Дифференциальная защита трансформатора (87T) — почему она быстрая, но не заменяет реле Бухгольца

Руководство о реле Бухгольца рассматривает механическую защиту, реагирующую на образование газа и поток масла. Эта статья рассматривает основную электрическую защиту силового трансформатора от внутренних повреждений: процентную дифференциальную защиту, на практике часто обозначаемую кодом ANSI 87T.

Основной принцип: входящий ток должен равняться выходящему

Дифференциальное реле сравнивает, через трансформаторы тока (ТТ) на первичной и вторичной стороне трансформатора, ток, входящий в трансформатор, с током, выходящим из него. У исправного трансформатора, без внутреннего повреждения, это — после коррекции на коэффициент трансформации — по сути одна и та же мощность, входящая с одной стороны и выходящая с другой; разница между двумя токами ТТ (дифференциальный ток) тогда практически нулевая. Если возникает внутреннее повреждение — например, короткое замыкание между обмотками или пробой на сердечник — часть тока покидает трансформатор через само повреждение, а не через выходные выводы, и возникает значительный дифференциальный ток.

Почему процент от тормозного тока, а не фиксированный порог

Дифференциальное реле оценивает дифференциальный ток не относительно фиксированного значения в амперах, а относительно процента от среднего протекающего тока (тормозного тока, restraint). Это необходимо, поскольку даже у исправного трансформатора всегда присутствует небольшой, нормальный дифференциальный ток — например, из-за погрешностей измерения ТТ, собственного тока намагничивания трансформатора или неравной нагрузки положения переключателя ответвлений. При низком протекающем токе реле должно быть достаточно чувствительным, чтобы обнаружить небольшое, низкоэнергетическое внутреннее повреждение; при высоком протекающем токе (например, во время тяжёлого, но внешнего, сквозного короткого замыкания) реле, наоборот, должно быть менее чувствительным, поскольку погрешности измерения ТТ и эффекты насыщения возрастают. Этот снижающийся запас чувствительности представлен как тормозная характеристика, обычно с двумя наклонами: более низким наклоном (обычно порядка 15–30%) при умеренном протекающем токе и более высоким наклоном (обычно порядка 50–80%) при тяжёлом протекающем токе, где насыщение ТТ начинает играть большую роль.

Почему нужно компенсировать и коэффициент ТТ, и группу соединения обмоток

Два практических усложнения означают, что дифференциальное реле не может просто вычислить "ток А минус ток Б":

• Неравные коэффициенты трансформации ТТ: номинальный первичный и вторичный ток трансформатора обычно существенно различаются, поэтому трансформаторы тока с каждой стороны обычно имеют разный коэффициент трансформации. Реле (или, в более старых электромеханических исполнениях, промежуточные трансформаторы в цепи реле) должно скомпенсировать эту разницу, прежде чем оба тока можно будет осмысленно сравнить.
• Фазовый сдвиг от группы соединения обмоток: как рассматривается в руководстве о группах соединения обмоток трансформатора, например, трансформатор Dyn11 вносит фазовый сдвиг 30° между первичным и вторичным током. Без коррекции этого сдвига реле уже видело бы кажущийся дифференциальный ток у полностью исправного трансформатора. В электромеханических реле эта коррекция выполнялась через конфигурацию обмоток промежуточных трансформаторов (часто соединённых в треугольник со стороны, где главный трансформатор соединён в звезду, и наоборот); в современных цифровых реле это выполняется вычислительно в программном обеспечении реле, на основе настроенной группы соединения обмоток.

Блокировка по второй гармонике: бросок тока намагничивания — не внутреннее повреждение

Руководство о броске тока намагничивания трансформатора рассматривает, почему включение ненагруженного трансформатора может вызвать кратковременный, высокий ток намагничивания (бросок, inrush). Если рассматривать только со стороны первичной обмотки, этот бросок тока напоминает дифференциальный ток, поскольку вторичная сторона ещё не даёт соответствующего тока. Чтобы предотвратить ложное срабатывание реле при каждом включении, дифференциальное реле содержит блокировку по второй гармонике: бросок тока содержит характерно высокую долю второй гармоники (100 Гц в сети 50 Гц), тогда как реальное внутреннее повреждение этой доли не имеет. Если доля второй гармоники в дифференциальном токе превышает установленный порог (часто порядка нескольких десятков процентов), реле блокирует отключение, даже если сам дифференциальный ток иначе был бы достаточно высок для срабатывания.

Почему это не делает реле Бухгольца излишним

Процентное дифференциальное реле значительно быстрее реле Бухгольца и обнаруживает повреждения, которые уже при возникновении вызывают измеримую несимметрию тока. Медленно развивающееся, низкоэнергетическое повреждение — например, начинающиеся частичные разряды или постепенно ухудшающаяся изоляция между несколькими обмотками — часто на раннем этапе ещё не даёт разницы тока, достаточно большой для срабатывания дифференциальной защиты, тогда как повреждение уже производит газ. Именно такой тип повреждения обнаруживает реле Бухгольца (см. связанное руководство) через накопление газа, задолго до того, как повреждение перерастёт в электрически обнаруживаемое короткое замыкание. Дифференциальная защита и защита Бухгольца поэтому дополняют друг друга, а не взаимозаменяемы: одна быстрая и чувствительна к несимметрии тока, другая медленная, но чувствительна к типу низкоэнергетического повреждения, которое первая может пропустить.

Внимание: точная настройка наклонов тормозной характеристики и порога блокировки по второй гармонике определяется системным исследованием и спецификацией производителя реле; эта статья рассматривает принцип, а не конкретное значение настройки для конкретной модели реле.

Практическая значимость

При оценке концепции защиты силового трансформатора важно понимать, что дифференциальная защита и реле Бухгольца дополняют друг друга: дифференциальная защита улавливает быстрые, интенсивные по току внутренние повреждения, а реле Бухгольца улавливает медленные, низкоэнергетические повреждения, ещё не вызывающие значительной несимметрии тока. Трансформатор только с дифференциальной защитой поэтому лишён части объёма защиты, который даёт реле Бухгольца (и наоборот).

Частые ошибки

1. Предположение, что правильно работающая дифференциальная защита делает реле Бухгольца излишним — оба защищают от разного типа повреждений и дополняют друг друга.
2. Неправильная настройка компенсации коэффициента ТТ или группы соединения обмоток при вводе в эксплуатацию цифрового дифференциального реле, из-за чего исправный трансформатор уже показывает кажущийся дифференциальный ток.
3. Отключение блокировки по второй гармонике или её слишком свободная настройка для "решения" проблем ложных срабатываний при включении — это может фактически снизить чувствительность к реальному внутреннему повреждению, возникшему в момент включения.
4. Мнение, что дифференциальная защита должна быть одинаково чувствительна при низком протекающем токе, как и при высоком — тормозная характеристика специально спроектирована так, чтобы быть менее чувствительной при высоком протекающем токе из-за растущих погрешностей измерения ТТ.

Связанные материалы

• Реле Бухгольца (газовое реле) — двухступенчатая газовая защита масляных силовых трансформаторов
• Группы соединения обмоток трансформатора — почему Dyn11 и Yyn0 нельзя просто включать параллельно
• Пусковой ток трансформатора (ток намагничивания)
• Класс точности и нагрузка трансформатора тока при косвенном учёте электроэнергии (кВт·ч)