Применение релейной защиты в силовых трансформаторах

Силовые трансформаторы представляют собой важный и дорогой компонент электрической системы. Повреждение трансформатора происходит из-за отказа изоляции и перенапряжения. Неисправности трансформатора делятся на две основные группы: К первой группе относятся пробой изоляции между витками катушек или их частями и короткие замыкания на клеммах обмоток или их частях обмоток. Во вторую группу входят перегрузки и прочие внешние условия, характеризующиеся повышением тока: внешние короткие замыкания и пониженная частота системы.

Для защиты энергетической системы применялись и до сих применяются электромеханические и твердотельные реле. Однако, благодаря современному развитию цифровых технологий появилась возможность применять цифровые реле для защиты данных систем [3].

Цифровые реле выполняют сложные функции для обработки сигналов и используют базовые принципы защиты. В совокупности это увеличивает производительность реле.

В состав микропроцессорной системы защиты входит аппаратное и программное обеспечение.

В состав аппаратного обеспечения входят следующие блоки:

• блок входов
• блок для сбора данных
• микропроцессорный блок

На рисунке 1 показана схема соединения вышеперечисленных блоков. В состав блока изоляции и аналогового масштабирования входят два одинаковых модуля обработки токов и один модуль обработки напряжения.

Блок входа представляет собой датчик тока Холла, обрабатывающий текущий сигнал. Этот тип преобразователя тока имеет более высокую производительность и широкую частотную работу в сравнении с электромагнитным трансформатором тока CT за счет непосредственной подачи сигнала напряжения, аналогичному текущему сигналу. Поэтому нет необходимости применять преобразователь тока в напряжение, микроконтроллер сам принимает сигнал [1].

В состав блока для сбора данных системы входит аппаратная схема, производящая выборку и квантование сигнала с указанной скоростью для интерфейса аналоговых сигналов микроконтроллера. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровое значение, затем обрабатывается ЦПУ.

Рисунок 1. Схема микропроцессорной релейной защиты

Микрокомпьютерный блок представляет собой микроконтроллер M68HC11E9 (8-битный). Программное обеспечение обеспечивают работу всей системы. Система работает следующим образом (рис. 2).

Первый этап. Включается трансформатор и системе нужно считать сигнал приходящий из первичной цепи тока для проверки пускового тока. Проведя расчеты скорости изменения первичного тока от времени di/dt, микроконтроллер преобразует в цифровые сигналы вторичный ток и входное напряжение. После окончания преобразования, полученные сигналы сопоставляются с установками различных защит и, в случае обнаружения неисправности, выполняется процедура отключения, в остальных случаях считываются новые данные для повторного цикла проверки [2].

Программное обеспечение при необходимости можно поделить на три части:

1. Для различия пускового тока от тока возникающего из-за повреждений, чтобы исключить размыкание дифференциального реле в случае резкого скачка тока при включении автоматического выключателя. Пусковой ток в силовых трансформаторах возникает из-за любого изменения напряжения намагничивания и может быть вызван появлением внешних неисправностей.
2. Для поддержания максимальной токовой и дифференциальной защит: максимальная токовая защита включается в работу в тех случаях, когда внешняя неисправность находится вне зоны дифференциальной защиты. Максимальная токовая защита в этом случае работает как резервная защита (рис. 3) [3].

Рисунок 2. Схема ПО для сбора данных

Дифференциальный ток .Ток торможения фиксируется токовым реле и является минимальным значением тока ограничения. Он равен [2]:

где  – первичный и вторичный ток трансформатора соответственно.

Тормозная обмотка устанавливает верхний предел дифференциального тока в реле без разъединения системы. Минимальное значение для дифференциального тока – значение срабатывания. Реле включается в работу когда .

3. Для защиты от перепадов напряжения более 10% [3].

Рисунок 3. Характеристика дифференциального реле

Таким образом, вышеперечисленные типы защит могут быть выполнены в составе одного реле и включать в себя защиту от: броска тока намагничивания, перегрузок и перепадов напряжения.