Ток небаланса и ток срабатывания дифференциальной защиты с циркулирующими токами

Из схем замещения измерительных трансформаторов тока имеем

I_2I=I′_1I-I′_{нам I}, I_2II=I′_1II-I′_{нам II}.

Поэтому при нормальной работе и внешних коротких замыканий ток в реле дифференциальной защиты

I_p=I_нб=I_2I-I_2II=I′_{нам II}-I′_{нам I}. (14.2)

Таким образом, ток небаланса определяется токами намагничивания, которые для любых двух трансформаторов тока не одинаковы вследствие неидентичности их характеристик намагничивания (рис. 14.2, а). С увеличением первичного тока разница в токах намагничивания, а следовательно, и ток небаланса возрастают. Для выбора тока срабатывания защиты необходимо знать максимально возможное значение тока небаланса при внешних коротких замыканиях.

Определение тока небаланса расчетным путем представляет значительную трудность. Известные методы расчета максимального расчетного тока небаланса I_{нб РСЧ max} основаны на предварительном определении токов намагничивания [19]. Значительный ток намагничивания при переходных процессах во вторичных цепях трансформатора тока обусловлен наличием в токе к.з. плохо трансформируемой апериодической составляющей (рис. 14.2, б. кривая 1). Она почти полностью замыкается через ветвь намагничивания, увеличивая этим ток намагничивания и насыщая сердечник трансформатора. Это ухудшает, в свою очередь, трансформацию периодической составляющей тока к. з., 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 T₁ первичной цепи. С увеличением T₁ продолжительность существования апериодического тока возрастает. Это приводит к росту тока намагничивания. При повреждении в различных точках системы электроснабжения постоянная времени может изменяться в широких пределах, в среднем ее можно принять равной T₁=0,01...0,1 с.

Наряду с апериодической составляющей на ток намагничивания влияют значение и знак остаточной индукции магнитопровода. При наличии остаточной индукции ток намагничивания в переходных процессах может сильно возрасти при совпадении остаточной индукции по знаку с индукцией, вызванной апериодической составляющей тока к. з. Остаточная индукция уменьшается во времени очень медленно, поэтому при определении токов небаланса необходимо учитывать остаточную индукцию, которая может возникать в результате работы трубчатых разрядников, отключения короткого замыкания и т. п.

Рис. 14.2. Характеристики и ток намагничивания трансформаторов тока дифференциальной защиты

Расчеты, подтвержденные опытными данными, показывают, что при переходных процессах максимальные значения токов намагничивания и небаланса могут приближаться к амплитудным значениям тока к.з. и возникают спустя несколько периодов после начала короткого замыкания (рис. 14.2, б, кривая 2). Запаздывание объясняется возникновением переходного процесса в замкнутой вторичной цепи трансформаторов тока. Переходный процесс сопровождается появлением свободной апериодической составляющей, которая затухает с постоянной времени Т₂ вторичной цепи, превосходящей Т₁.

Для предотвращения неправильной работы дифференциальной защиты ток срабатывания реле следует выбирать с учетом тока небаланса переходного процесса по выражению

I_с.р=k_отсI_{нб.рсч max} . (14.3)

При определении тока небаланса исходят из того, что трансформаторы тока в схеме выбраны так, что полная погрешность не превышает ε=10% при заданной вторичной нагрузке и предельной кратности тока к.з.. Погрешности двух трансформаторов тока имеют одинаковые знаки (рис. 14.2, а), поэтому ток небаланса, равный, согласно (14.2), разности токов намагничивания, определяется погрешностью, меньшей каждой из погрешностей в отдельности, что учитывается при расчетах коэффициентом однотипности k_oдн=0,5...1,0. Влияние апериодической составляющей тока к. з. на ток небаланса учитывают коэффициентом k_aп; для момента времени t=0 принимают k_ап=2,0. Поэтому ток

I_{нб.рсч max}=(ε/100)k_анk_однI⁽³⁾_{к.вн max}/K_I (44.4)

Чувствительность дифференциальной защиты при к.з. в защищаемой зоне оценивают коэффициентом чувствительности k_ч, для определения которого используют выражение (8.1). В зависимости от защищаемого элемента допускается иметь k_ч=1,5...2. При использовании обычных реле тока чувствительность дифференциальной защиты обычно оказывается недостаточной. В связи с этим приходится принимать меры по повышению ее чувствительности.