланс напряжения. Дисбаланс напряжения с нагрузкой ЧРП обсуждается в статье по ссылке ниже.
Связь с асимметрией напряжения
Из составляющих последовательности мы знаем, что несбалансированное напряжение будет иметь составляющие напряжения прямой и обратной последовательности, тогда как чисто симметричное напряжение будет иметь только составляющие положительной последовательности.
Ссылка на компоненты последовательности
Проблема с нагрузкой асинхронного двигателя заключается в том, что напряжение обратной последовательности индуцирует ток обратной последовательности в обмотке ротора двигателя. Асинхронный двигатель имеет более низкий импеданс к току обратной последовательности по сравнению с током прямой последовательности . Типичный диапазон соотношения между импедансом прямой и обратной последовательности в асинхронном двигателе составляет от 3 до 10.
Поскольку полное сопротивление обратной последовательности асинхронного двигателя низкое, небольшой дисбаланс напряжения приведет к большому току обратной последовательности в обмотках ротора. Векторы обратной последовательности вращаются в направлении, противоположном векторам напряжения прямой последовательности, что означает, что ток, индуцируемый в обмотке ротора, в два раза превышает частоту питания (пример: 120 Гц для системы 60 Гц) и будет создавать крутящий момент при вращении, противоположном желаемому направлению вращения. Ток двойной частоты в роторе приводит к повышению температуры и может привести к повреждению обмотки. Повышение температуры двигателя 10 ^o C выше его номинала сократит ожидаемый срок службы двигателя на 50%.
Может ли реле перегрузки по току [TOC] защитить двигатель от асимметрии тока?
Увеличение среднеквадратичного значения чистого тока статора из-за асимметрии напряжения не является очень значительным, и для отключения элемента перегрузки по току (TOC) может потребоваться много времени. Помните, что ток ротора с двойной частотой индуцирует , что в конечном итоге приводит к повреждению двигателя. Ток двойной частоты приводит к более высоким потерям на вихревые потоки и в сердечнике, которые не могут быть учтены элементами TOC. По этой причине для асинхронного двигателя рекомендуется использовать реле защиты от небалансного тока.
Усовершенствованные реле защиты двигателя имеют тепловые модели, которые могут рассчитывать эффекты нагрева токов обратной последовательности, возникающие из-за асимметрии. Тепловая модель рассчитывает энергию, рассеиваемую внутри двигателя из-за блокировки ротора, перегрузки, нормального тока двигателя, неуравновешенного тока и обозначается как % тепловой мощности. Когда тепловая мощность превышает настройку пользователя, реле инициирует отключение двигателя. В приложениях с усовершенствованными реле защиты двигателя с расширенным расчетом тепловой мощности, как описано, защита от несимметрии токов может использоваться в качестве резервной защиты.
Расчет дисбаланса тока двигателя
Реле вычисляют % дисбаланса, используя немного разные методы в зависимости от величины среднего тока.
Поскольку малонагруженные двигатели могут выдерживать гораздо более высокие уровни асимметрии токов, современные реле защиты двигателей автоматически отключают функцию защиты от асимметрии, когда средняя величина фазного тока ниже 25 % или 30 % [зависит от производителя].
Подобно расчету асимметрии напряжения, асимметрию тока также можно рассчитать двумя способами: Метод среднего отклонения (перечислен выше) или как отношение тока обратной последовательности к компоненту прямой последовательности , обычно выражаемое в процентах [IEEE Std 1159-2009]. Некоторые современные измерители мощности предоставляют данные в обоих форматах. Расчеты с использованием обоих методов могут давать несколько разные значения, поскольку метод компонента последовательности использует амплитуду и фазовый угол, тогда как метод среднего отклонения использует только текущую величину. Для несбалансированного расчета защиты двигателя обычно достаточно использовать метод среднего отклонения. Рисунок 2 иллюстрирует расчет текущего дисбаланса для той же системы с использованием двух методов.
Рис. 2: Измерение дисбаланса тока двумя методами
Рекомендации по настройке отключения по дисбалансу тока
При получении уставки отключения по дисбалансу тока для реле двигателей следует учитывать следующее.
Однофазное
Однофазное состояние приводит к наихудшему состоянию дисбаланса тока в асинхронных двигателях. Без надлежащей защиты от этой возможности двигатели могут быть повреждены в течение нескольких минут. Когда двигатель, нагруженный до предела своей мощности, находится в однофазном состоянии (потеря одного из трех соединений напряжения), двигатель будет продолжать развивать номинальную выходную мощность. При этом на исправные фазы будет приходиться 173 % тока нагрузки до отказа.
Рисунок 3: Состояние однофазного двигателя
Если двигатель надлежащим образом защищен в соответствии с его номинальной полной нагрузкой, а предаварийная нагрузка близка к полной нагрузке, то защитное устройство (автоматические выключатели или предохранители) быстро сработает в этом состоянии перегрузки по току на 173%.
Возможный сценарий, при котором обычная защита двигателя от перегрузки может не определить однофазное состояние, — это когда двигатель слабо нагружен . Скажем, например, двигатель загружен только на 50%. Тогда ток двигателя на единицу будет 1 * 0,5 = 0,5 о.е. Здоровые фазы будут видеть только 0,5 * 1,73 = 0,865 о.е. тока. Автомат защиты от перегрузки по току или предохранитель, рассчитанный на номинальное значение 1pu FLA, не сработает. Тем не менее, правильно настроенное реле несимметричного тока двигателя может легко обнаружить и устранить это состояние. В этом примере двигатель, нагруженный до 50 % с потерей одной фазы, приведет к дисбалансу тока 58 %. Типичные реле двигателей настроены на срабатывание в диапазоне 15-20% и легко обнаруживают это состояние.
График ниже показывает дисбаланс тока в процентах для различных однофазных условий.
Рисунок 4: Асимметрия тока при однофазном подключении для различных нагрузок двигателя
Согласно рис. 4, когда двигатель, нагруженный до 60 %, находится в однофазном состоянии, асимметрия тока теоретически составит 69 %. Если двигатель может работать при низких нагрузках, то важно НЕ устанавливать слишком высокое значение срабатывания по току небаланса .
Асимметрия сетевого напряжения
При программировании настроек асимметрии тока на реле защиты следует помнить, что 1% асимметрия напряжения вызывает приблизительно 6% асимметрию тока в асинхронных двигателях . Несимметричное напряжение до 0,2-0,5% характерно для электросети. В некоторых редких случаях они могут быть выше на 1-2%.
Рисунок 5: Асимметрия напряжения, измеренная на линии 12,47 кВ
Если в каком-либо месте существует асимметрия напряжения 2 %, тогда установите защиту от несимметрии тока не менее чем на 12 % в дополнение к снижению номинальных характеристик двигателя в соответствии с коэффициентом снижения номинальных характеристик NEMA (см. рис. 6).
Рис. 6: Снижение номинальных характеристик двигателя по стандарту NEMA
Сбои в сети
Сбои в сети, удары молнии, повторное включение и т. д. приводят к кратковременному дисбалансу напряжения, что может привести к кратковременному дисбалансу тока двигателя. Сбои в работе сети и повторное включение обычно длятся от 50 мс до 5 с. Программирование соответствующей выдержки времени в реле тока небаланса важно, чтобы избежать ложных срабатываний в таких ситуациях .
Принимая во внимание сценарии, упомянутые в случае «1», «2», «3», отключение по току дисбаланса обычно выбирается в пределах 15-25% с задержкой 10-20 с . Можно также рассмотреть настройку аварийного сигнала 10 % с задержкой 10 с. Это типичные значения, и пользователям рекомендуется просматривать каждое приложение в каждом конкретном случае.
Ссылка на калькулятор тока двигателя
НЕЙТРАЛЬНЫЙ ПРОВОД И ТОК НЕБАЛАНСИРОВКИ:
Q1) Разница между проводом заземления и нулевым проводом?
ANS) Нейтральный провод является обратным путем для тока несимметрии. Электрически нейтральный – это нулевой потенциал по отношению к потенциалу под напряжением. В то время как заземляющий провод используется в целях безопасности. Он обеспечивает путь с низким импедансом для протекания тока короткого замыкания на землю, а не на наше тело, и, таким образом, спасает нас от опасности поражения электрическим током.
Q2) если нейтральный провод имеет нулевой потенциал, то как он обеспечивает обратный путь для тока?
ANS) Нейтраль — это точка отсчета в цепи, и когда мы говорим, что она имеет нулевой потенциал, это означает, что»
«Если на нейтральном проводе 0 вольт, то на проводе под напряжением будет 220 вольт»
Нейтраль — это 0 вольт относительно земли. Это означает, что он имеет то же напряжение, что и земля. На самом деле на нейтрали нет напряжения. Мы просто принимаем его равным 0 вольт, чтобы мы могли использовать его для целей сравнения
В3) в чем разница между балансной и небалансной нагрузкой?
ANS) Балансные нагрузки — это нагрузки, при которых мощность распределяется поровну между всеми фазами, т. е.
Нагрузка на фазу A= Нагрузка на фазу B = Нагрузка на фазу C
ПРИМЕРЫ: Трехфазные двигатели, преобразователи; Выпрямители, использующие трехфазное питание, являются
распространенными примерами сбалансированных нагрузок.
Несбалансированная нагрузка = силовая нагрузка на каждую фазу неодинакова.
Нагрузка на фазу A=/=Нагрузка на фазу B=/=Нагрузка на фазу C
ПРИМЕРЫ: Однофазная/двухфазная нагрузка в трехфазной системе называется
Несимметричная нагрузка.
Сбалансированная система более эффективна, поскольку потери тепла минимальны на ватт передаваемой мощности.
Если нагрузка несбалансированная, то имеется нейтральный или дисбалансный ток. Дисбаланс тока может вызвать дисбаланс напряжения, и если система не контролируется должным образом на предмет нейтрального проводника, вероятность отказа будет высокой.
Q4) Можно ли сделать нейтральный провод тоньше фазного?
Ответ) Нет, тоньше фазного провода сделать нельзя. Мы должны следовать правилам и положениям нашего закона об электричестве, согласно которому его нельзя делать тоньше фазного провода.
Q5) что такое ток небаланса?
В сбалансированном состоянии через нейтральную линию не будет протекать ток, поэтому нейтральная клемма не требуется. Но когда в трехфазной цепи будет течь несбалансированный ток, нейтраль играет жизненно важную роль. Он отведет несимметричный ток на землю и защитит трансформатор или другое оборудование.
Нейтральный или несимметричный ток, протекающий через полное сопротивление нейтрали, повышает потенциал нейтрали со стороны нагрузки по отношению к нейтральной точке источника, которая обычно заземлена и имеет нулевой потенциал. Это означает, что на стороне нагрузки будет разность потенциалов между нейтралью и землей. Это может быть неприемлемо для определенного оборудования
Несбалансированные токи приводят к повышению рабочей температуры, сокращению срока службы двигателя и снижению эффективности.
Q6) почему опасно прикасаться к проводу питания, а не к нулевому проводу?
ANS) Провод под напряжением — это провод, который имеет потенциал, отличный от потенциала земли, и обычно нейтраль заземлена. Таким образом, когда вы касаетесь нейтрального провода, вас не ударит током, пока вы стоите на земле, которая заземлена и имеет тот же потенциал, что и нейтральный провод (т. е. потенциал земли). Но провод под напряжением не имеет потенциала земли, поэтому, когда вы коснетесь провода под напряжением, вы получите больший удар, потому что разница потенциалов между проводом под напряжением и землей больше, чем между нейтральным проводом и землей
Q7) какое должно быть напряжение между землей и нейтралью?
ANS) Разность потенциалов между землей и нейтралью в наших домах в идеале должна быть 0 вольт. Допустимый допуск составляет 5-10% от 230 вольт. Другими словами, разность потенциалов между землей и нейтралью, измеренная с помощью вольтметра, должна быть в пределах 11,5–23 В.
2) Возможна неисправность проводки, из-за которой потенциал нейтрали поднялся выше номинального значения
Q8) почему нет нейтрали для линий высокого напряжения? Или зачем требуется перестановка линий HT?
ANS) По нейтральным линиям, как следует из названия, проходят токи нейтрали/небаланса. Токи T/L уравновешиваются с помощью транспозиции. Без перестановки в системе начинает развиваться некоторый дисбаланс между фазами, что приводит к увеличению тока нейтрали. Токи T/L уравновешиваются с помощью транспозиции. Таким образом, нет необходимости в нейтрали в линиях HT
Q9) что произойдет, если я подключу лампочку между током и проводом заземления, а не нейтралью? Будет ли лампочка светиться?
Светиться будет, но не желательно. Обычно нейтраль заземлена и имеет такой же нулевой потенциал или близкий к нулю.