Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Структура системы микропроцессорных терминалов защит и автоматики подстанции средней мощности 15
1.1. Внедрение микропроцессорных устройств в электроэнергетику России 15
1.2. Комплекс микропроцессорных терминалов для защиты, автоматики и управления подстанции средней мощности 18
1.3. Распределение функций между терминалами основной и резервной защиты силового трансформатора 23
Выводы 27
ГЛАВА 2. Устройство управления выключателем и резервных защит трансформатора 28
2.1. Назначение и основные функции устройства 28
2.2. Аппаратная реализация устройства 33
2.3. Построение программного обеспечения 41
2.3.1. Система реального времени 41
2.3.2. Распределение функций между процессорами, входящими в систему устройства 42
2.4. Способ отстройки от токов нулевой последовательности при использовании устройства на трансформаторе с заземленной нейтралью 44
Выводы 49
ГЛАВА 3. Исследование характера электромагнитных переходных процессов в силовых трансформаторах и в трансформаторах тока 50
3.1. Переходные процессы, методы их исследования и их влияние на функционирование защит трансформаторов 50
3.2. Переходные процессы при коммутациях в цепях однофазных трансформаторов 52
3.2.1. Включение однофазного трансформатора на холостой ход 52
3.2.2. Отключение внешнего КЗ на стороне низкого напряжения 55
3.2.3. Включение трансформатора с витковым КЗ 62
3.2.4. Отключение КЗ на стороне высокого напряжения 64
3.2.5. Подключение второго трансформатора параллельно работающему 67
3.3. Переходные процессы при коммутациях в цепях трехфазных трансформаторов 70
3.3.1. Математическая модель трехфазной группы однофазных трансформаторов 70
3.3.2. Математическая модель трехфазного трансформатора 71
3.4. Трансформация бросков тока в измерительных трансформаторах тока 76
Выводы 82
ГЛАВА 4. Принципы, положенные в основу разработки модуля дифференциальной защиты трансформатора 85
4.1. Принципы, реализованные в терминалах «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ» 85
4.2. Сборка токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора
4.2.1. Особенности сборки обмоток силового трансформатора и варианты подключения измерительных трансформаторов тока 86
4.2.2. Формирование токовых цепей дифференциальных защит двухобмоточных трансформаторов 89
4.2.3. Формирование токовых цепей дифференциальных защит трехобмоточных трансформаторов 95
4.3. Выделение первой и второй гармоник из токов в цепях дифференциальной защиты 99
4.4. Коррекция погрешности, вносимой изменением положения устройства РПН силового трансформатора 105
4.5. Блокировка по 2-й гармонике дифференциального тока при БНТ. Метод ликвидации замедления действия чувствительной ступени ДЗТ при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока КЗ 108
4.5.1. Анализ возможных вариантов блокировки по 2-й гармонике 108
4.5.2. Анализ способов выявления БТН 111
4.5.2.1. Время-импульсный метод по типу реле ДЗТ-21 111
4.5.2.2. Сравнение амплитуд положительных и отрицательных полуволн 113
4.5.2.3. Сравнение средних значений токов за положительную и отрицательную полуволны 114
4.5.2.4. Раздельный счет содержания второй гармоники для положительной и отрицательной полуволн 115
4.5.3. Метод различия БНТ и КЗ с насыщением ТТ основанный на контроле тенденции изменения первой гармоники тока 116
4.6. Принятые варианты торможения от сквозных токов. Тормозные характеристики дифференциальных защит двух- и трехобмоточных трансформаторов 122
4.6.1. Тормозной ток и тормозная характеристика дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора 124
4.6.2. Формирование тормозного тока в дифференциальной защите трехобмоточного трансформатора 126
4.7. Методика выбора уставок микропроцессорной дифференциальной защиты трансформатора 128
4.7.1. Рекомендации по выбору уставок для защиты двухобмоточного трансформатора типа «Сириус-Т» 129
4.7.1.1. Общие уставки 129
4.7.1.2. Дифференциальная отсечка 130
4.7.1.3. Чувствительная ступень дифференциальной защиты 131
4.7.2. Рекомендации по выбору уставок для защиты трехобмоточного трансформатора типа «Сириус-ТЗ» 134
4.7.2.1. Общие уставки 134
4.7.2.2. Дифференциальная отсечка 135
4.7.2.3. Чувствительная ступень дифференциальной защиты 135
Выводы 138
Заключение 141
Библиографический список 143
Приложения 151
- Комплекс микропроцессорных терминалов для защиты, автоматики и управления подстанции средней мощности
- Распределение функций между процессорами, входящими в систему устройства
- Подключение второго трансформатора параллельно работающему
- Формирование токовых цепей дифференциальных защит двухобмоточных трансформаторов
Введение к работе
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической сети любого класса напряжения. Передача электроэнергии на большие расстояния от места производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-, шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах [7]. Необходимо отметить, что по мере удаления от электростанции снижается класс напряжения и единичная мощность трансформаторов. Одновременно увеличивается число используемых в распределительных сетях трансформаторов. Поэтому основная часть силовых трансформаторов - понижающие трансформаторы с высшим напряжением ПО и 35 кВ. Релейная защита, установленная на этих трансформаторах, имеет самый низкий процент правильной работы среди элементов сети. По данным, например, за период 2000-2003 гг. - средний процент правильной работы релейной защиты трансформаторов и автотрансформаторов составил 89,5 %, в то время как тот же показатель для всей массы устройств релейной защиты равен 99,52% [39,49].
В настоящее время на подавляющем большинстве трансформаторов основная защита выполняется с применением дифференциальных токовых реле серии РНТ-560, ДЗТ-10 и ДЗТ-20. Статистика показывает, что данные реле имеют низкий процент правильной работы: РНТ-560 — 92,2 %; ДЗТ-10 -88,4 %; ДЗТ-20 - 59,2% [39, 50].
Самый низкий процент правильной работы у реле серии ДЗТ-20. Плохие показатели работы данного реле можно объяснить в первую очередь сложностью настройки. Как показывают данные, в целом по защитам доля виновности эксплуатационного персонала составляет 64,6% [40]. К еще одной причине неверной работы защиты можно отнести несоблюдение электромагнитной совместимости (ЭМС). Реле ДЗТ-21 создано на микроэлектронной элементной базе, а, следовательно, подвержено воздействию электромагнитных импульсов. На момент разработки реле не уделялось должное внимание этой проблеме. В документации на реле ДЗТ-21 отсутствуют сведения о какой-либо проверке реле на ЭМС [41].
Реле серии РНТ-560 и ДЗТ-10 морально устарели. Они не позволяют получить первичный ток срабатывания защиты ниже (1,3-1,5) от номинального тока защищаемого трансформатора, что, в частности, не обеспечивает работу защиты при витковых КЗ в трансформаторе. Техническое несовершенство наших защит особенно заметно на фоне современных микропроцессорных защит зарубежных фирм, позволяющих иметь уставки (0,1-0,3) от номинального тока. Однако следует отметить как дороговизну иностранных микропроцессорных защит, так и плохую их адаптацию к условиям электроэнергетики России.
Учитывая изложенное, актуальной становиться проблема создания комплекса защит, отвечающего современным требованиям.
Последние годы основным направлением в стратегии развития и технического перевооружения релейной защиты и автоматики объектов электроэнергетики является внедрение и освоение микропроцессорных устройств. Использование микропроцессорной техники дает ряд существенных преимуществ:
— многофункциональность (сочетание в устройстве функций защиты, автоматики, сигнализации, а также регистраторов);
— меньшие габариты по сравнению с электромеханическими или микроэлектронными устройствами;
— широкая система самодиагностики, позволяющая быстро выявлять неисправности микропроцессорного терминала;
— низкое потребление мощности по цепям постоянного и переменного тока, переменного напряжения;
— высокопроизводительные процессоры, используемые в терминалах, позволяют реализовать сложные алгоритмы и новые функции, которые трудно или даже невозможно осуществить на базе традиционных устройств;
—удобство наладки и эксплуатации микропроцессорных терминалов, что обеспечивает снижение трудозатрат на обслуживание систем РЗА;
- порт связи с внешними цифровыми устройствами позволяет терминалам выполнять функции низкого уровня в автоматизированных системах типа SCADA, а также взять на себя ряд дополнительных функций: осцилло- графирование электрических величин в аварийном режиме, регистрацию последовательности функционирования устройств системы РЗА и т.д.
Использование микропроцессорной техники позволит повысить эффективность функционирования релейной защиты трансформаторов. А это в свою очередь обеспечивает экономических эффект по следующим составляющим:
- уменьшение затрат на ремонт благодаря ограничению объема разрушения защищаемого трансформатора в пределах одной-двух катушек;
- уменьшение ущерба за счет сокращения времени ремонта трансформатора.
Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования релейной защиты трансформаторов средней мощности 10-60 MB А класса напряжения 35-110 кВ путем разработки и создания современного отечественного микропроцессорного комплекса защит.
Работа выполнена на кафедре «АУЭС» ИГЭУ и в научно-исследовательской лаборатории ЗАО «РАДИУС Автоматика», г. Зеленоград.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
1. Исследование и разработка структуры микропроцессорного комплекса защит, автоматики и сигнализации силового трансформатора.
2. Разработка математических моделей для расчета электромагнитных переходных процессов при коммутациях в цепях силового трансформатора ориентированных на использование современных систем моделирования.
3. Анализ существующих и выбор наиболее эффективных принципов выполнения дифзащиты трансформаторов.
4. Исследование и разработка способов ликвидации замедления действия чувствительной ступени дифференциальной защиты при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока КЗ.
5. Разработка способа уменьшения составляющей тока небаланса в дифференциальной цепи, обусловленной изменением положения устройства регулирования под нагрузкой (РПН) силового трансформатора.
6. Исследование возможности и разработка способа компенсации неравенства вторичных токов в плечах дифзащиты и фазового сдвига в трансформаторе цифровым способом внутри микропроцессорного устройства дифференциальной защиты.
7. Выбор целесообразной формы тормозной характеристики и способа формирования тормозного тока для защит двухобмоточных и трехобмоточ-ных трансформаторов.
8. Уточнение методик выбора параметров и уставок микропроцессорных дифференциальных защит трансформаторов.
Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались: современные методы математического и физического моделирования, теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, элементы теоретических основ электротехники (ТОЭ).
Научная новизна:
1. Разработаны математические модели, обеспечивающие проведение анализа переходных процессов при коммутациях в цепях трехфазной группы однофазных и трехфазных трансформаторов.
2. Разработан способ ликвидации замедления действия чувствительной ступени дифференциальной защиты при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока короткого замыкания, основывающийся на качественном критерии различия броска тока намагничивания и короткого замыкания.
3. Предложен способ уменьшения погрешности, вносимой изменением положения устройства регулирования напряжения под нагрузкой силового трансформатора, основанный на контроле коэффициента трансформации тока нагрузки.
4. Получены результаты, показывающие, что для обеспечения устойчивого функционирования дифференциальной защиты с торможением по 2-й гармонике в условиях отклонения частоты в энергосистеме от 50 Гц для выделения второй гармоники следует применять специальные фильтры с усиленным подавлением частот, близких к 50 Гц.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается проверкой адекватности разработанных математических моделей, сопоставлением результатов моделирования и реальных электромагнитных переходных процессов, а также положительным опытом эксплуатации в энергосистемах России разработанных микропроцессорных терминалов защит и автоматики силовых трансформаторов.
Практическая ценность:
1. Разработана структура микропроцессорных защит и устройств автоматики силового трансформатора для двухтрансформаторной подстанции средней мощности напряжением 35-110 кВ.
2. Разработано программное обеспечение (ПО) микропроцессорных терминалов: управления высоковольтным выключателем и резервных защит трансформатора «Сириус-УВ», дифференциальной защиты двух- и трехоб-моточных трансформаторов «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ».
3. В разработанном ПО реализованы: алгоритмы цифровой фильтрации первой и второй гармоник тока в цепи дифференциальной защиты с торможением по 2-й гармонике, обеспечивающие правильное функционирование защиты при незначительных отклонениях частоты в системе от 50 Гц; способ цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора, выравнивания вторичных токов и компенсации фазового сдвига в трансформаторе.
4. Уточнена методика выбора уставок микропроцессорной дифференциальной защиты двух- и трехобмоточного трансформатора и разработана методика выбора параметров внутренней цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований и разработок использованы автором при создании устройств микропроцессорных защит «Сириус-УВ», «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ». Данные терминалы выпускаются серийно на предприятии ЗАО «РАДИУС Автоматика» с 2004 г.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Структура микропроцессорного комплекса защит, автоматики и сигнализации силовых трансформаторов средней мощности напряжением 35-110 кВ. Распределение функций между терминалами, входящими в состав комплекса.
2. Математические модели для анализа переходных процессов при коммутациях в цепях трехфазной группы однофазных и трехфазных трансформаторов.
3. Методика выбора параметров внутренней цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора.
4. Способ уменьшения погрешности, вносимой изменением положения устройства регулирования под нагрузкой силового трансформатора, использующий для действия контроль коэффициента трансформации тока нагрузки.
5. Использование специального фильтра выделения второй гармоники для обеспечения устойчивого функционирования дифференциальной защиты с торможением по 2-й гармонике в условиях отклонения частоты в энергосистеме от 50 Гц.
6. Способ ликвидации замедления действия чувствительной ступени дифференциальной защиты при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока КЗ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах и заседаниях кафедры АУЭС ИГЭУ, Иваново, 2003-2004 гг., на научно-технической конференции «ЛЭП-2003», а также на XXVI сессии семинара «Кибернетика электрических систем» ЮРГТУ (НПИ), 2004 г.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано и подготовлено к печати ряд печатных работ:
1. Антонов Д.Б., Аржанников Е.А., Марков М.Г. Исследование электромагнитных переходных процессов в сетях с однофазными силовыми трансформаторами // Вестник ИГЭУ. Вып.2., 2004 — с. 122-130.
2. Антонов Д.Б., Аржанников Е.А. Дифференциальная защита трех-обмоточного трансформатора «Сириус-ТЗ» // Новости электротехники № 1 (25), 2004 г.- с. 63.
3. Антонов Д.Б., Аржанников Б.А., Лукоянов В.Ю. Состав и структура комплекса защит трансформатора на базе микропроцессорных терминалов //Повышение эффективности работы энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 6 /Под ред. В.А. Шуина., А.В. Мошкарина, М.Ш. Мисриханова.-М.: Энерго-атомиздат, 2003- с.373-378.
4. Антонов Д.Б., Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю. Сборка токовых цепей дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора //Повышение эффективности работы энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 6 /Под
ред. В.А. Шуина, А.В. Мошкарина, М.Ш. Мисриханова.-М.: Энергоатомиз-дат,2003.-с.378-386.
5. Антонов Д.Б. Коррекция погрешности, вносимой в дифференциальную цепь защиты изменением положения устройства РПН силового трансформатора //XI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов.-М., 2005- с. 347-348.
6. Антонов Д.Б., Аржанников Е.А. Современная микропроцессорная защита силовых трансформаторов //Энергетика и промышленность России № 12(52),2004г.-с.9.
7. Антонов Д.Б., Аржанников Е.А., Марков М.Г. Исследование электромагнитных переходных процессов в сетях с трехфазными трансформаторами //Повышение эффективности работы энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 6 /Под ред. В.А. Шуина, А.В. Мошкарина, М.Ш. Мисриханова- М.: Энерго-атомиздат, 2003- с.185-192.
8. Аржанников Е.А., Антонов Д.Б., Аржанникова А.Е. Формирование токовых цепей дифференциальных защит трансформаторов, выполненных на основе микропроцессорных терминалов. //Повышение эффективности работы энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 6 /Под ред. В.А. Шуина, Мошкарина А.В., М.Ш. Мисриханова-М.: Энергоатомиздат, 2003-с.367-373.
9. Аганичев К.С., Антонов Д.Б., Лукоянов В.Ю. Принципы организации логической защиты шин на микропроцессорных терминалах. //Повышение эффективности работы энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 6 /Под ред. В.А. Шуина, А.В. Мошкарина, М.Ш. Мисриханова- М.: Энергоатомиздат, 2004- с.386-395.
10. Аржанников Е.А., Антонов Д.Б. Цифровая сборка токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.— 2005- Приложение № 1- с. 40-45.
11. Антонов Д.Б., Аржанников Е.А., Марков М.Г. Моделирование бросков тока намагничивания в силовых трехфазных трансформаторах //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2005- Приложение № 1 - с. 45-48.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 80 наименования. Основной текст раскрыт на 142 стр. Содержится 68 иллюстраций.
Комплекс микропроцессорных терминалов для защиты, автоматики и управления подстанции средней мощности
При рассмотрении комплекса было учтено, что фирма «Радиус» уже достаточно долго выпускает терминалы защиты-автоматики линий 6-10 кВ типа «Сириус-Л», терминалы защиты-автоматики секционных выключателей секций шин НН или СН типа «Сириус-С», терминалы защиты автоматики для выключателей ввода в РУ НН или СН типа «Сириус-В». Перечисленные терминалы обеспечивают защиту, управление и АПВ выключателей отходящих присоединений 6-35 кВ, логическую защиту шин НН или СН, УРОВ на указанных напряжениях и систему АПВ-АВР шин НН и СН. Для того чтобы оснастить своими устройствами всю двухтрансформаторную подстанцию средней мощности в ассортименте фирмы не хватает: — защит силовых трансформаторов; — терминала управления и автоматики выключателя стороны ВН силового трансформатора; — защит шин ВН, которые на понижающих подстанциях малой и средней мощности, как правило, и не требуются. Требуемый состав защит трансформаторов хорошо известен из [28]. Задача состоит в распределении защит по терминалам. При этом принципиально возможны два крайних случая: 1. Разработка отдельного относительно простого терминала на каждый вид защиты. 2. Объединение всех функций в одном терминале. Именно по второму пути пошла фирма ABB. Например, ее терминал RET 316 [24] может включать в себя модули: — дифференциальной токовой защиты с торможением для 2-х обмоточного трансформатора; — дифференциальной токовой защиты с торможением для 3-х обмоточного трансформатора; — дистанционной защиты; — защиты от замыканий на землю с независимой выдержкой времени; — защиты от замыканий на землю с обратнозависимой выдержкой времени; — защиты по частоте; — защиты по скорости изменения частоты; — МТЗ с независимой выдержкой времени; — быстродействующей МТЗ (отсечки); — МТЗ с обратнозависимой выдержкой времени; — защиты от перевозбуждения; — защиты от повышения напряжения; — защиты от замыканий на землю с торможением; — защиты от тепловой перегрузки; — защиты от понижения напряжения; — защиты по мощности. Многие из перечисленных защит, вероятно, обычные в западноевропейской практике. В нашей стране никогда не применялись и не перечислены в [28]. Типичный набор защит трансформатора средней мощности согласно [28] состоит из газовой и дифференциальной защит, которые считаются основными, и максимально-токовых защит, обычно с комбинированным пуском по напряжению, выполняющих функцию основной защиты шин НН или СН и резервной защиты трансформатора. Дополнительно для сигнализации перегрузки устанавливаются МТЗ упрощенного выполнения. Особой необходимости в остальных защитах из числа перечисленных выше нет. Следует отметить два важных фактора: 1. сложный терминал фирмы ABB имеет высокую стоимость; 2. отдельные модули сложного терминала не являются полностью независимыми. Они связаны и по оперативному питанию, и по выходным цепям. В сущности, они реализую принцип дальнего, а не ближнего резервирования [35]. Анализ проектной документации по системе РЗА вновь проектируемых подстанций сверхвысокого напряжения (330-500кВ) показывает, что работники проектных организаций, следуя отечественной практике, обычно предусматривают полноценное ближнее резервирование защит, то есть на каждую линию, на каждый трансформатор, систему шин ставится по два одинаковых сложных терминала фирмы ABB, работающих параллельно. Очевидно, причиной являются сомнения в 100% надежности терминалов и сомнения в возможности обеспечить 100% надежность цепей оперативного питания терминалов, а также и измерительных трансформаторов тока и их вторичных цепей. Подобная практика приводит к резкому удорожанию системы РЗА, ее неоправданной сложности, что, по отечественным представлениям [35], должно привести к снижению надежности функционирования. Учитывая подобную практику и крайнюю желательность не очень дорогого ближнего резервирования, фирма «Радиус» приняла решение о разработке для оснащения подстанций средней мощности следующих микропроцессорных терминалов: 1. терминал дифференциальной и максимально-токовой защит двухобмо-точного трансформатора (фирменное название «Сириус-Т»); 2. терминал дифференциальной и максимально-токовой защит трехобмо-точного трансформатора (фирменное название «Сириус-ТЗ»); 3. терминал управления выключателем ВН и резервных защит трансформатора (фирменное название «Сириус-УВ»). Первоначально полагалось, что терминалы «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ» будут разрабатываться для понижающих трансформаторов. Однако в процессе разработки область применения устройства «Сириус-Т» была расширена на трансформаторы и с односторонним, и с двусторонним питанием. Область применения «Сириуса-ТЗ» была расширена на трансформаторы и автотрансформаторы с многосторонним питанием. Учитывая схожесть состава ре 21 зервных защит трансформатора и состава защит линий 35и110кВс односторонним питанием, область применения терминала «Сириус-УВ» была расширена до управления выключателем, защиты и АПВ тупиковой линии, отходящей от шин ВН. В итоге предполагаемая структура состава терминалов двухтрансфор-маторной подстанции средней мощности с высшим напряжением 35-110 кВ приобрела вид, показанный на рисунке 1.1. Описанию разработки перечисленных терминалов и посвящена данная работа.
Распределение функций между процессорами, входящими в систему устройства
В соответствии с требованиями [28], максимальная токовая защита, установленная на стороне высшего напряжения трансформатора с односторонним питанием, должна быть выполнена с реле, присоединенными к трансформаторам тока, соединенным в треугольник, в целях предотвращения не- селективного действия ее при замыканиях на землю в сети 110-220 кВ (для случая, когда нейтраль трансформатора заземлена). Очевидно, что сборка в треугольник необходима для обеспечения отстройки от токов нулевой последовательности, протекающих через нейтраль трансформатора.
Разрабатываемое микропроцессорное устройство резервной защиты трансформатора содержит две ступени максимальной токовой защиты высшей стороны силового трансформатора. Возникает проблема отстройки от токов нулевой последовательности.
Подключение микропроцессорного устройства к токовым цепям, собранным в стандартный электрический треугольник, не приемлемо по ряду причин: — соединение в электрический треугольник вызывает увеличение расчетной нагрузки ТТ в три раза [1]; — значительно усложняется проверка и наладка прибора, т.к. нет возможности просматривать реальные фазные величины и векторные диаграммы, построенные на их основе; — невозможно применять алгоритм восстановления синусоиды при насыщении ТТ; — нет данных для функционирования токовой защиты нулевой последовательности при расчете тока 310 из фазных величин; — нет данных для функционирования защиты от обрыва фаз. Некоторые из недостающих параметров можно получить с помощью промежуточных расчетов, но это вызовет значительное усложнение применяемых алгоритмов и увеличение погрешностей расчетов выше допустимого предела. Одним из вариантов решения проблемы недействия МТЗ при внешних замыканиях на землю является исключение тока нулевой последовательности из всех фазных токов. Программно это несложно обеспечить. В частности, так делают некоторые зарубежные производители. Но при более близком рассмотрении, оказывается, что фирмы-производители рекомендуют использовать исключение нулевой последовательности только в тех случаях, когда трансформатор связывает две сети с заземленной нейтралью, например, на силовых трансформаторах Ynyn [23]. Такие трансформаторы в отечественной электроэнергетике не применяются, опыта эксплуатации защит с исключением токов нулевой последовательности у нас нет. Поэтому было решено пойти по другому пути. Предлагается использовать классическую сборку в треугольник, но не электрическим способом (проводами), а внутри прибора в цифровом виде. Таким образом, обработка данных, получаемых с АЦП, осуществляется двумя путями: — обычная цифровая фильтрация фазных величин — для реализации всех функций устройства, кроме МТЗ; — цифровая сборка в треугольник (для исключения токов нулевой последовательности) - для реализации МТЗ. Предусматривается использование разрабатываемого устройства защиты в сетях как с заземленной нейтралью, так и с изолированной. Причем электрическое соединение измерительных ТТ при выбранном методе отстройки от токов нулевой последовательности выполняется всегда в звезду. Возможны два варианта настройки устройства с помощью программного переключателя: — Звезда. Используется в сетях с незаземленной или компенсированной нейтралью (35 кВ). Сборка МТЗ в треугольник не производится, нулевая последовательность не устраняется. МТЗ действует стандартно, реагируя на величины фазных токов. Такая сборка соответствует стандартному подключению МТЗ на звезду. — Треугольник. Используется в сетях с глухозаземленной нейтралью (110 кВ и выше). Производится цифровая сборка подводимых фазных токов в треугольник. Величины токов на выходе треугольника в нормальном режиме в V3 раз превышают фазные токи, что соответствует стандартной электрической сборке в треугольник. Увеличение амплитуды токов после треугольника не компенсируется, что удобно для эксплуатационного персонала станций и подстанций (нет необходимости пересчитывать уставки). В этом режиме уставки МТЗ выставляются в V3 раз выше, чем при подключении на звезду. 1. Разработана специализированная аппаратная платформа (АП), на основе которой будут создаваться современные микропроцессорные терминалы защит. В их число входят устройства, разработанные в рамках данной работы - устройство основной защиты двухобмоточного трансформатора «Сириус-Т», устройство основной защиты трехобмоточного трансформатора «Сириус-ТЗ» и устройство управления высоковольтным выключателем и резервных защит трансформатора «Сириус-УВ». 2. Разработаны и реализованы в виде программы для специализированной АП алгоритмы функционирования устройства управления высоковольтным выключателем и резервных защит трансформатора «Сириус-УВ». Использование современной микропроцессорной базы позволило не только заменить стандартные электромеханические или микроэлектронные панели автоматики управления выключателем и резервных защит, устанавливаемых на силовых трансформаторах, но и значительно расширить функциональные возможности. 3. Реализован способ отстройки максимальной токовой защиты, входящей в состав микропроцессорного терминала, от токов нулевой последовательности при установке защиты на стороне высшего напряжения трансформатора с односторонним питанием и заземленной нейтралью. Это необходимо для предотвращения неселективного действия МТЗ при замыканиях на землю в сети 110-220 кВ.
Подключение второго трансформатора параллельно работающему
Однако при расчете были взяты самые жесткие условия. В общем случае броски будут меньше и зависят от: момента возникновения КЗ (определяет величину остаточной индукции в сердечнике); близости КЗ (остаточного напряжения на трансформаторе) - определяет переменную составляющую остаточной индукции; момента отключения КЗ (бросок максимален, если в момент отключения КЗ ЭДС проходит через нулевое мгновенное значение). Влияние броска после отключения КЗ на дифзащиту такое же, как и влияние броска при включении на холостой ход: отсечка должна отстраиваться от тока броска уставкой, чувствительная ступень должна блокироваться по содержанию второй гармоники в дифференциальном токе. Это содержание довольно значительно (порядка 80%), что показано на рис.3.12. Рассматривается режим, когда защищаемый трансформатор уже работает в режиме холостого хода, а параллельно ему подключается второй трансформатор. В обмотке подключаемого трансформатора появляется бросок тока намагничивания. По мере его затухания в обмотке защищаемого трансформатора появляется «ответный» бросок, существующий довольно долго.
Схема замещения для расчета данного режима представлена на рис.3.13. На рисунке защищаемый трансформатор представлен элементами R\, L\, R20, Хці, вновь включаемый трансформатор представлен элементами R2, L2, R30, Lp2- Сопротивление R5Q имеет большую величину и предназначено для удобства записи дифференциальных уравнений.
Программа, реализующая расчеты по приведенным уравнениям, дана в приложении П4. Пример результатов расчета по дан на рисунке 3.14. На нем пунктирные линии соответствуют броску тока намагничивания вновь подключаемого трансформатора (подключение происходит в момент f=0,05 с), сплошные линии - ответный бросок в уже давно включенном на холостой ход трансформаторе. Масштабы токов различаются в 30 раз. Видно, как постепенно нарастает ток ответного броска вместе с затуханием тока в подключаемом трансформаторе.
Форма тока ответного броска в принципе такая же, как и при броске при постановке под напряжение. В рассмотренном на рис. 3.14 примере содержание первой гармоники равно 0,21 от амплитуды максимального броска, содержание второй гармоники равно 0,76 от содержания первой. Сам ток ответного броска примерно в 10 раз меньше тока броска в подключаемом трансформаторе. Однако в [14] утверждается, что амплитудное значение тока ответного броска может достигать до действующего значения номинального тока трансформатора.
Объяснить ответный бросок можно следующим образом. На рис. 3.15 представлена весьма упрощенная схема, на которой элементы Rc и Lc соответствуют сопротивлению системы, элементы RT и Lj - сопротивлению вновь подключаемого трансформатора.
К шинам т подключен еще один трансформатор, сопротивление которого считаем значительно большим, чем у подключаемого. После замыкания рубильника в определенный момент от системы пойдет ток со значительным содержанием апериодической составляющей. Однако известно, что в напряжении точки т апериодическая составляющая будет отсутствовать, если Rc/Lc= RJ/LJ. Соответственно и ответного броска не будет. Однако обычно в электрических сетях Rc /Lc много больше, чем RJ/LJ. Следовательно, в напряжении точки т будет апериодическая составляющая, а в трансформаторе возникнет апериодический ток и апериодическая составляющая магнитного потока. Это и обусловит обратный бросок.
Весьма важным для алгоритмического обеспечения устройств защиты является тот факт, что в соответствии с рис. 3.14 бросок тока намагничивания может нарастать постепенно и может достигать тока срабатывания защит с уставками в 0,1 -0,3 от номинального тока трансформатора. То есть спад тока не является признаком БНТ.
Формирование токовых цепей дифференциальных защит двухобмоточных трансформаторов
Перечислим основные принципы, реализованные в терминалах дифференциальных защит трансформаторов: — дифференциально-токовый принцип выполнения защиты; — двухступенчатое выполнение защиты: чувствительная ступень с уставкой 0,3-0,5 от номинального тока трансформатора и ступень дифференциальной отсечки, реагирующая на действующее и мгновенное значение дифференциального тока; — отстройка чувствительной ступени от броска намагничивающего тока (БНТ) по относительному значению тока второй гармоники в дифференциальной цепи; — для уменьшения тока небаланса в дифференциальной цепи применен контроль текущего положения РПН по балансу токов нагрузки на различных сторонах силового трансформатора; — отстройка от токов небаланса при внешних КЗ с помощью процентного торможения от сквозного тока - ненаправленное торможение в терминале «Сириус-Т» и направленное торможение в терминале «Сириус-ТЗ». Более подробное описание всех перечисленных принципов дается ниже. При традиционном, на электромеханической элементной базе, выполнении дифференциальной защиты трансформатора для получения дифференциальных токов производится весьма сложная сборка токовых цепей соединением вторичных цепей трансформаторов тока либо в треугольник, либо в звезду [1]. В микропроцессорных терминалах для получения дифференциальных токов используются и измерительные трансформаторы тока, и так называемые цифровые трансформаторы тока, особенностью которых является то, что сборка производится в цифровой форме внутри самого устройства защиты.
Обмотки силового трансформатора могут быть собраны по одной из двенадцати групп (0...11). При этом группа определяется по углам между напряжениями, а не между токами. Например, на рис. 4.1 показан силовой трансформатор. Пусть он собран по схеме звезда-треугольник, и при положительных направлениях напряжений по рис. 4.1,а он определяется как трансформатор Ydll. Это значит, что напряжения стороны треугольника в симметричном режиме отстают от одноименных напряжений стороны звезда на 11x30=330 электрических градусов. Этот же трансформатор при взгляде «снизу» можно назвать трансформатором Dyl.
Если принять положительные направления токов по рис. 4.1,6, то трансформатор сохраняет по токам ту же группу, что и по напряжениям и остается трансформатором Ydll. Однако при положительных направлениях токов по рис. 4.1,в его следует признать по токам трансформатором Yd5. Чтобы избежать путаницы, во всех учебниках при рассмотрении дифференциальных защит принимают положительные направления токов по рис. 4.1,6, хотя принципиально именно для дифзащиты куда удобнее было бы принять положительные направления по рис. 4.1,в (все токи - в трансформатор). Именно для таких положительных направлений токов верен первый закон Кирхгофа, являющийся основой дифзащиты. Положительные направления по рис. 4.1,в позволили бы однозначно расширить правила сборки вторичных цепей на трех- и многообмоточные трансформаторы. Положительные направления по рис. 4.1 ,б не дают однозначный ответ при выборе направления третьего тока уже для трехобмоточного трансформатора с питанием со всех сторон. Однако, отдавая дань традиции, ниже анализ для двухобмоточных трансформаторов ведется именно для направлений токов по рис. 4.1,6.
Наиболее распространены два варианта сборки обмоток двухобмоточ-ного трансформатора: звезда-звезда и звезда-треугольник (сборка обмоток в зигзаг ниже не рассматривается, как не применяющаяся в российской электроэнергетике). Соответственно имеются только две основные группы соединения: YyO (рис. 4.2,а) и Ydl 1 (рис. 4.2,6). Все остальные группы получаются путем изменения полярности обмоток с одной стороны или путем циклической перестановки названий обмоток фаз. При изменении полярности группа меняется на 6 номеров (180 градусов). При перестановке названий группа меняется на 4 номера (120 градусов). Поэтому из 0 группы получаются 6 и все четные. Из 11 группы получаются 5 и все нечетные. Даже кажущаяся отличной от сборки рис. 4.2,6 сборка рис. 4.2,в после рассмотрения оказывается только вариантом изображения сборки 1 или 5 групп. Схема рис. 4.2,в полностью идентична схеме рис. 4.2,6, если сменить на последней полярности и переименовать фазы.
Сказанное верно не только для групп сборки силового трансформатора, но и для группы сборки трансформаторов тока (ТТ). Трансформаторы тока данной стороны можно собрать только двумя способами - в звезду или в треугольник. Конкретный номер группы (один из 12) повлияет только на дальнейшее соединение «проводов» в дифзащиту, а не на свойства трансформации при несимметричных замыканиях. Это является основой отмеченного в [1] свойства: «правильная фазировка схемы в симметричном режиме обеспечивает ее четкую работу и при других режимах (к.з.)». Принципиальной необходимости повторять во вторичных цепях схему сборки первичных обмоток нет - достаточно, чтобы у силового трансформатора Yd на одной стороне был собран треугольник, на другой - звезда и чтобы в нагрузочном режиме токи двух сторон циркулировали «в проводах» и не заходили в дифференциальную цепь.
Треугольник после измерительных ТТ можно собрать электрически (проводами), а можно внутри микропроцессорного устройства в цифровом виде. Очевидно, целесообразно собирать именно внутри устройства, ибо это не увеличивает расчетную нагрузку ТТ. Как указано в [1], "расчетная нагрузка ТТ, соединенных в треугольник, в 3 раза больше, чем в звезду".
В общем случае группы нескольких последовательно соединенных трансформаторов складываются (так как складываются вносимые трансформаторами угловые сдвиги).
