МЕХАНОТРОНИКА:

ПРОБЛЕМА ИЗЛИШНЕГО ДЕЙСТВИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИИ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЦЕПЯХ

Михаил Пирогов, начальник отдела системотехники
Сергей Михалев, ведущий инженер-системотехник
ООО «НТЦ «Механотроника», г. Санкт-Петербург

Открыть в формате PDF

Существует два варианта выполнения дифференциальной защиты с торможением (ДЗТ):

• ДЗТ с током срабатывания меньше номинального тока защищаемого объекта;
• ДЗТ с током срабатывания больше номинального тока защищаемого объекта.

Первый вариант обеспечивает более высокую чувствительность, однако возможно излишнее (ложное) срабатывание защиты при неисправности измерительных токовых цепей (ТЦ) либо самих трансформаторов тока (ТТ). Второй вариант, наоборот, минимизирует возможность срабатывания при неисправности ТТ или ТЦ, однако приводит к снижению чувствительности ДЗТ и к увеличению объема повреждений защищаемого объекта при коротких замыканиях (КЗ).

В настоящее время производители РЗА предлагают различные варианты выявления неисправности ТТ и ТЦ. При этом ни одно из решений не исключает ложное действие ДЗТ. В основе используемых алгоритмов лежит принцип сопоставления симметричных составляющих, их производных и т.п. на границах зоны действия ДЗТ. В данный момент не существует единого общепринятого и эффективного метода выявления таких неисправностей для прямого блокирования дифференциальной защиты.

Одно из ключевых требований к дифференциальной защите – высокое быстродействие, поэтому выявить неисправность ТТ или ТЦ нужно без ущерба для данной характеристики. Другое важнейшее требование – правильность действия алгоритма блокировки во всех режимах. Выполнение этих требований – сложная задача. Даже если будет разработано соответствующее решение, то доверие к нему не будет высоким, так как сама идея блокирования дифференциальной защиты – не лучший выход.

АЛЬТЕРНАТИВНОЕ РЕШЕНИЕ

Авторы предлагают принципиально иное решение. Прежде всего всегда необходимо выполнять ДЗТ с током срабатывания выше номинального тока защищаемого объекта. Используя современную микропроцессорную технику, можно реализовать простой и эффективный способ выявления изменения режима работы электроустановки, связанного с броском тока. По факту изменения режима и без ущерба для быстродействия возможно переводить ДЗТ на уставки с током срабатывания ниже номинального тока защищаемого объекта, повышая чувствительность. Данный подход позволяет решить проблему излишних срабатываний ДЗТ, не прибегая к блокированию защиты.

Рассмотрим более детально реализацию этого принципа на примере дифференциальной защиты двигателя 6–10 кВ (рис. 1).

Рис. 1. Характеристика срабатывания ДЗТ

Дифференциальный ток вычисляется по формуле:

где _ВX – вектор тока фазы Х со стороны выводов питания;
_НX – вектор тока фазы Х со стороны выводов к нейтрали;
Х – обозначение фазы А, В, С.

Ток торможения (I_т) рассчитывается как действующее значение арифметической полусуммы токов со стороны питания и нейтрали двигателя по формуле:

,

где I_ВХ – действующее значение тока фазы со стороны выводов питания;
I_НХ – действующее значение тока фазы со стороны выводов к нейтрали.
В режимах пуска (или самозапуска) электродвигателя в идеальном случае справедливо: _ВX = _НX, при этом:

.

В таком случае в соответствии с рис. 1 при правильно выбранных уставках точка с координатами I_д–I_т находится в области несрабатывания.

При внутреннем трехфазном КЗ на вводах питания двигателя I_НХ = 0, при этом:

.

Т. е. при внутреннем повреждении при идеальных условиях I_ДХ = 2I_ТХ. Соответственно характеристика внутренних повреждений двигателя может быть представлена прямой с углом наклона 63° (рис. 1). Это подтверждает рекомендуемый в [1] принципиальный метод оценки чувствительности ДЗТ, исходя из минимального тока срабатывания защиты при отсутствии торможения.

При снижении уставки I_дзт чувствительность защиты увеличивается. При этом очевидно, что, в случае выполнения защиты с уставкой выше номинального тока электроустановки для предотвращения излишнего действия ДЗТ, чувствительность существенно (в 3–4 раза) уменьшается по сравнению с исполнением с уставкой ниже номинального тока. Следует также отметить, что уменьшение чувствительности в цифровой РЗА может привести и к снижению быстродействия (≈ + 5÷10 мс).

Для устранения недостатков ДЗТ с током срабатывания выше номинального тока защищаемого объекта, рассмотрим алгоритм перевода защиты на более чувствительные уставки. Достоверным признаком изменения режима работы электроустановки, сопровождающегося резким увеличением тока, является аварийная составляющая:

где x – обозначение фазы: А, В, С;
ix(k) – мгновенное значение тока фазы x на k-м отсчете;
T – количество отсчетов за период сигнала.

При отсутствии броска тока, определяемого по ТТ, установленному со стороны питания электродвигателя, ДЗТ работает со значением уставки I_ДЗТ выше номинального тока двигателя (I_{ДЗТ_ГРУБ}). Это позволяет избежать излишнего срабатывания защиты при неисправности в ТЦ, причем необходимости в блокировке ДЗТ нет. При возникновении КЗ цифровое устройство РЗА без ущерба для быстродействия переводит ДЗТ на работу с уставкой I_ДЗТ меньше номинального тока двигателя (I_{ДЗТ_ЧУВСТ}), что и повышает чувствительность защиты (рис. 2).

Рис. 2. Характеристика срабатывания ДЗТ с очувствлением

Работа по чувствительным уставкам вводится на фиксированное время (100 мс). Это обеспечивает срабатывание ДЗТ по чувствительным уставкам и без выдержки времени. Очувствление ДЗТ с учетом особенностей построения программного алгоритма выполняется без ущерба для быстродействия. Уставка по аварийной составляющей задается автоматически и фиксируется на уровне 3,5 · I_{ДЗТ_ГРУБ}. Уставка выбрана с большим запасом, исходя из максимально возможного нормального уровня технологической перегрузки. В то же время указанная уставка по аварийной составляющей позволяет избежать очувствления защиты, например при обрывах ТЦ.

Необходимо отметить, что при повреждении любого элемента измерительной цепи дифференциальной защиты эксплуатационный персонал будет своевременно оповещен об этом сигнализацией небаланса, уставка срабатывания которого выбирается 0,5–0,7I_ном электродвигателя.

ВЫВОДЫ

Предложенный алгоритм позволяет обеспечить высокую чувствительность защиты и избежать отключения электродвигателя при обрывах в измерительных цепях (одного, двух или нескольких проводов), при различных видах замыкания в измерительных цепях, при повреждении одного или нескольких измерительных ТТ.

Рассмотренный принцип имеет большой потенциал совершенствования. В частности, в настоящий момент он не позволяет предотвратить излишнее действие ДЗТ при одновременном повреждении ТЦ (или ТТ) и, например, пуске/самозапуске электродвигателя. Однако вероятность возникновения такой ситуации невысока, а эксплуатационный персонал по факту срабатывания сигнализации небаланса заблаговременно сможет ввести в работу резервную электроустановку и избежать ущерба из-за внезапной остановки электродвигателя.
Алгоритм, минимизирующий число излишних срабатываний ДЗТ при повреждении ТЦ и ТТ, успешно реализован специалистами НТЦ «Механотроника» в универсальном блоке защит электродвигателя БМРЗ-УЗД. Аппаратные особенности и функциональные возможности этого серийно выпускаемого изделия заслуживают рассмотрения в отдельных статьях.