Содержание к диссертации
Введение
1 Защиты на герконах без трансформаторов тока 12
1.1 Релейная защита систем электроснабжения, использующая трансформаторы тока 12
1.2 Свойства герконов и других магниточувствительных элементов 21
1.3 Принципы построения дистанционных и дифференциальных токовых защит на герконах 30
1.4 Максимальная токовая защита на герконах и постановка задачи 35
1.5 Выводы 43
2 Совершенствование максимальных токовых защит на герконах 45
2.1 Определение оптимального положения геркона 45
2.1.1 О целесообразности расположения геркона в пространстве вне вертикальной плоскости 45
2.1.2 Повышение чувствительности максимальной токовой защиты к трехфазным коротким замыканиям 49
2.2 Разработка программного реле тока на герконах с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока 53
2.3 Конструкции для регулирования уставок защит на герконах 63
2.4 Выводы 70
3 Фильтры симметричных составляющих в релейной защите 71
3.1 Принципы построения фильтров симметричных составляющих, использующих трансформаторы тока г 71
3.2 Анализ фильтров симметричных составляющих на магниточувствительных элементах без трансформаторов тока 77
3.3 Разработка схем фильтров симметричных составляющих на катушках индуктивности при различном расположении фаз 83
3.3.1 Фильтры симметричных составляющих для электроустановок с треугольным расположением фаз 83
3.3.2 Фильтры симметричных составляющих для электроустановок с горизонтальным расположением фаз 93
3.4 Выводы 101
4 Построение фильтров симметричных составляющих на герконах 103
4.1 Фильтры симметричных составляющих на герконе и катушке индуктивности при горизонтальном расположении фаз 103
4.2 Фильтры тока нулевой последовательности для электроустановок с различными конфигурациями токопроводов фаз 113
4.3 Сравнение по чувствительности защит на разработанных фильтрах с традиционными 117
4.4 Выводы 129
Заключение 131
Библиографический список использованной
- Свойства герконов и других магниточувствительных элементов
- Повышение чувствительности максимальной токовой защиты к трехфазным коротким замыканиям
- Разработка схем фильтров симметричных составляющих на катушках индуктивности при различном расположении фаз
- Фильтры тока нулевой последовательности для электроустановок с различными конфигурациями токопроводов фаз
Введение к работе
Актуальность темы. Международная конференция по большим энергетическим системам (CIGRE) считает задачу построения релейной защиты без трансформаторов тока (ТА) весьма актуальной [1] из-за их больших погрешностей в переходных режимах, металлоемкости и необходимости для повышения надежности резервировать защиты и ТА другими устройствами, выполняющими те же функции. Одним из направлений решения этой задачи является построение релейной защиты на магниточувствительных элементах. Были начаты работы по созданию защит на катушках индуктивности (И.М. Сирота, В.Е. Казанский, В.М. Шурин и др.), датчиках Холла (Э.А. Меерович, Л.А. Назаров и др.) и герконах (М.Я. Клецель, В.В. Гуревич и др.), позднее на магнитотранзисторах (В.Н. Нуждин, В.Н. Гречухин, К.С. Дмитриев и др.). Какой из этих или других вариантов окажется предпочтительней будет ясно только после окончания работ и опыта эксплуатации, причем многое будет зависеть от параметров защищаемой электроустановки.
Для построения защит электроустановок напряжением от 3 до 110 кВ нами выбраны герконы и катушки индуктивности (КИ). Герконы в сравнении с другими магниточувствительными элементами обладают важными для релейной защиты преимуществами: не требуют усилителей для передачи сигнала, и сама передача осуществляется по цепям управления, а не измерительным, могут одновременно выполнять функции аналого-дискретного преобразователя, измерительного преобразователя и реагирующего элемента, как и КИ, не нуждаются в устройствах компенсации влияния температуры, позволяют разделить первичные и вторичные цепи, а КИ еще и передавать информацию о токе без искажений.
На герконах уже разработаны максимальные токовые защиты (МТЗ) с независимой от тока выдержкой времени и принципы построения дистанционных и дифференциальных защит, использующих и КИ. Однако, эти МТЗ в ряде случаев не удовлетворяют требованиям чувствительности, а
аналоги традиционных, более совершенных, чем упомянутые МТЗ, токовых защит с зависимой выдержкой времени и с фильтрами симметричных составляющих, выполненных на герконах и катушках индуктивности, не предлагались.
В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования является релейная защита без трансформаторов тока.
Предмет исследования: разработка токовых защит на герконах, обладающих более высокой чувствительностью, чем известные.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями исследовательского комитета В 5 «Релейная защита и автоматика» CIGRE, с научной целевой комплексной темой ФГОУ ВПО «НГАВТ» (Гос. регистр №0188.0004137), раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств в региональных электроэнергетических системах», с основными направлениями научных исследований этой академии на 2007-2010гг. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэлектроснабжения объектов России»).
Цель работы - разработка токовой защиты повышенной чувствительности на герконах.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-разработка методики определения координат геркона, обеспечивающих максимальную чувствительность МТЗ;
-построение токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах и конструкций для их крепления;
-создание фильтров симметричных составляющих на катушках индуктивности для электроустановок с горизонтальным и треугольным расположениями фаз;
- разработка фильтров симметричных составляющих на герконах и оценка
чувствительности токовых защит, выполненных на их основе.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, релейной защиты, схемотехники. Проводилось математическое, компьютерное и физическое моделирование. Вычисления выполнены в среде Mathematica 5.0.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются выбранными методами исследования, принятыми допущениями, объёмом выполненных исследований, практической реализацией разработанного устройства, полученными 5 патентами (1 — Российской Федерации и 4 - Республики Казахстан).
Научная новизна:
- на основе измерения времени замкнутого состояния геркона разработано
и запатентовано устройство токовой защиты с зависимой характеристикой;
-созданы фильтры симметричных составляющих (ФСС) на герконах, не нуждающиеся в трансформаторах тока, и получены формулы для определения уставок защит, которые могут быть построены на их основе;
-разработан метод расчета индукции небаланса на выходе фильтровой защиты на герконах и ее тока срабатывания;
- оценено влияние соседней электроустановки и погрешностей крепления
герконов и КИ на чувствительность защиты.
Практическая ценность работы:
- разработанные токовая защита с зависимой выдержкой времени и ФСС
не используют трансформаторы тока, что дает значительный экономический
эффект;
-токовые защиты на предложенных ФСС обладают лучшей чувствительностью, чем МТЗ с трансформаторами тока и герконами;
- предлагаемая методика позволяет повысить чувствительность МТЗ на
герконах к трехфазным коротким замыканиям (КЗ);
- защиты на разработанных ФСС могут применяться для электроустановок
как с горизонтальным, так и с треугольным расположением фаз;
-разработанное устройство для крепления герконов обеспечивает возможность регулирования параметров ФСС на токопроводах с треугольным расположением фаз.
Научные положения, выносимые на защиту:
методика повышения чувствительности МТЗ на герконах;
ФСС на герконах и катушках индуктивности и результаты их исследования;
токовая защита на герконах с зависимой выдержкой времени;
метод расчёта уставок защит на предлагаемых ФСС.
Реализация результатов работы. Разработанное устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока на герконах внедрено в системе электроснабжения насосной станции ТОО "Павлодар-водоканал" (г.Павлодар, Казахстан). Годовой экономический эффект от внедрения составляет около 10000 рублей. Срок окупаемости - менее 3 лет.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г.Москва, 2008г.), XII международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты" (Украина, г.Алушта, 2008г.), XIII всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г.Томск, 2007г.), на трех международных научных конференциях молодых учёных, студентов и школьников "III Сатпаевские чтения", "VII Сатпаевские чтения" и "VIII Сатпаевские чтения" (Казахстан, г.Павлодар, 2003г., 2007г., 2008г.), международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (г.Новосибирск, 2009г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление»
Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (Казахстан, г.Павлодар, 2008г.), кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2009г.), заседании постоянно действующего научно-технического семинара кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» ФГОУ ВПО «НГАВТ» (г.Новосибирск, 2009г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 статьи из перечня ВАК РФ, 5 патентов и 11 статей в научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.
Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны и получены автором самостоятельно.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста. Содержит 47 рисунков, 5 таблиц, список использованных источников из 84 наименований и 13 приложений.
Свойства герконов и других магниточувствительных элементов
В нормальном режиме пластины разомкнуты и цепь управления разорвана. Ток в проводнике 3 по закону Био-Савара-Лапласа вызывает магнитный поток, проходящий по пластинам. Он создает электромагнитную силу, стремящуюся притянуть пластины друг к другу. Пластины смыкаются и замыкают контакты, если электромагнитная сила превышает механические силы упругости пластины. Согласно вышеупомянутого закона, индукция Вср, при которой МК срабатывает, вычисляется по формуле [30] ср "о 2ж lnh где g - коэффициент, характеризующий геометрическое расположение геркона относительно проводника с током; 1СР — минимальный ток в проводнике, при котором МК срабатывает; /л0 — магнитная постоянная, /л АжЛОГ1 Тв.1м; h — расстояние от проводника до геркона по вертикали; а - угол между продольной осью геркона и вектором индукции МП в точке его расположения.
Геркон имеет малые размеры, его длина 1=20...80мм, диаметр стеклянной колбы D=3.. .6мм, а зазор между пластинами — десятые доли миллиметра. Герконы широко применяются в коммутационных изделиях [21-27]. В первую очередь, это связано с широким спектром преимуществ, которые они предоставляют для разработчиков: благодаря полностью герметичному контакту герконы могут применяться в условиях повышенной влажности и запыленности; широкий диапазон рабочих температур (-60С.. .+150С); высокое быстродействие; малая потребляемая мощность, от 50 до 200мВт; полная гальваническая развязка цепей управления и нагрузок; низкое сопротивление; высокая механическая износостойкость; долгий срок службы, от 10б срабатываний и выше. Использование герконов в РЗ имеет некоторые особенности [28, 30-32].
В электроустановках переменного тока МК при срабатывании замыкает свои контакты с частотой 100 Гц, поэтому, чтобы получить на выходе реле непрерывный сигнал, применяют типовые схемы расширителей импульсов.
Как известно, каждый геркон характеризуется намагничивающей силой срабатывания Fqp и отпадания Fom- В паспортных данных МК, предоставляемых заводами изготовителями, указываются диапазоны FCp и Form которые для РЗ не могут быть использованы, так как слишком широки. Как показали опыты [31], FCp геркона изменяется в зависимости от параметров катушки, в которой она измеряется, а напряженность НСр МП, при которой МК срабатывает и напряженность Нв МП, при которой он возвращается, остаются величинами постоянными для данной кратности управляющего МП. Эта кратность К при использовании геркона в качестве токового реле может достигать 150. Так как у дифференциальных защит ток срабатывания достигает сз=0?5/яэ свойства МК исследовались при Х=1-К300. Опыты показали, что с увеличением К время tcp срабатывания МК уменьшается (рисунок 6): при 1 Х 1,4 Гст=6-н2мс, при А 1,5 tCp l,5MC.
Для токовых реле ср бмс считается вполне достаточным. При построении защит на принципе сравнения фаз эта зависимость tcp=J{K) должна быть учтена обязательно, так как она определяет погрешности при формировании сравниваемых сигналов (осуществляется по моменту размыкания или замыкания контактов геркона). Их предельное значение может достигать 90 , реально 3(Ь-35 [31]. В настоящее время проводятся исследования по нахождению этой погрешности и способы ее учета при построении защит.
При повышенных К наблюдались отклонения параметров МК после испытаний от параметров до испытаний. Однако, они начинались лишь после повторения указанных режимов более 150 раз, что соответствует ресурсу срабатывания. При определенных К были случаи залипання некоторых герконов. Поэтому перед установкой в эксплуатацию требуется испытать МК при максимально возможных К для защищаемой электроустановки. При выявлении залипання МК в процессе настройки защиты геркон заменяется.
Время дребезга ґдР при построении устройств РЗ особого значения не имеет, поскольку время от первого замыкания до отскока ґі 30-Ч50мкс, что вполне достаточно для запоминания срабатывания с помощью элемента «Память». Тем не менее, при построении быстродействующих защит необходимо повышать помехоустойчивость этого элемента.
Контакты герконов колеблются под действием МП и при нормальной работе защищаемой электроустановки (хотя цепь не замыкается), что может вызвать усталостные явления (а значит и изменение чувствительности) и снижает виброустойчивость устройств. Для исключения последствий колебания контактов в течение, например, 10 лет непрерывной работы МК до его замены, он должен иметь (считая, что срабатывает каждую полуволну переменного тока, т.е. за год 3,2-Ю9) ресурс срабатывания Рср—3,2 №ї0 [32], что значительно меньше предела (10 [2]) ресурса срабатывания некоторых ртутных МК. Таким образом, если менять МК каждые два года, то, как показано в [31], можно использовать обычные МК с РСр=Ю . При использовании геркона КЭМ-1 с Рср=Ю8, срок до замены составляет 4 года (за это время их параметры под воздействием управляющего МП с напряжённостью Ну=0,85Нср практически не изменяются).
Повышение чувствительности максимальной токовой защиты к трехфазным коротким замыканиям
Как известно [2], повышение чувствительности МТЗ обеспечивается уменьшением тока Ісз срабатывания защиты. Так как максимальная чувствительность определяется минимумом функции тока в (1.10), то задача ее повышения заключается в нахождении таких х, у и напряженности Нср, которые обеспечивают минимальный Ісз.мин- В [30,33] даны координаты , при которых геркон обладает максимальной чувствительностью к і6х\ і6хл и Кр\ Нами предложена методика выбора координат геркона МТЗ, обеспечивающая максимальную чувствительность кКР [48,49]. Рассмотрим ее. Ток срабатывания МТЗ на МК, реагирующей на К?\ представим аналогично (1.10) при Ag=G в виде Л:з= котс- н (г-з+ п Т, ) (2-4) где п — кратность тока КЗ в соседней линии и земле, m — коэффициент, учитывающий, что магнитную помеху создает не весь ток КЗ в заземляющем устройстве, а только его часть.
Нахождение минимума Ісз в (2.4) общепринятыми методами (путем приравнивания частных производных к нулю) не представляется возможным ввиду сложности полученного выражения (уравнение 8 степени). Поэтому в приложении Mathematica 5.0 была разработана программа, которая при заданных значениях h, d, D, кз, Ін и п путем перебора всех возможных сочетаний расстояния х и угла у определяет координаты МК х и у, обеспечивающие минимальный Ісз- Возможно и использование графического способа отыскания минимума. На рисунке 15 показаны зависимости 1 сз=1съ,1н от х при углах 0, 30, 60, 90, 120, 150 для ЭУ ЮкВ с =0,24. Легко видеть, что 1СЗ минимален в точках с координатами х=0,24, у=0 и х=0, у=0 . ІСЗ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г 0 0.04- 0.08 0.12 0.16 0.2 0.2А- 0.28 0.32 0.36 0Л 0.4А- 0.48 Рисунок 15 — Графики функции Ic3 - f(x) для различных у Для упрощения определения минимума 1СЗ на рисунке 16 представлены графики зависимости I C3 = f(x) при у=0 и различных значениях кзпп,а. также графики I C3 = f(ri) при фиксированных кз и координатах установки МК у=0, х=0,24м.
По найденным координатам и минимальному 1Сз определяется расчетная напряженность НСР.РАСЧ срабатывания герконаНСРРАСЧ =IC3G. Для того, чтобы МК не срабатывал под действием помех (при самозапуске, КЗ в соседней ЭУ и в земле), выбираем его с ближайшей наибольшей относительно котсНср.рлсч напряженностью НСР срабатывания, то есть Ґ1ср — оТС СР,РАСЧ (2.5) где котс=\,Ъ - коэффициент отстройки, учитывающий неточность измерения НСр, погрешности расчета и установки геркона. Далее по HQP выбранного геркона уточняем ток Ісзі его срабатывания при выбранных координатах: СЗ\ СР 7 Чтобы судить о том, можно ли применять токовые защиты ЭУ, должно выполняться условие [2,3]: Ч Ю,МИН С31 — 1 " где IJWJH минимальный ток трехфазного КЗ в конце защищаемой линии. Следует отметить, что выбранный таким образом геркон может реагировать на двухфазные и однофазные токи КЗ.
Пример. В качестве примера рассмотрим установку геркона для указанной выше линии (рисунок 12) напряжением 10 кВ. Геркон должен обладать максимальной чувствительностью к трехфазным КЗ.
Ток короткого замыкания на землю в максимальном режиме на шинах, от которых питается линия Л2 (рисунок 12), юмлкс ОООА . Учитывая, что номинальный ток ЭУ /Я=80А, определяем п = І шкс н = 4000/80 = 50.
По рисунку 16 отыскиваем минимум 1 сз при п=50 и заданном коэффициенте запуска kf=5. Для этого выбираем зависимость при kf=5. Из точки «=50 восстанавливаем перпендикуляр к оси п до пересечения с этим графиком (точка М). Из М опускаем перпендикуляр на ось I C3. Определяем х=0,24, у=0, 1 сз = 6,9, тогда 1СЗ = ҐСЗІН = 6,9 80 = 552А.
Принцип построения программного реле тока на герконах с зависимой выдержкой времени основан на измерении времени At между моментами замыкания и размыкания контактов геркона, предварительно установленного так, чтобы он замыкался (рисунок 17) при токе IQP В проводнике и размыкался при токе Іотп- По ІСр, Іотп и Л? определяется амплитуда 1т измеряемого тока по формуле [50,51]
Первый основан на вычислении 1т по (2.6). Для учета tCP после вычисления Ґт1 по (2.6) при A t[ находим кратность l mXIICP , и по экспериментальной зависимости tcp=f(Im/Icp) , снятой в лабораторных условиях с помощью катушки индуктивности, в которую помещается испытуемый геркон, определяется соответствующее время t CPX. Вычисления повторяются для At2=At[+t CPl. Установлено, что для точного определения Ґт их число должно быть не менее восьми, то есть l m = l m%. Такие вычисления проводятся для различных At и находится зависимость Im=f(At). Пример применения этого способа рассмотрен в Приложении А.
Второй способ, разработанный совместно с А.С. Стинским, основан на пропускании переменного тока с амплитудой I по испытательной катушке, вдоль продольной оси которой помещен геркон, и измерении времени At. При этом 1% ІР , где ІР — мгновенный ток в катушке, при котором геркон срабатывает (его величина не зависит от амплитуды). Учитывая, что амплитуда Нт напряженности МП, действующая на геркон 1 (рисунок 18), установленный на безопасном расстоянии от шин и настроенный так, чтобы реагировать на ток в фазе А [33], Hm=Im(gA-gB) , а в катушке индуктивности [30] Hkm=2nIKmWKllK, имеем где WK и 1К — число витков и длина испытательной катушки. 1т определяется для различных At и сроится зависимость Im=f(At). Предлагаемое реле должно обеспечивать tB=f{Im), где tB - выдержка времени реле. Сравнивая эти функции, легко получить tB = f(At). Последняя зависимость используется при построении предлагаемого реле в виде Nt=f(Ni), где Nt = vttB , Ni=vtAt , выраженные в двоичном коде, v,-(vr) - частота генератора 5 на первом (втором) выходе.
Разработка схем фильтров симметричных составляющих на катушках индуктивности при различном расположении фаз
Предлагается строить ФСС для электроустановок 6- -35кВ на двух КИ (для 110 кВ - на трех), выделяя все симметричные составляющие с помощью одних и тех же КИ за счет их специального расположения вблизи токопроводов фаз. Разработанная схема ФСС [65-68] представлена на рисунке 37, где КИ 1, 2 и 3 закрепляются в вертикальной плоскости около шин электроустановки фаз А, В и С так, что продольная ось КИ 1 совпадает с биссектрисой угла между линиями, соединяющими фазу А с фазой С и фазу С с фазой В; продольная ось КИ 2-е биссектрисой угла между линиями, соединяющими фазу В с фазой А и фазу А с фазой С; продольная ось КИ 3 перпендикулярна биссектрисе угла между линиями, соединяющими фазу А с фазой С и фазу С с фазой В, а ее центр тяжести удален от фазы С на расстояние 2d/\l3 , где d - расстояние между токопроводами. Положение КИ определяется расстояниями х\, 3 з от вертикали, проходящей через центр тяжести токопровода фазы А, до центров тяжести КИ 1, 2, 3, соответственно; расстояниями h\, h2, къ от горизонтали /, проходящей через центр тяжести токопровода фазы С, до центров тяжести КИ 1, 2, 3; углами уь у2, уз между горизонталью / и продольными осями КИ 1, 2, 3. Обмотки КИ (рисунок 37) подключены к усилителям У\, У2, УЗ (необходимы из-за малых величин ЭДС, наводимых в КИ), выходы усилителей УІ, У2 — к первичным обмоткам трансформаторов Тр\, Тр2.
Реагирующие элементы РЭи РЭ2, фиксирующие появление токов прямой /(і) и обратной 1(2) последовательностей, через соответствующие сопротивления R2, R3, R4, R5 и фазоповоротные схемы ФПС\, ФПС2 соединены с двумя парами вторичных обмоток Tpl, Тр2, а реагирующий элемент РЭ0, фиксирующий появление тока нулевой 1(0) последовательности, соединен с выходом усилителя УЗ через сопротивление Rl. Rp3\, Rp3i и RP3Q — сопротивления соответствующих РЭ.
Для построения ФСС обычно используются комбинации токов, пропорциональных сумме или разности токов фаз [69]. Покажем, что получить такие комбинации можно, если в КИ 1, 2 и 3 индуцируются, соответственно, эдс Екх = К[{Ц -Ь), ЕК2 = К Ц, -) и Екз = КЦЪ + /,+), где К[, К г, К ъ - коэффициенты пропорциональности. Как известно, ЭДС на концах обмотки КИ создается индукцией Впр , действующей вдоль ее продольной оси.
В соответствии с законом Био-Савара-Лапласа в данном случае для КИ 1 (аналогично записываются формулы и для КИ 2, 3) ВПР = МО(8Л1А + Zsh + ШСІСУ ТГ = AI2n, (3.1) где Ід (ТдИ Lj) - ток в фазе А (В и Q; ju0 - магнитная проницаемость воздуха; SA (SB И SC) коэффициенты, характеризующие влияние тока фазы А (В и С) на КИ 1, например, К1 _ хх smyl-(hx-yl3 d/2)cosyx кі_іхі - /2) sin ft-/ cos ft . . A " ft-Jbdny+jf ,gc " {b-dliy+ti K } Индексами Kl (K2 и КЗ) обозначаются параметры КИ 1 (2 и 3). Из (3.1) следует: чтобы на КИ 1, 2 и 3 действовало МП, пропорциональное, соответственно, разности токов фаз А и В, разности токов фаз В и С и сумме токов фаз А, В и С, необходимо выполнение следующих условий Поток вектора магнитной индукции B l через площадь S, поперечного сечения КИ 1 есть магнитный поток ФК1 = \B_nldS . В КИ 1 поток ФК1 наводит ЭДС is 1, сдвинутую на угол 7г/2 относительно ФК1 Em=Klgf (1,-1,), (3.5) где Кх = /jfflSAfe J% , Wx — количество витков КИ 1,/— частота промышленного тока. EKl усиливается усилителем У\ и на выходе Тр\ создает токи 1± , L, (рисунок 37), которые регулируются по амплитуде изменением коэффициента Кух усиления усилителя У1 и резисторами Il=EKlKyi/(R2+RP32), (3.6) где (R2+Rp32) - сопротивление выходной цепи трансформатора Tpl, состоящее из сопротивления R , включающего в себя добавочное сопротивление, сопротивление соединительных проводов и вторичной обмотки трансформатора Tpl, и сопротивления Rp32 реагирующего элемента. Также определяются токи 1 , 1_3, Ц , /рЭ0 и показывается их пропорциональность разностям и сумме токов соответствующих фаз. Аналогично (3.5), ЭДС, индуцируемые в КИ 2 и 3, равны (для упрощения расчетов и изготовления параметры обмоток КИ приняты одинаковыми) ЕК2=К1ёкв\1, -Ь) и Екз =K,gf (1,+1, +). (3.7)
Координаты установки КИ 1, обеспечивающие (3.5) и (3.6), находим, рассматривая соответствующие равенства в (3.3) как систему уравнений относительно xi, hi и уь Например, для электроустановки 35кВ (по [70-72] J=1,01M) XI=0,505M, /ZI=1,75M, уі=90. Отметим, что каждая система уравнений в (3.3) имеет множество решений (Приложение Г), поскольку содержит три неизвестных, и одну из координат можно выбирать исходя из соображений удобства расположения КИ и чувствительности токовых защит, выполненных на основе разработанных фильтров. Аналогично находятся координаты для КИ 2иЗ.
Как показал анализ схемы, для более простой отстройки фильтров напряжения на вторичных обмотках Tpl, Тр2 должны быть равными. Для этого необходимо, чтобы количество витков их первичных и вторичных обмоток быть одинаковым и выполнялось равенство КУ2 =Kyig 4 g%2, где КУ1 и КУ2 коэффициенты усиления первого и второго усилителей, соответственно (коэффициент КУЗ усиления третьего усилителя выбирается в зависимости от чувствительности реагирующего элемента РЭо). Соотношения токов, протекающих по вторичным обмоткам, обусловлены мощностью, передаваемой через трансформаторы, то есть ШКІКуіІі + ЕК ку\к = Ш XKy\l\ , где І " - ток в первичной обмотке Tpl. Аналогично для трансформатора Тр2. Усилитель УЗ, резистор R1, реагирующий элемент РЭ0 образуют фильтр тока нулевой последовательности. Действительно, учитывая (3.7), ЭДС Екъ создает в РЭ0 ток г _ КузКіел с т ,т , т -\ — Куз±±\л о Г К1 + КРЭ0 К\ + КРЭ0 то есть 1РЭ0 пропорционален току Ъ1щ нулевой последовательности.
Фильтры тока нулевой последовательности для электроустановок с различными конфигурациями токопроводов фаз
Как было показано в предыдущем параграфе, устройство (рисунок 40) способно выполнять функции ФТНП для ЭУ с горизонтальным расположением фаз. С целью определения возможностей повышения чувствительности за счет усложнения, путем увеличения количества используемых КИ, рассмотрим разработанное нами [78] устройство (рисунок 41). Оно содержит геркон 1 с нормально разомкнутым контактом и обмотками 4 и 5, КИ 2, 3, усилители 6, 7, фазоповоротные схемы 8, 9, регулировочные резисторы 10, 11 и исполнительный орган 12.
Геркон и КИ расположены в МП токопроводов фаз А, В, С. Их положение определяется: минимальным по технике безопасности расстояниями h в вертикальной плоскости от горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести МЭ 1, 2 и 3, до горизонтальной плоскости, в которой расположены токопроводы фаз А, В и С; расстояниями х\, Х2, х$ от центра тяжести МЭ 1, 2, 3 до вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А; углами Уъ У2 Уз в вертикальной плоскости между горизонтальной плоскостью и ПО геркона и КИ 1, 2, 3, соответственно.
Геркон расположен в МП токопроводов фаз А, В, С. Его положение определяется: расстоянием И в вертикальной плоскости от горизонтальной линии 3, проходящей через центр поперечного сечения токопровода фазы С, до центра тяжести геркона 1, расстоянием JC в горизонтальной плоскости от вертикальной линии 4, проходящей через центр поперечного сечения токопровода фазы А, до центра тяжести МК 1 и углом у между горизонтальной линией 3 и ПО геркона (рисунок 42). Геркон реагирует на токи нулевой последовательности, если выполняется равенство Подставляя значения для gA, gB, gc из (1.8) в (4.37), находим координаты h, хиу геркона x=d/2, h = 2d/j3,y=0.
Отметим, что для ЭУ с горизонтально расположенными токопроводами фаз использование только одного геркона для построения фильтра невозможно, поскольку уравнение (4.37) при этом корней не имеет.
Для определения влияния токов прямой и обратной последовательностей на величину индукции ВПР, находится ее значение при поочередном питании предлагаемых ФТНП каждой составляющей. Известно, что система токов прямой последовательности образуется тремя единичными векторами / , Ish) =LA(if Jl2 » Ich\ -LA{\\e j24 При подстановке этих значений в (4.31), считая, что условия (4.33) и (4.37) выполняются, получим, что ВПРп\ =0, то есть токи прямой последовательности не оказывают влияние на геркон 1. Аналогично, при подстановке в (4.31) системы токов обратной последовательности 7 2ч, Lsh) = LAt2)eJl2 Ic(2) = i-A(2)eJl4 имеем ШПр(2) При подстановке системы токов нулевой последовательности /v04 = /g/дч = ,(,4 получим Впр = 3/л0К9ІА(0)/27Г. Это доказывает, что на геркон 1 действуют только МП, созданные токами нулевой последовательности, а сам геркон выполняет функции реагирующего элемента ФТНП.
На выходе разработанных фильтров при использовании их в любой защите складываются не токи (как в традиционных защитах), а магнитные потоки, пропорциональные комбинациям токов в фазах защищаемой ЭУ. Поэтому вместо понятий тока 1Ср срабатывания реле и тока ІНБ небаланса применяются понятия напряженности Нсз и тока 1Сз срабатывания защиты и напряженности ННБ небаланса.
Рассматривая принцип работы ФСС, предполагалось, что при отсутствии токов заданных последовательностей в токопроводах защищаемой ЭУ на выполняющий функции реагирующего органа геркон действует МП с индукцией Впр = 0 . Однако, в реальных условиях на него действует МП с индукцией ВНБ небаланса и напряженностью ННБ. Это обусловлено неточной установкой герконов, разбросом параметров элементов схемы фильтра, несимметрией трехфазной системы токов, МП, создаваемыми токами КЗ в соседней электроустановке и токами, протекающими в заземляющем устройстве.
Рассмотрим методологию расчета небаланса и оценки чувствительности на примере защиты на ФТОП электроустановки ПОкВ, схема которого представлена на рисунке 40. Напряженность ННБ небаланса МП в точке расположения центра тяжести геркона 1, выполняющего функцию реагирующего органа, рассчитывается по формуле нНБ = (g nL + SbXh +ScKlc )+ +К2 {ВАХІ, + g knlz + grc2knlc ) = АГ1+ К2АГ1, где Кп- коэффициент самозапуска нагрузки, питаемой от защищаемой ЭУ, 1 , Ід = l eim , 1с - Т е"7240 - номинальные токи нагрузки в фазах ЭУ.
