Релейная защита

В настоящее время применение быстродействующей и надежной релейной техники – одно из главных условий успешного развития и модернизации электроэнергетических систем.
Специалисты из Кубанского государственного технологического университета предлагают новые принципы построения гибридных устройств РЗА на основе оригинальных преобразователей с вращающимся магнитным полем.

Борис Коробейников, д.т.н., профессор	Геннадий Захаров, аспирант
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар

ДИСТАНЦИОННЫЕ ОРГАНЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Пути совершенствования

Cовременные устройства релейной защиты и автоматики (РЗА) должны сочетать в себе высокую надежность, быстродействие и точность работы, позволяющие использовать их в системах автоматизированного управления, сигнализации, диспетчеризации, и невысокую стоимость. Анализ существующих устройств РЗА и принципов их построения показал, что они не могут в полной мере соответствовать перечисленным выше требованиям.

Новейшие микропроцессорные устройства тоже не лишены ряда недостатков. Прежде всего можно выделить их высокую закупочную стоимость, затраты в процессе эксплуатации, сложность и зачастую неизвестность алгоритмов функционирования, а также неудовлетворительную работу при искажении контролируемых величин и прочих возмущениях. Кроме того, львиная доля рынка микропроцессорных устройств контролируется зарубежными компаниями, что в складывающейся геополитической обстановке нельзя не учитывать.

Наиболее актуальным направлением в совершенствовании релейной техники видится создание гибридных устройств РЗА, превосходящих существующие приборы. В них формирующая часть устройства, выполняющая прием, измерение и обработку входных величин, может быть выполнена на основе аналоговых электромеханических преобразователей сигнала, а логическая часть – на основе любой существующей элементной базы (электромеханической, микроэлектронной, микропроцессорной).

ПРИМЕНЕНИЕ ПВМП В СОСТАВЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ОРГАНОВ РЗА

Значительных результатов в данном направлении удалось достигнуть специалистам, использующим преобразователи с вращающимся магнитным полем (ПВМП) [1].

На рис. 1 приведена принципиальная схема дистанционного органа (ДО) РЗА, в которой в качестве преобразователей тока и напряжения использованы ПВМП [1]. Подробное описание конструкции и принципов функционирования подобных устройств приведены в [2–5].

Рис. 1. Принципиальная схема ДО на основе ПВМП

В схеме используется простой и понятный алгоритм работы, а именно сравнение двух электрических величин E₁ и E₂, представляющих функции входных напряжения и тока ДО, по абсолютному значению с помощью выпрямления по аналогии с реле типа ДЗ-2 [6]. Величины E₁ и E₂ формируются намоткой определенного числа витков, пространственным расположением и соединением вторичных обмоток ПВМП.

Преимущества по сравнению с традиционными схемами достигаются аналоговым преобразованием однофазных входных тока и напряжения посредством ПВМП в многофазные системы вторичных напряжений и последующим использованием многофазного выпрямления. Итогом становится получение на входе элемента сравнения сигнала с низким коэффициентом пульсации, что способствует отказу от инертных сглаживающих фильтров, повышению быстродействия, точности и перегрузочной способности дистанционного органа.

Для подтверждения теоретических принципов формирования ДО на базе ПВМП был изготовлен опытный образец устройства. В основу магнитопроводов ПВМП легли ферритовые кольца марки N87 R102×65,8×15 мм; многофазные выпрямители с использованием диодов Шоттки с низким собственным падением напряжения; элемент сравнения в виде триггера Шмитта на операционном усилителе. В качестве выходного элемента использовалось электромагнитное миниатюрное реле.

Полученный экспериментальный образец дистанционного органа способен реализовывать в комплексной плоскости Z характеристики срабатывания в виде окружностей [4]:

Z₀ = 10,42 Ом, r₀ = 15,48 Ом, φ_мч = 69,5° (смещенная характеристика срабатывания);

Z₀ = 0 Ом, r₀ = 13,3 Ом (реле полного сопротивления).

ИСПЫТАНИЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ОРГАНОВ НА ОСНОВЕ ПВМП ПРИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ ВХОДНЫХ СИГНАЛАХ

Испытания экспериментального образца ДО на базе ПВМП проводились с помощью комплекса РЕТОМ-51. При синусоидальных входных величинах тока и напряжения в автоматическом режиме работы сняты экспериментальные характеристики срабатывания ДО (рис. 2а, 2б – для органа со смещенной характеристикой срабатывания; рис. 2в, 2г – для органа в виде реле полного сопротивления). Также получены зависимости времени срабатывания ДО от входного сопротивления (рис. 3а – для органа со смещенной характеристикой срабатывания в направлении угла максимальной чувствительности; рис. 3б – для органа в виде реле полного сопротивления).

Рис. 2. Экспериментальные характеристики срабатывания в комплексной плоскости опытного образца ДО на основе ПВМП (а, б) и терминала REF630 (в, г)

Рис. 3. Зависимости времени срабатывания от входного сопротивления для ДО на основе ПВМП (1) и терминала REF630 (2)

Для сравнения полученных данных аналогичные исследования проведены для ступени дистанционной защиты микропроцессорного терминала REF630.

ИСПЫТАНИЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ОРГАНОВ НА ОСНОВЕ ПВМП ПРИ ИСКАЖЕННЫХ СИГНАЛАХ ВХОДНОГО ТОКА

Были также проведены испытания ДО в условиях искажения входного сигнала тока, что характерно в режиме перегрузки и насыщения первичных измерительных трансформаторов тока.

Искаженные сигналы тока формировались комплексом РЕТОМ-51 как сумма гармонических составляющих ряда Фурье в соответствии с выражением:

.

Составляющие подаваемых на вход сигналов тока до 9-й гармоники включительно приведены в табл. 1. Общий вид искаженного сигнала при величине погрешности F_i = 50% изображен на рис. 4. Сигналы входного напряжения исследуемых ДО принимались синусоидальными.

Таблица 1. Составляющие подаваемых на вход сигналов тока до 9-й гармоники включительно

№ гармоники, i	Ai, A	ƒi, Гц	φi, град
Fi = 10%
1	0,99	50	3,3
3	0,05	150	126,8
5	0,04	250	151,6
7	0,04	350	177,0
9	0,03	450	203,6
Fi = 20%
1	0,97	50	7,0
3	0,11	150	150,3
5	0,09	250	191,9
7	0,06	350	236,9
9	0,04	450	0
Fi = 30%
1	0,92	50	11,7
3	0,17	150	173,4
5	0,12	250	232,8
7	0,06	350	0
9	0,03	450	44,5
Fi = 40%
1	0,87	50	16,6
3	0,23	150	194,1
5	0,13	250	0
7	0,05	350	20,8
9	0,05	450	147,9
Fi = 50%
1	0,8	50	22
3	0,27	150	214,7
5	0,12	250	0
7	0,06	350	106,7
9	0,06	450	230,1
Fi = 60%
1	0,72	50	28,2
3	0,3	150	236,5
5	0,1	250	10,4
7	0,08	350	182,0
9	0,05	450	0

Рис. 4. Искаженный сигнал входного тока ДО (F_i = 50%)

В результате опытов, произведенных для образцов ДО, получены зависимости погрешности срабатывания органа от степени искажения входного тока F_Z = f (F_i) (рис. 5, 6). Погрешность срабатывания ДО определялась в каждом направлении входного Z органа как степень сужения зоны срабатывания по отношению к уставке.

Рис. 5. Зависимости средней погрешности срабатывания от искажения входного сигнала тока реле полного сопротивления на основе ПВМП (1) и терминала REF630 (2)

Рис. 6. Зависимости погрешности срабатывания ДО со смещенной характеристикой на основе ПВМП (1) и терминала REF630 (2) в направлении угла максимальной чувствительности

Эксперимент продемонстрировал, что дистанционный орган микропроцессорного терминала REF630 при измерении входного сопротивления реагирует на первую гармонику входного тока. Для него установлена прямо пропорциональная зависимость роста погрешности срабатывания от снижения доли первой гармоники в составе искаженного входного сигнала.

Для дистанционного органа со смещенной характеристикой данное влияние усиливается ростом фазового сдвига первой гармоники искаженного входного тока относительно входного напряжения.

Применение ПВМП в составе ДО позволяет снизить влияние данного процесса на работу органа предположительно за счет эффекта дифференцирования высших гармоник сигнала тока магнитной системой преобразователя.

Увеличенная погрешность срабатывания опытно-конструкторского образца дистанционного органа на основе ПВМП объясняется ручной технологией изготовления его элементов и сборки, что может быть устранено при надлежащем заводском исполнении.

ВЫВОД

Применение ПВМП в составе релейной техники, по мнению авторов, позволяет добиться улучшения ее технических характеристик без дополнительного усложнения алгоритмов функционирования.

Полученный ДО является одним из серии устройств РЗА, использующих данный принцип работы, среди которых: реле тока, реле напряжения, реле направления мощности, дифференциальное реле тока, фильтры симметричных составляющих.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. 2333562 РФ. Однофазный трансформатор вращающегося поля / Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров.
2. Пат. 128408 РФ. Реле сопротивления / Б.А. Коробейников, А.Б. Коробейников, В.М. Радионов, Г.А. Захаров.
3. Пат. 108888 РФ. Реле полного сопротивления / Б.А. Коробейников, А.Б. Коробейников, В.М. Радионов, Г.А. Захаров.
4. Коробейников Б.А., Захаров Г.А., Радионов В.М. Дистанционный орган релейной защиты на основе преобразователей с вращающимся магнитным полем // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2013. № 3.
5. Коробейников Б.А. Дистанционный орган в виде реле полного сопротивления на основе преобразователей с вращающимся магнитным полем / Коробейников Б.А., Захаров Г.А., Сидоров Д.И., Мироненко В.В. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/09.pdf.
6. Шнеерсон Э.М. Полупроводниковые реле сопротивления. М.: Изд. «Энергоатомиздат». 1986.