Релейная защита

Главные показатели эффективности релейной защиты – ее быстродействие, чувствительность и селективность. Дифференциальная защита, обладающая абсолютной селективностью, является основной защитой электрооборудования, поэтому ее совершенствование заслуживает особого внимания.
Коллектив петербургских исследователей считает целесообразным для повышения эффективности дифференциальной защиты использовать метод компенсации погрешности трансформаторов тока с помощью нелинейного фильтра тока намагничивания.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Методы повышения эффективности

Валерий Ванин, д.т.н., профессор
Максим Попов, к.т.н., доцент
Станислав Попов, аспирант
Кафедра «Электрические станции и автоматизация энергетических систем», СПб ГПУ, г. Санкт-Петербург

Упрощенная структурная схема дифференциальной защиты (рис. 1) содержит первичные преобразователи тока, устройства сопряжения с объектом (УСО) и решающий блок.

Рис. 1. Структурная схема дифференциальной защиты

УСО – устройства сопряжения с объектом;
ФРС – фильтр рабочего сигнала;
ФТС – фильтр тормозного сигнала;
БДЗ – блок блокировки дифференциальной защиты при бросках тока намагничивания;
ДО – дифференциальная отсечка;
ТТ – трансформатор тока.

ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ТТ

В качестве первичных измерительных устройств наибольшее распространение получили электромагнитные трансформаторы тока (ТТ). В некоторых случаях используются оптико-электронные устройства, датчики Холла и др. Устройства сопряжения выполняют функции приведения сигналов к одному виду, их масштабирование и приведение к единым относительным единицам. В электромеханических защитах данные функции выполнялись с помощью электромагнитных систем с переменным коэффициентом трансформации, в аналоговой интегральной технике – с использованием пассивных R и C элементов и операционных усилителей. В микропроцессорных устройствах к устройствам сопряжения с объектом относятся вторичные преобразователи сигналов, блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также часть программного обеспечения. В решающем блоке реализуется алгоритм формирования рабочего сигнала защиты и уставка, с которой сравнивается рабочий сигнал.
Рабочий сигнал защиты получается как сумма сигналов, пропорциональных токам плеч, за положительное направление которых принимается направление в трансформатор. Далее эти сигналы для удобства восприятия обозначаются как соответствующие токи защищаемого оборудования:

где i_Iз – ток первого плеча;
i'_IIз – ток второго плеча, приведенный к току первого плеча.

Таким образом, рабочий сигнал в нормальных режимах и внешних коротких замыканиях соответствует дифференциальному току силового трансформатора. При КЗ в зоне действия защиты он резко увеличивается, что и является непосредственным признаком внутренних повреждений. Однако в рабочем сигнале, сформированном по (1), необходимо выделять составляющие, которые обусловливаются факторами, не являющимися признаками внутренних повреждений, и могут привести к неправильному действию защиты. В общем они вызваны инструментальной и методической погрешностью работы дифференциальной защиты и имеют различную физическую природу.

Принято говорить о суммарной погрешности и представлять ее в виде некоторого абстрактного тока, приведенного к току одного из плеч защиты. Данный ток принято называть током небаланса, и в случае защиты трансформаторного оборудования он определяется следующим выражением:

где I_нб.ит – составляющая тока небаланса, обусловленная погрешностью измерительного тракта дифференциальной защиты;
I_нб.выр – составляющая тока небаланса, обусловленная неточным выравниванием токов плеч;
I_нб.РПН – составляющая тока небаланса, обусловленная регулированием коэффициента трансформации под нагрузкой;
I_нб.нам – составляющая тока небаланса, обусловленная током намагничивания силового трансформатора.

Здесь важно отметить, что первые две составляющие являются инструментальной погрешностью и определяются погрешностью первичных преобразователей и устройств сопряжения с объектом. Эти составляющие можно интерпретировать как несовершенство устройства дифференциальной защиты и средств измерения и называть током небаланса дифференциальной защиты трансформатора.

Ток небаланса, обусловленный током намагничивания трансформатора и устройством регулирования под нагрузкой (РПН), определяется исключительно параметрами трансформатора и является методической погрешностью. Таким образом, последние составляющие должны обусловливать определенную коррекцию алгоритмов работы защиты.

Инструментальная погрешность нормируется только в установившихся режимах и не должна превышать 10% относительно установившегося значения тока. Однако в переходных режимах данная погрешность может значительно возрастать (до 60% и более) и тем самым ограничивать быстродействие и чувствительность защиты. При этом ток небаланса будет определяться током намагничивания первичных преобразователей тока. В случае внешнего КЗ и при допущении малой методической погрешности можно записать:

где i'_1I, i'_2I, i'_μI – соответственно приведенный первичный, вторичный токи и приведенное значение намагничивающего тока ТТ первого плеча;
i'_1II, i'_2II, i'_μII – те же значения второго плеча защиты.

Для обеспечения правильного функционирования защиты необходимо использовать тормозные сигналы (токи). Противоречивые требования к алгоритмам формирования тормозных токов обусловливают их большое разнообразие. Широко распространенными являются следующие алгоритмы:

• сумма абсолютных значений токов всех присоединений;
• максимальная сумма положительных и отрицательных полуволн токов плеч;
• разность суммы абсолютных значений и модуля дифференциального тока, максимальный ток плеча [1].

При этом условие срабатывания дифференциальной защиты описывается в общем случае неравенством:

где I_p – дифференциальный ток;
I_с.мин – минимальный ток срабатывания защиты;
I_т – тормозной ток;
k_т – коэффициент торможения.

Основной характеристикой дифференциальной защиты при использовании тормозных токов является тормозная характеристика, представленная в виде зависимости тока срабатывания защиты от сквозного тока. Данная характеристика состоит из нескольких участков, на которых принимается различное значение коэффициента k_т. Выбор этого коэффициента определяется требованиями обеспечения селективности и чувствительности защиты. Для этого необходимо провести исследования переходных процессов при внешних и внутренних повреждениях (рис. 2).

Рис. 2. Рабочие и тормозные сигналы при внутренних (а) и внешних коротких замыканиях (б)

I_т1 – тормозной сигнал – максимальный ток плеча;
I_т2 – тормозной сигнал – максимальная сумма положительных и отрицательных полуволн токов плеч;
I_т3 – тормозной сигнал – сумма абсолютных значений токов плеч;
I_т4 – тормозной сигнал – разность абсолютных значений токов плеч и дифференциального тока;
I_т5 – тормозной сигнал – минимальная сумма положительных и отрицательных полуволн токов плеч;
I_p – рабочий сигнал.

Минимально требуемый коэффициент торможения определяется из условия обеспечения правильной работы защиты при внешних КЗ. При выборе этого коэффициента необходимо учитывать возможность насыщения ТТ и, как следствие, вероятность возрастания погрешности ТТ до больших значений. Исследования [1] показали, что при погрешности ТТ до 60% минимальный коэффициент торможения должен приниматься в пределах 0,4–0,6 в зависимости от используемого тормозного алгоритма.

Снижение коэффициента торможения возможно при использовании фазного торможения или фильтров гармонических сигналов. В этом случае возможно снижение тормозных коэффициентов до 0,2–0,4 (рис. 3, кривая 1). Однако общим недостатком этих методов является замедление действия защиты на 20 мс и более, связанное с необходимым временем расчета соответствующих величин и методической погрешностью этих методов.

Рис. 3. Тормозные характеристики для различных тормозных алгоритмов

1 – типовая тормозная характеристика;
2 – погрешность фильтра тока намагничивания;
3 – суммарная погрешность измерительного тракта;
4, 5 – варианты тормозных характеристик при торможении в функции токов намагничивания ТТ;
6 – тормозная характеристика для алгоритма в функции токов плеч и при компенсации тока намагничивания ТТ

В этой связи наиболее целесообразным направлением совершенствования дифференциальных защит является разработка фильтров тока небаланса, обусловленного измерительным трактом, и соответственно восстановление значений первичных токов в темпе переходного процесса.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ФИЛЬТРА ТОКА НАМАГНИЧИВАНИЯ

В общем случае при решении задачи восстановления первичных токов необходимо учитывать параметры всего измерительного тракта, включая характеристики и схему соединения измерительных ТТ, сопротивление проводов вторичной коммутации и вторичных преобразователей, а также параметры АЦП. При правильном выборе АЦП и высококачественных вторичных преобразователей с достаточным динамическим диапазоном работы можно считать, что сигналы тока, поступающие на вход решающего блока, линейно пропорциональны вторичному току ТТ i_2A' = i_2A (рис. 4). Тогда становится целесообразным использовать фильтр тока намагничивания.

Рис. 4. Структурная схема восстановления первичных токов

Для полной компенсации тока небаланса фильтр должен проектироваться на основе строго математического описания ТТ. При этом основные трудности вызывает аппроксимация кривой намагничивания ферромагнитного материала, обусловленная необходимостью учета следующих факторов:

• остаточной индукции трансформаторов тока;
• предельных частных циклов характеристики H = f(B);
• частотной зависимости характеристики намагничивания.

Некоторые методы, учитывающие данные явления, представлены в [2]. Сказанное обусловливает то, что время расчета адекватной математической модели может быть недопустимо велико. Вместе с тем в некоторых практических приложениях можно использовать упрощенное математическое описание ТТ.

При применении фильтра тока намагничивания рабочий и тормозные сигналы формируются согласно следующим выражениям:

Очевидно, что при полной компенсации погрешности ток небаланса защиты будет отсутствовать. При неточной компенсации погрешности ТТ необходимо рассматривать эффективность применения фильтра в наихудших условиях работы. Результаты исследований показали целесообразность использования фильтра тока намагничивания, если его по-грешность не превосходит 50%. В частности, при максимальной погрешности восстановления первичных токов, равной 35%, удалось снизить минимально требуемый коэффициент торможения до 0,12 (при использовании алгоритма торможения «максимальная сумма положительных и отрицательных полуволн токов плеч», см. рис. 3, кривая 6).

Дальнейшее совершенствование дифференциальных защит возможно путем разработки алгоритмов торможения в функции намагничивающих токов ТТ.

Рассмотрим работу дифференциальной защиты при внеш нем КЗ. В этом случае:

Рабочий сигнал защиты при этом определяется следующим образом:

Работа защиты при внутреннем КЗ описывается выражением:

Рабочий сигнал защиты при внутреннем КЗ можно записать, как:

Таким образом, как следует из выражений (5, 6), для того чтобы, во-первых, дифференциальная защита обладала требуемой селективностью несрабатывания при КЗ вне зоны действия, и, во-вторых, чтобы ток срабатывания защиты в режиме внутреннего КЗ имел слабую зависимость от тока КЗ, необходимо и достаточно использовать в качестве тормозного сигнала величину, определяемую намагничивающими токами ТТ:

Рассмотренные положения в некоторой степени уже привлекали внимание специалистов [2]. Однако реализация дифференциальных защит с торможением в функции намагничивающих токов стала возможной только благодаря использованию современных средств микроэлектроники, позволяющей качественно производить фильтрацию токов намагничивания в темпе переходных процессов в ТТ.

Проведенные на кафедре «Электрические станции и автоматизация энергетических систем» СПбГПУ исследования показали большую эффективность данного метода. В частности, на рис. 3 показана сравнительная характеристика рассмотренных в работе тормозных алгоритмов, а также погрешность фильтра тока намагничивания (кривая 2) и суммарная погрешность измерительного тракта при частичной компенсации погрешности ТТ (кривая 3).

ВЫВОД

ЛИТЕРАТУРА

1. Дроздов А.Д., Ульяницкий Е.М. Тормозные характеристики дифференциальных защит силовых трансформаторов // Электрические станции. 1970. № 2.
2. Ванин В.К. Релейная защита на элементах аналоговой вычислительной техники. Л.: Энергоатомиздат, 1983.