Силовой трансформатор

Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования релейной защиты трансформаторов средней мощности 10-60 MB А класса напряжения 35-110 кВ путем разработки и создания современного отечественного микропроцессорного комплекса защит. ...

Диплом состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 80 наименования. Основной текст раскрыт на 142 стр. Содержится 68 иллюстраций.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической сети любого класса напряжения. Передача электроэнергии на большие расстояния от места производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-, шестикратной трансформации в по-вышающих и понижающих трансформаторах [7]. Необходимо отметить, что по мере удаления от электростанции снижается класс напряжения и единич¬ная мощность трансформаторов. Одновременно увеличивается число исполь-зуемых в распределительных сетях трансформаторов. Поэтому основная часть силовых трансформаторов - понижающие трансформаторы с высшим напряжением 110 и 35 кВ. Релейная защита, установленная на этих транс-форматорах, имеет самый низкий процент правильной работы среди элемен-тов сети. По данным, например, за период 20 00-2003 гг. - средний процент правильной работы релейной защиты трансформаторов и автотрансформато-ров составил 89,5 %, в то время как тот же показатель для всей массы уст-ройств релейной защиты равен 99,52% [39,49]

Расчеты по математической модели подтвердили, что величина броска тока намагничивания (БНТ) при включении трансформатора на холостой ход зависит от следующих основных факторов:начальная фаза включения (бросок максимален при \|/ = 0 и практически отсутствует при \|/ = 90°);остаточная индукция в сердечнике трансформатора;ток ограничивается сопротивлением питающей системы и сопротивлением рассеяния трансформатора.Показано, что при отключении КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора также возникает БНТ. Сам первичный ток в 2-3 раза меньше, чем при постановке трансформатора под напряжение. Он недостаточен для задержки в возврате МТЗ стороны ВН, но достаточен для срабатывания чувствительной ступени дифзащиты. Однако блокировка по 2-й гармонике не допустит такого срабатывания, так как содержание 2-й гармоники составляет порядка 0,8 от содержания первой.Доказано, что если учесть ток нагрузки силового трансформатора, то содержание второй гармоники в первичном токе будет много меньше, но в дифференциальном останется тем же. Поэтому нецелесообразно выполнять блокировку по гармоническому составу первичных токов - нужно контролировать гармонический состав дифференциального тока.Показано, что влияние на дифзащиту БИТ после отключения КЗ на стороне высокого напряжения такое же, как и влияние броска при включении на холостой ход: отсечка должна отстраиваться от тока броска уставкой, чувствительная ступень должна блокироваться по содержанию второй гармоники в дифференциальном токе. Это содержание довольно значительно — порядка 80%.При включении второго трансформатора параллельно работающему возникает эффект «ответного» БНТ. В этом режиме ток может нарастать постепенно и может достигать тока срабатывания защит с уставками 0,1-0,3 от номинального тока трансформатора. Следовательно, спад тока не является признаком БНТ - существуют режимы с медленным нарастанием тока.Разработаны две математические модели для анализа переходных процессов при коммутациях в цепях трехфазных трансформаторов:для трехфазной группы однофазных трансформаторов;для трехфазного трансформатора.Реализована математическая модель для анализа трансформации бросков тока намагничивания в измерительных трансформаторах тока (ТТ). Данная модель рассчитана на работу измерительных ТТ в режиме насыщения, когда трансформация идет с большой погрешностью - и амплитудной, и фазовой.Анализ результатов моделирования показал, что при насыщении ТТ крайне плохо трансформируют апериодическую составляющую, трансформация первой и второй гармоник происходит удовлетворительно.Все это свидетельствует о больших преимуществах защит с блокировкой по второй гармонике перед защитами с загрублением от апериодической составляющей.Выявлена качественная особенность режима апериодического тока КЗ с насыщением ТТ — явная тенденция к росту величины первой гармоники при практическом отсутствии нулевой гармоники (апериодической составляющей). Эти критерии и можно использовать, чтобы отличить режим КЗ с насыщением трансформаторов тока от режима броска тока намагничивания силового трансформатора.ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ, ПОЛОЖЕННЫЕ В ОСНОВУ РАЗРАБОТКИ МОДУЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРАПРИНЦИПЫ, РЕАЛИЗОВАННЫЕ В ТЕРМИНАЛАХПеречислим основные принципы, реализованные в терминалах дифференциальных защит трансформаторов:дифференциально-токовый принцип выполнения защиты;двухступенчатое выполнение защиты: чувствительная ступень с уставкой 0,3-0,5 от номинального тока трансформатора и ступень дифференциальной отсечки, реагирующая на действующее и мгновенное значение дифференциального тока;отстройка чувствительной ступени от броска намагничивающего тока (БНТ) по относительному значению тока второй гармоники в дифференциальной цепи;для уменьшения тока небаланса в дифференциальной цепи применен контроль текущего положения РПН по балансу токов нагрузки на различных сторонах силового трансформатора;отстройка от токов небаланса при внешних КЗ с помощью процентного торможения от сквозного тока - ненаправленное торможение в терминале «Сириус-Т» и направленное торможение в терминале Более подробное описание всех перечисленных принципов дается ниже.3.2 СБОРКА ТОКОВЫХ ЦЕПЕЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРАПри традиционном, на электромеханической элементной базе, выполнении дифференциальной защиты трансформатора для получения дифференциальных токов производится весьма сложная сборка токовых цепей соединением вторичных цепей трансформаторов тока либо в треугольник, либо в звезду [1]. В микропроцессорных терминалах для получения дифференциальных токов используются и измерительные трансформаторы тока, и так называемые цифровые трансформаторы тока, особенностью которых является то, что сборка производится в цифровой форме внутри самого устройства защиты.3.2.1. Особенности сборки обмоток силового трансформатора и варианты подключения измерительных трансформаторов токаЕсли принять положительные направления токов по рис. 4.1,6, то трансформатор сохраняет по токам ту же группу, что и по напряжениям и остается трансформатором Ydll. Однако при положительных направлениях токов по рис. 3.1,в его следует признать по токам трансформатором Yd5. Чтобы избежать путаницы, во всех учебниках при рассмотрении дифференциальныхОбмотки силового трансформатора могут быть собраны по одной из двенадцати групп (0...11). При этом группа определяется по углам между напряжениями, а не между токами. Например, на рис. 3.1 показан силовой трансформатор. Пусть он собран по схеме звезда-треугольник, и при положительных направлениях напряжений по рис. 3.1,а он определяется как трансформатор Уd11. Это значит, что напряжения стороны треугольника в симметричном режиме отстают от одноименных напряжений стороны звезда на 11x30=330 электрических градусов. Этот же трансформатор при взгляде «снизу» можно назвать трансформатором Бу1.а)б)с)Рис. 3.1. Влияние положительных направлений напряжений и токов на определение группы соединения обмоток силового трансформаторазащит принимают положительные направления токов по рис. 3.1,6, хотя принципиально именно для дифзащиты куда удобнее было бы принять положительные направления по рис. 3.1,в (все токи - в трансформатор). Именно для таких положительных направлений токов верен первый закон Кирхгофа, являющийся основой дифзащиты. Положительные направления по рис. 3.1,в позволили бы однозначно расширить правила сборки вторичных цепей на трех- и многообмоточные трансформаторы. Положительные направления по рис. 3.1,6 не дают однозначный ответ при выборе направления третьего тока уже для трехобмоточного трансформатора с питанием со всех сторон. Однако, отдавая дань традиции, ниже анализ для двухобмоточных трансформаторов ведется именно для направлений токов по рис. 3.1,6.Наиболее распространены два варианта сборки обмоток двухобмоточ- ного трансформатора: звезда-звезда и звезда-треугольник (сборка обмоток в зигзаг ниже не рассматривается, как не применяющаяся в российской электроэнергетике). Соответственно имеются только две основные группы соединения: YyO (рис. 3.2,а) и Ydll (рис. 3.2,6). Все остальные группы получаются путем изменения полярности обмоток с одной стороны или путем циклической перестановки названий обмоток фаз. При изменении полярности группа меняется на 6 номеров (180 градусов). При перестановке названий группа меняется на 4 номера (120 градусов). Поэтому из 0 группы получаются 6 и все четные. Из 11 группы получаются 5 и все нечетные. Даже кажущаяся отличной от сборки рис. 3.2,6 сборка рис. 3.2,в после рассмотрения оказывается только вариантом изображения сборки 1 или 5 групп. Схема рис. 3.2,в полностью идентична схеме рис. 4.2,6, если сменить на последней полярности и переименовать фазы.194696-258566Сказанное верно не только для групп сборки силового трансформатора, но и для группы сборки трансформаторов тока (ТТ). Трансформаторы тока данной стороны можно собрать только двумя способами - в звезду или в треугольник. Конкретный номер группы (один из 12) повлияет только на дальнейшее соединение «проводов» в дифзащиту, а не на свойства трансформации при несимметричных замыканиях. Это является основой отмеченного в [1] свойства: «правильная фазировка схемы в симметричном режиме обеспечивает ее четкую работу и при других режимах (к.з.)». Принципиальной необходимости повторять во вторичных цепях схему сборки первичных обмоток нет - достаточно, чтобы у силового трансформатора Уd на одной стороне был собран треугольник, на другой - звезда и чтобы в нагрузочном режиме токи двух сторон циркулировали «в проводах» и не заходили в дифференциальную цепь.Треугольник после измерительных ТТ можно собрать электрически (проводами), а можно внутри микропроцессорного устройства в цифровом виде. Очевидно, целесообразно собирать именно внутри устройства, ибо это не увеличивает расчетную нагрузку ТТ. Как указано в [1], "расчетная нагрузка ТТ, соединенных в треугольник, в 3 раза больше, чем в звезду".В общем случае группы нескольких последовательно соединенных трансформаторов складываются (так как складываются вносимые трансформаторами угловые сдвиги).Звезда ТТ может иметь одну из двух групп — 0 или 6. Это показано на рис. 3.3.Рис. 3.3,а соответствует нулевой группе (вторичные токи сохранили направление первичных), рис. 4.3,6 соответствует шестой группе (вторичные токи направлены встречно первичным). На рис. 4.3,в и 4.3,г показано применяемое далее условное обозначение этих групп на однолинейной схеме. На обозначении показан номер группы и направление от первичных обмоток ко вторичным. Для 0 и 6 групп показ направления не обязателен, для других групп - обязателен (уже показано, что группа, которая в одном направлении является 11-й, в противоположном направлении является 1).3.2.2. Формирование токовых цепей дифференциальных защит двухоб- моточных трансформаторовВсе возможные варианты подключения ТТ, собранных в звезду, к диф- защите двухобмоточного трансформатора можно разбить на два типа, показанные на рис. 3.4. Если предположить, что силовой трансформатор имеет группу 0, то в первых двух схемах к дифзащите подходят вторичные токи, находящиеся в противофазе. Они замкнутся по контуру циркуляции, не попадая в дифференциальную цепь. Это названо подключением ТТ типа 1. В последних двух схемах сверху и снизу подходят токи, совпадающие по фазе. Если не принять специальных мер, они сложатся в дифференциальной цепи. Мера, предотвращающая такое сложение, очевидна - внутри дифзащиты при подключении по типу 2 должен быть предусмотрен дополнительный цифровой поворот одного из токов на 180 градусов - по группе 6.Согласно [1] классическую (проводную) дифзащиту трансформатора Уd1 можно собрать по одной из двух схем, показанных на рис. 3.5. На рис. 3.5,а на стороне звезды силового трансформатора собран треугольник ТТ, на стороне треугольника силового трансформатора собрана звезда ТТ. На рис. 4.5,6 треугольник и звезда ТТ поменялись местами. На рис. 4.6 показаны те же схемы в однолинейном изображении и с учетом реализации цифровой сборки в устройстве защиты. При этом предполагалось, что сами ТТ на каждой стороне собраны в звезду, а внутри дифзащиты цифровым способом собраны схемы, поворачивающие токи до получения циркуляции в нагрузочном режиме.Рис. 3.5. Две возможные схемы сборки вторичных цепей дифзащиты трансформатора Уd11Рис. 3.5 соответствует сборке ТТ по типу 2 схемы рис. 4.4. При сборке ТТ по типу 1 потребуется изменить группу в одном из «цифровых» ТТ — добавить или отнять 6.Необходимо отметить, что в данной работе под «цифровыми ТТ» понимается блок программного обеспечения, производящий над дискретными отсчетами токов математические действия, эквивалентные включению в цепь этих токов трех промежуточных ТТ, собранных в определенную группу. Ввод в программе терминала цифровых ТТ позволяет выполнить два действия, которые выполняются в традиционных дифференциальных защитах: сборка ТТ по определенной схеме и подбор витков на промежуточных ТТ дифференциального реле.Например, на рис. 4.6,а на токи сторон ВН включен цифровой ТТ 1. Он должен выполнить над дискретными отсчетами токов трех фаз стороны ВН следующие действия:здесь i - индекс, подтверждающий, что отсчеты всех токов соответствуют ь тому моменту времени.Рис. 3.6. Однолинейные схемы, соответствующие трехлинейным схемам рис. 4.5б) В нашей стране применяется исключительно схема рис. 3.5,а. В [1] это объясняется тем, что она может применяться и при заземленной, и при раз- земленной нейтрали со стороны звезды силового трансформатора. Схема рис. 4.5,6 может применяться лишь при изолированной нейтрали. Если нейтраль заземлить, то при внешнем КЗ на землю ток нулевой последовательности, идущий от нейтрали, попадет в дифференциальную цепь защиты по рис. 3.5 (6),б и защита сработает излишне. Схема рис. 3.5 (6),а свободна от этого недостатка - токи нулевой последовательности первичных цепей стороны У силового трансформатора замыкаются внутри треугольника во вторичных цепях и не проходят в дифференциальную цепь защиты.В [1] указывается одно из преимуществ схемы рис. 3.5 (3.6),б - при некоторых видах КЗ она имеет несколько большую чувствительность. Действительно, при равных относительных уставках (отношении 1с.з. к 1ном силового трансформатора) ток срабатывания реле в схеме рис. 35,6 равен 1с.р.ф, а всхеме рис. 3.5,а в 7з больше. При замыкании двух фаз в зоне действия дифзащиты на стороне треугольника в схеме рис. 3.5,а через одно из реле протекает ток 1к втор. В схеме рис. 4.5,6 в двух реле протекает ток 1/3 1к втор, в третьем реле ток 2/3 1к втор.На двухтрансформаторной подстанции 110 кВ заземлена нейтраль только у одного трансформатора. Тогда можно собрать дифзащиты двух трансформаторов по-разному. Но оперативное изменение режима нейтрали (заземление второго трансформатора при отключении того, чья нейтраль ранее была заземлена) окажется невозможной без перестройки дифзащиты. Несомненно, это создаст большие неудобства для эксплуатации.Поэтому будем относить все трансформаторы 110 кВ к типу УЫс!, если у них имеется в цепи нейтрали заземляющий нож, который может быть когда-то замкнутым. И будем относить все трансформаторы 35 кВ к типу Ус1.Ниже приводится табл. 3.1 рекомендуемой сборки токовых цепей в дифзащите трансформаторов звезда-треугольнику. В основе лежат следующие положения:Положительные направления первичных токов соответствуют рисунку 3.1,6, измерительные трансформаторы тока собраны в звезду по одному из типов с рисунка 3.4.Предполагается, что дифференциальный ток равен сумме токов с двух сторон.Обозначение Уd соответствует обмотке, собранной в звезду и подключенной к сети с заземленной нейтралью, обозначение У соответствует обмотке, собранной в звезду и подключенной к сети с изолированной нейтралью.4. Если первичная обмотка УК, то вторичные цепи собираются цифровым способом в треугольник, чтобы обеспечить недействие защиты при внешних замыканиях на землю. Если первичная обмотка У, то вторичные цепи собираются цифровым способом в звезду.Таблица 3.1Группы цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов звезда-треугольникВ случае трансформаторов с четными группами соединений в сетях с заземленной нейтралью следует на обеих сторонах соединять цифровые трансформаторы тока в треугольник. В сетях с изолированной нейтралью можно собирать как две звезды, так и два треугольника. Рекомендуемые группы приведены в табл. 4.2.Таблица 3.2Группы цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов с четными группами соединений первичных обмоток4.2.3. Формирование токовых цепей дифференциальных защит трех- обмоточных трансформаторовРис. 3.7. Принятые положительные направления токов в трансформаторе. 1,2 и 3 - измерительные ТТ сторон ВН, СН и НН, 4, 5 и 6 - цифровые ТТ внутри устройства.Примем положительные направления токов в обмотках трансформатора как показано на рис. 3.7.Любой трехобмоточный трансформатор может быть условно разбит на два двухобмоточных с соответствующим соединением силовых обмоток ВН- СН и ВН-НН.Рис. 3.8. Условное разбиение трехобмоточного трансформатора YNyd-0-11 на два двухобмоточных YNy-0 и YNd-11Затем выбор необходимых групп сборки внутренних цифровых ТТ (рис. 3.7, ТТ - 4, 5 и 6) производится как для пары двухобмоточных трансформаторов. Необходимо лишь следить, чтобы группа сборки внутренних ТТ для высшей стороны совпадала в условных двухобмоточных силовых трансформаторах.Таким образом, при выборе уставок коррекции фазового сдвига необходимо учитывать:принятое положительное направление токов;группу сборки обмоток силового трансформатора;группы сборок измерительных ТТ («О» или «6»).Как уже указывалось ранее, группа соединения обмоток силового трансформатора определяется сборкой обмоток, но оценивается по векторной диаграмме напряжений. Если принять положительное направление токов по рис. 3.7, то ток в обмотке НН поворачивается на 180° и группа по токамдолжна быть заменена с учетом этого поворота (например, с 11 на 5 или с 1 на 7). Эта особенность учтена в табл. 3.3 и 3.4.Подбор групп рекомендуется в два этапа. На первом этапе подбираются группы в предположении, что звезды всех измерительных трансформаторов собраны со стороны силового трансформатора, т.е. в 0-е группы. Если это не так, то на следует второй этап, на котором с этой стороны к выбранной группе сборки цифровых ТТ нужно добавить или отнять б.Первый этап.По табл. 3.3 (если группа соединения нечетная) или по табл. 4.4 (если группа соединения четная) выбираются группы внутренней цифровой сборки токовых цепей условных двухобмоточных трансформаторов.Таблица 3.3Группы цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов звезда-треугольникТаблица 3.4Группы цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов с четными группами соединений первичных обмотокПолученные значения групп, собираемых цифровым путем, необходимо на втором этапе откорректировать с учетом схемы подключения измерительных ТТ. Если группа подключения ТТ равна «6», то следует на этой стороне трансформатора к выбранной группе сборки цифровых ТТ (по табл. 3.3 и 3.4) добавить или отнять 6.Второй этап.Предположим, что на стороне СН нейтраль измерительных ТТ собрана не по рис. 3.3,а, а по рис. 3.3,6. Тогда следует к номеру группы соединения цифровых ТТ на стороне СН добавить или отнять «6». В результате получается на стороне ВН -11; СН - 5; НН - 0.Окончательной проверкой правильности сборки токовых цепей должна быть проверка под нагрузкой. При этом следует использовать сервисные функции микропроцессорного терминала, а именно возможность вывода на индикатор действующих значений токов сторон ВН, СН, НН и дифференциальных токов, а также векторные диаграммы токов всех сторон до и после поворота в цифровых ТТ.3.3. ВЫДЕЛЕНИЕ ПЕРВОЙ И ВТОРОЙ ГАРМОНИК ИЗ ТОКОВ В ЦЕПЯХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫВ устройстве на основе фазных токов, полученных после преобразования во внутренних цифровых ТТ, формируются дифференциальные и тормозные токи.Для реализации алгоритмов защиты необходимы действующие значения первой гармоники дифференциальных и тормозных токов. Кроме того, необходимо вычисление действующего значения второй гармоники дифференциальных токов для реализации алгоритма отстройки от бросков тока намагничивания в силовом трансформаторе.Среди множества цифровых фильтров, применяемых для выделения необходимых гармоник, целесообразно использовать ортогональное разложение. Именно метод ортогонального разложения хорошо себя зарекомендовал в приборах определения места повреждения, выпускаемых фирмой ЗАО «РАДИУС Автоматика» [27]. Фильтрация позволяет выделить необходимую гармонику, а также отсекает постоянную составляющую сигналов, ослабляет экспоненциальную составляющую в переходных процессах при авариях на защищаемом объекте.Коэффициенты первой гармоники ряда Фурье в общем случае вычисляются по выражениям:где Тi - период соответствующий частоте первой гармоники; — входной аналоговый сигнал.