Работа дифференциальной защиты при насыщении трансформатора тока

Резюме: В статье рассмотрено влияние насыщения трансформаторов тока на работу дифференциальной защиты с торможением и способы уменьшения негативного влияния путем перевода алгоритма работы защиты с действующих на мгновенные значения. Рассмотрены осциллограммы пусковых токов двигателя, полученные на практике.

Автор: Майстренко Г.В., Главный специалист отдела прикладных исследований и разработок, НПП «Микропроцессорных технологии».

Ложное срабатывание ДЗТ в пусковом режиме двигателя

В службу сервиса нашей компании обратился Клиент с жалобой на срабатывание дифференциальной защиты с торможением (ДЗТ) в устройстве Алтей-БЗП при пуске мощного асинхронного двигателя. Исследование осциллограммы показало, что причина срабатывания защиты – насыщение измерительных трансформаторов тока (ТТ). Перевод на работу по мгновенным значениям позволил исключить ложные срабатывания в пусковом режиме. Эта ситуация побудила нас на написание подробного обзором работы ДЗТ при насыщении ТТ. 

Влияние насыщения ТТ на работу дифференциальной защиты

Трансформаторы тока в сетях подвержены насыщению по следующему ряду причин:

• высокие значения токов короткого замыкания в сети;
• значительный процент постоянной составляющей в токах короткого замыкания;
• наличие остаточной намагниченности в сердечниках трансформаторов тока;
• повышенная нагрузка на вторичные обмотки трансформатора;
• ошибки при проектировании.

Насыщение ТТ может вызвать ложное срабатывание дифференциальной защиты с торможением. Например, в Алтее-БЗП, выполняющем сравнение токов I1 и I2 сторон ввода и нейтрали электрического двигателя (рисунок 1). 

Рисунок 1 – Схема подключения цепей ТТ

При работе в таких условиях дифференциальный ток увеличивается (Рисунок 2, Рисунок 3; момент t1), хотя повреждений в зоне защиты нет. Это может вызвать ложное срабатывание защиты, несмотря на функцию торможения ДЗТ (Рисунок 3; момент t2). Важно предотвратить неселективное отключение в такой ситуации.

Рисунок 2 – Изменение токов при насыщении ТТ

Рисунок 3 – Движение точки на характеристике срабатывания ДЗТ при насыщении ТТ при работе по действующим значениям

Насыщение трансформаторов тока может произойти за очень короткое время, сопоставимое с циклом работы устройства. Для корректной работы ДЗТ в условиях возможного насыщения трансформаторов тока необходимо, чтобы алгоритм защиты реагировал на изменения как можно быстрее.

Во всех устройствах линейки Алтей (БЗП для двигателей, УЗТ для двухобмоточных трансформаторов, ОЗТ для трехобмоточных трансформаторов) есть функция работы ДЗТ по мгновенным значениям дифференциальных и тормозных токов. Рассмотрим ее работу на примере Алтей-БЗП.

Вычисление дифференциальных токов и токов торможения

Вычисление действующих значений дифференциальных токов фаз Iдифф a, Iдифф b, Iдифф c и токов торможения Iторм a, Iторм b, Iторм c выполняется из токов сторон ввода и нейтрали по формулам:

где Ia(b,c) – вектор тока фазы А, В или С стороны ввода, А;

Ia(b,c) н – вектор тока фазы А, В или С стороны нейтрали, А;

Iном в – номинальный вторичный ток стороны ввода, А;

Iном н — номинальный вторичный ток стороны нейтрали, А.

Вычисление мгновенных значений дифференциальных токов фаз iдифф a, iдифф b, iдифф c и токов торможения iторм a, iторм b, iторм c выполняется из токов сторон ввода и нейтрали по формулам:

где ia(b,c) – мгновенное значение тока фазы А, В или С стороны ввода, А;

Ia(b,c) н – мгновенное значение тока фазы А, В или С стороны нейтрали, А;

iторм a(b,c) – максимальное за последние 15 мс значение выражения в скобках.

Формулы для дифференциального и тормозного тока обеспечивают одинаковую характеристику срабатывания ДЗТ с учетом следующего: 

• для действующих значений, установившийся режим работы сети описывается одной точкой (Iторм, Iдифф);
• для мгновенных значений, установившийся режим работы сети описывается множеством точек с неизменным тормозным током Iторм и колеблющимся от 0 до Iдифф дифференциальным током (Рисунки 4 и 5).

Рисунок 3 – Дифференциальные и тормозные токи при работе  по действующим значениям и мгновенным значениям

Рисунок 4 – Установившийся режим работы электроустановки на характеристике ДЗТ 

Логика работы ДЗТ по мгновенным значениям

В логике работы алгоритма по мгновенным значениям предусмотрено дополнительное торможение в случае обнаружения насыщения ТТ при внешнем КЗ (Рисунок 5). При превышении тормозным током уставки «Iнасыщ» и отсутствии попадания соотношения мгновенных токов Iдиф/Iторм в характеристику срабатывания взводится пусковой орган «Iторм доп», блокирующий срабатывание по характеристике ДЗТ на 500 мс (для отключения повреждения внешними защитами).

Рисунок 5 – Работа детектора насыщения

В течение этого промежутка времени срабатывание ДЗТ возможно только в случае превышения соотношением действующих значений Iдиф/Iторм уставки kбезусл. Это происходит в случае перехода внешнего замыкания во внутреннее при насыщении трансформатора тока. Для возможности прохождения отключающего сигнала при этом разблокируется отключение при наличии второй гармоники.

Работа алгоритма на практике

Рассмотрим работу алгоритма ДЗТ в Алтей-БЗП на примере реального пуска асинхронного двигателя 4АРМ-8000/10000УХЛ4. В первом случае работа ДЗТ велась по действующим значениям, во втором – по мгновенным.

Уставки ДЗТ:

• Iдзт=1,50 о.е. – уставка горизонтального участка характеристики ДЗТ;
• kторм=0,50 – коэффициент наклона наклонного участка характеристики ДЗТ;
• Тдзт=0 с – выдержка времени на срабатывание ДЗТ;
• B003=1 – блокирование ДЗТ по второй гармонике;
• ИПБ 2г=0,17 о.е. – уставка допустимого отношения второй гармоники дифференциального тока к первой;
• Iнасыщ=2,00 о.е. – уставка тормозного тока для срабатывания детектора насыщения;
• Kбезусл=1,80 – коэффициент наклона характеристики безусловного срабатывания.

На осциллограмме, представленной на рисунке 6, видно ложное срабатывание ДЗТ по фазе А. Токовый сигнал со стороны нейтрали искажен – произошло насыщение ТТ. В момент срабатывания отсутствовали сигналы, блокирующие работу ДЗТ:

• Вывод ДЗТ;
• ИПБ ДЗТ А.

Рисунок 6 – Осциллограмма срабатывания ДЗТ при работе по действующим значениям

Перенеся данные осциллограммы на характеристику срабатывания ДЗТ, можно увидеть: насыщение привело к тому, что рабочая точка оказалась в зоне срабатывания ДЗТ (Рисунок 7).

Рисунок 7 – Характеристика срабатывания ДЗТ при работе по действующим значениям 

Перевод на работу ДЗТ по мгновенным значениям привёл к тому, что повторные пуски двигателя не приводили к ложным срабатываниям (Рисунок 8). Для пояснения работы детектора насыщения, на осциллограмму добавлен сигнал «Iторм доп продлённый». Во время существования этого сигнала защита срабатывает только при попадании действующих значений в зону безусловного срабатывания.

Рисунок 8 – Осциллограмма срабатывания ДЗТ при работе по мгновенным значениям 

Рисунок 9 – Характеристика срабатывания ДЗТ при работе по мгновенным значениям 

На рисунке 9 точке I соответствует срабатывание детектора насыщения ТТ – защита сработает только при попадании действующих значений в характеристику безусловного срабатывания. В точке II происходит пересечение характеристики ДЗТ, но срабатывания защиты нет – его блокирует детектор насыщения, а в характеристику безусловного срабатывания действующие значения не попадают. Точка III соответствует интервалу точной работы трансформаторов тока – дифференциальный ток снижается до нуля при большом тормозном.

Выводы:

1. В терминалах серии Алтей реализована работа ДЗТ как по действующим, так и по мгновенным значениям. В случае, если ТТ не подвержены насыщению, для удобства и простоты анализа допустимо выбирать вариант с действующими значениями. В других случаях предпочтительнее работа по мгновенным значениям. 
2. Детектор насыщения при работе ДЗТ по мгновенным значениям позволяет избежать ложных отключений защищаемого присоединения при насыщении трансформаторов тока.
3. Эффективность детектора насыщения для предотвращения ложного срабатывания ДЗТ продемонстрирована на примере терминала Алтей-БЗП при пуске двигателя 4АРМ-8000/10000УХЛ4