Принцип действия дифференциальных защит основан на пофазном сравнении токов параллельно установленных защищаемых объектов (поперечные дифференциальные защиты) или токов до и после защищаемого объекта (продольные дифференциальные защиты).

В отличие от рассмотренных выше максимальных токовых защит (с относительной селективностью) дифференциальные защиты обладают свойством абсолютной селективности.

Дифференциальная токовая защита используется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов мощностью 6,3 МВА и выше, параллельно работающих трансформаторов мощностью 4 МВ-А и выше, а также трансформаторов мощностью 1 МВ-А и выше, если токовая отсечка последних не обладает достаточной чувствительностью, а МТЗ имеет выдержку времени более одной секунды [3].

Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей, отличающих ее от продольных дифференциальных защит линий [2, 3, 4].

Во-первых, фазные токи до и после защищаемого трансформатора отличаются по величине уже в нормальном режиме его работы (при отсутствии повреждений в зоне действия дифференциальной защиты). Эта ситуация практически может быть разрешена предварительным выравниванием токов в плечах защиты (то есть за ТТ на сторонах ВН и НН) за счет подбора ТТ с нужными коэффициентами трансформации. Кроме того, для реализации дифференциальной защиты промышленностью выпускаются специальные реле серий РНТ и ДЗТ, содержащие уравнительные обмотки с регулируемыми числами витков для дополнительного выравнивания токов в плечах защиты.

Во-вторых, токи на сторонах ВН и НН защищаемого трансформатора могут отличаться еще и по фазам, когда способы соединения первичных и вторичных обмоток силового трансформатора не совпадают. В этом случае выравнивание вторичных токов достигается изменением способов соединения вторичных обмоток ТТ на обратное по отношению к защищаемому трансформатору (рис. 2.23).

В-третьих, при выборе тока срабатывания дифференциальной защиты необходимо обязательно учитывать бросок тока намагничивания при включении (восстановлении питания) защищаемого силового трансформатора.

В-четвертых, при отстройке тока срабатывания защиты от тока небаланса нужно учитывать две дополнительные составляющие этого тока. Первая обусловлена неполным выравниванием действия вторичных токов при подборе коэффициентов трансформации ТТ или при вынужденном выставлении округленных значений чисел витков уравнительных обмоток. Вторая составляющая вызвана наличием регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН).

Получили распространение следующие разновидности дифференциальных защит трансформаторов: дифференциальная токовая отсечка, дифференциальная защита без торможения и дифференциальная защита с торможением [2, 3, 4].

Дифференциальная токовая отсечка выполняется на основе обычных токовых реле РТ-40, включенных без насыщающихся ТТ (рис. 2.24). Основное достоинство дифференциальной отсечки — простота и связанные с этим дешевизна и меньшая сложность при выборе уставок. Однако главный недостаток такой защиты — большой ток срабатывания — часто приводит к недостаточной чувствительности и, соответственно, невозможности использования этой разновидности дифференциальной защиты.

Дифференциальная защита без торможения на основе реле серии РНТ (РНТ-565) используется, главным образом, на трансформаторах без РПН. Упрощенная схема реле РНТ-565 представлена на рис. 2.25.

Здесь w_BT — вторичная обмотка; w_K3 — короткозамкнутая обмотка; w_PAB — рабочая обмотка, число витков которой может быть выставлено в интервале от 8 до 35 с точностью до одного витка; w_УP 1 и w_{УP 2} — уравнительные обмотки, для каждой из которых может быть выставлено число витков от 0 до 34 также с шагом в один виток.

Благодаря использованию в конструкции реле насыщающегося ТТ (НТТ) и короткозамкнутой обмотки удается снизить ток срабатывания защиты и повысить ее чувствительность. Схема одного из возможных вариантов исполнения дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора на основе реле РНТ-565 представлена на рис. 2.26.

Дифференциальную защиту с торможением на основе реле серии ДЗТ (например, ДЗТ-11) обычно устанавливают на трансформаторах с РПН. На упрощенной схеме реле ДЗТ-11 (рис. 2.27) w_T — так называемая обмотка торможения, число витков которой может быть выставлено из следующего ряда: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 18, 24. Характеристики рабочей и уравнительных обмоток те же, что и для реле РНТ-565. Благодаря наличию обмотки торможения на магнитопроводе НТТ ток срабатывания защиты выбирают только по условию отстройки от броска тока намагничивания (ток небаланса не учитывают). Обычно это приводит к еще большему увеличению чувствительности защиты. Однако существуют ситуации, когда большей чувствительностью обладает все же защита на основе реле РНТ, поэтому в общем случае может быть рекомендован алгоритм выбора разновидности защиты, предполагающий проверку возможности использования каждой из трех перечисленных выше защит в том же порядке.

Расчеты дифференциальных защит двухобмоточных трансформаторов с большим диапазоном регулирования напряжения (AUj,^ % > 10 %) следует начинать со стороны ВН, так как именно на этой стороне установлено устройство РПН [4].

Ток срабатывания дифференциальной защиты отстраивается от броска тока намагничивания (для всех защит) и от тока небаланса (кроме защиты с торможением), то есть соответственно:

где k_{OT CP} — коэффициент отстройки от броска тока намагничивания, для дифференциальной токовой отсечки k_{ОТ СР} ≈ (3,4–4), для реле типа РНТ k_{OT CP} = 1,3, для реле ДЗТ — k_{OT CP} = 1,5;

I_{HOM Т} — номинальный ток трансформатора;

k_З — коэффициент запаса, для дифференциальной токовой отсечки и для реле типа РНТ k₃ = 1,3, для реле ДЗТ — k₃ = 1,5;

I_НБ — ток небаланса.

При наличии РПН бросок тока намагничивания рассчитывают для его (РПН) крайнего «отрицательного» положения [4]:

где S_T — номинальная мощность трансформатора;

U_{HOM 1} — его номинальное первичное напряжение;

ΔU_PПН — половина полного диапазона регулирования напряжения на стороне ВН, относительное значение.

Ток небаланса включает в себя три составляющие:

Первая обусловлена погрешностью ТТ:

Вторая составляющая тока небаланса вызвана наличием РПН:

Третья обусловлена невозможностью установки на коммутаторах реле РНТ и ДЗТ расчетных дробных чисел витков:

или неполным выравниванием токов в плечах защиты при подборе ТТ:

где w_{ВН РАСЧ} — расчетное число витков уравнительной обмотки, включенной на стороне ВН;

w_ВН — принятое целое число витков той же обмотки;

I_{2 BH} и I_{2 HH} — средние значения вторичных номинальных токов за ТТ на сторонах ВН и НН соответственно:

Здесь k_CX — коэффициент, учитывающий схему включения вторичных обмоток ТТ и обмоток реле, k_{CX BH} = √3, k_{CX HH} = 1; k_TT — коэффициенты трансформации ТТ, установленных на сторонах ВН и НН защищаемого силового трансформатора.

Определяется ток срабатывания реле для стороны ВН:

Рассчитывается и округляется в меньшую сторону число витков уравнительной обмотки на стороне ВН (первой, см. рис. 2.26):

где F_CP — магнитодвижущая сила, необходимая для срабатывания реле, для реле РНТ-565 и ДЗТ-11 F_CP = 100 ± 5 A витков. Рассчитывается и округляется в ближайшую сторону число витков второй уравнительной обмотки (включенной на стороне НН):

Рассчитывается коэффициент чувствительности защиты:

где I_{P MIN} — ток в реле, соответствующий минимальному току повреждения в зоне действия, от которого защита должна сработать;

I_CP — ток срабатывания реле для той же стороны, для которой выше был определен I_{P MIN}.

Обычно необходимо, чтобы k_Ч ≥ 2, в крайнем случае k_Ч ≥ 1,5 [4].

Производится предварительный расчет тока срабатывания защиты без учета неизвестной третьей составляющей тока небаланса. Далее осуществляется предварительная (по той же причине) проверка чувствительности защиты. Если защита по чувствительности проходит, производится расчет чисел витков уравнительных обмоток, уточняется значение тока небаланса и проверяется надежность отстройки тока срабатывания защиты от уточненного значения тока небаланса. Если отстройка не обеспечена, расчет повторяется вновь для нового значения тока срабатывания, отстроенного от уточненного тока небаланса. Далее, как и для любой разновидности дифференциальной защиты, производится окончательный расчет коэффициента чувствительности и выполняется проверка трансформаторов тока на 10 %-ную погрешность.

Первая особенность связана с отсутствием необходимости учета тока небаланса при выборе тока срабатывания защиты и, соответственно, в упрощении процедуры расчета, которая для реле серии РНТ имела, возможно, рекурсивный характер.

Вторая особенность связана с необходимостью расчета числа витков тормозной обмотки и выбором места ее включения. На двухобмоточных понижающих трансформаторах тормозную обмотку включают в плечо защиты, противоположное стороне источника питания (рис. 2.28), чтобы загрубление действия реле происходило только при внешних КЗ (при повреждениях в зоне действия защиты тормозная обмотка током КЗ не обтекается). Число витков обмотки:

tgα — справочная величина, учитывающая тормозные свойства реле, для реле ДЗТ-11 tgα = 0,87.