Дифференциальная защита (ДЗ) силовых трансформаторов находится в наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения появления дополнительных величин токов небаланса I _нб (неравенство токов I ₂₁ и I ₂₂ в плечах дифзащиты) по сравнению с дифференциальными защитами других элементов (генераторов, мощных двигателей). Эти токи небаланса связаны со спецификой работы трансформатора и от них нужно отстраивать защиту, что приводит к определенным трудностям в ее настройке и обеспечении необходимой чувствительности.

Причинами появления дополнительных токов небаланса в работе дифференциальной защиты трансформатора являются:

1. Бросок тока намагничивания (I _бр.нам) в обмотке со стороны питания трансформатора при его включении под напряжение на холостом ходу или после ликвидации внешних коротких замыканий. Этот ток может превосходить номинальным в 6-8 раз, протекает только в обмотке ВН (через одно плечо ДЗ) и его величина полностью является для защиты током небаланса – I _нб. Для отстройки от броска тока намагничивания принимают специальные меры:

– загрубляют защиту по току срабатывания, что не всегда эффективно (дифференциальная отсечка);

– применяют реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ), которые плохо трансформируют бросок тока намагничивания в рабочую обмотку реле;

– применяют полупроводниковые реле, например реле РСТ-15 на аналоговых микросхемах, которое «отличает» форму броска тока намагничивания трансформатора I _бр.нам от формы тока короткого замыкания в зоне защиты;

– применяют цифровую дифференциальную защиту.

2. Неравенство расчетных коэффициентов трансформации трансформаторов тока для реальной сети с выбранными стандартными. В результате вторичные токи в плечах дифференциальной защиты I ₂₁ и I ₂₂ получаются неодинаковыми. Устраняют возникший ток небаланса за счет числа витков уравнительных обмоток W _ур1 и W _ур2 в специальных реле, обеспечив равенство .

3. Из-за группы соединения обмоток силового трансформатора. При схеме Y/Δ-11 группа векторы первичных токов трансформатора на высокой и низкой стороне сдвинуты по фазе на 30 градусов, что обуславливает появление тока небаланса. Для его устранения вторичные обмотки трансформаторов тока в плечах ДЗ соединяются противоположно соединениям силовых обмоток трансформатора, т.е. Δ/Y.

4. Наличие РПН у трансформатора при автоматическом регулировании напряжения нарушает равенство вторичных токов в плечах ДЗ I ₂₁ и I ₂₂ и вызывает появление тока небаланса I "_нб пропорционального диапазону регулирования напряжения трансформатора ΔU _РПН. Величина тока небаланса учитывается при определении тока срабатывания защиты.

5. Трансформаторы тока, используемые в ДЗ, неидеальны и вносят погрешность по току. Ток небаланса от погрешности трансформаторов тока I '_нб учитывается при определении тока срабатывания защиты. Погрешность трансформаторов тока в этом случае принимают равной 10% от первичного максимального тока (ПУЭ).

В итоге, применяя специальные реле типа РНТ-560, ДЗТ-11 или РСТ-15 в схеме ДЗ величина расчетного тока небаланса I _{нб.расч} будет состоять из двух составляющих

где I '_нб – ток небаланса, определяемый токовой погрешностью трансформаторов тока в плечах дифференциальной защиты и вычисляется по формуле

где k _а – коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей тока к.з. на переходный процесс, для реле с БНТ он принимается равным 1, без БНТ – равным 2;

k _одн – коэффициент однотипности, принимается равным 0,5 в тех случаях, когда ТТ однотипны, и равным 1 при разнотипных ТТ;

ε=0,1 – токовая погрешность ТТ, удовлетворяющих 10% кратности (ПУЭ);

I _{к.з. max} – наибольший сквозной ток при внешнем к.з. т. К₁ (рис 19)

I "_нб – ток небаланса, обусловленный изменением коэффициента трансформации защищаемого трансформатора при регулировании напряжения с РПН, вычисляется по формуле

где  – диапазон регулирования напряжения; относительная величина . При настройке продольной дифференциальной защиты необходимо выполнить главное требование, чтобы                                       

или

,

где К_н – коэффициент надежности, равный 1,3-1,5 (ПУЭ).

Примерный расчет дифференциальной защиты силового трансформатора

       Принципиальная схема для расчета дифференциальной защиты представлена на Рис.19. Мощность рассматриваемого трансформатора 16 МВА.

Рис. 19. Принципиальная схема для расчета ДЗ

3.1. Выбор трансформаторов тока и определение вторичных токов в плечах дифференциальной защит I ₂₁ и I ₂₂

Определяем первичные номинальные токи обмоток трансформатора

- высокого напряжения

- низкого напряжения

Находим расчетные коэффициенты трансформации трансформаторов тока со стороны

высокого напряжения

низкого напряжения

где k _сх – коэффициент схемы для высокой стороны, где трансформаторы тока соединены в треугольник , на низкой стороне трансформаторы тока соединены в неполную звезду и    (Рис. 19).

Учитывая стандартную шкалу первичных токов трансформатора тока принимаем следующие значения коэффициентов трансформации трансформаторов тока (см. Приложение IV) со стороны

- высокого напряжения

- низкого напряжения

Реальные вторичные токи в плечах защиты со стандартными коэффициентами трансформаторов тока

Видим, что токи в плечах ДЗ не равны 5А и в результате, по этой причине будет появляться ток небаланса I_нб. Для его устранения в специальных реле для ДЗ имеются уравнительные обмотки W_ур1 и W_ур2. В этом случае выравниваются магнитодвижущие силы F_м.д.с. путем расчета числа витков уравнительных обмоток, чтобы I₂₁ W_ур1= I₂₂ W_ур2