Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов и свдств преобразования входной информации для устройств защиты на элементах микроэлектроники 12
1.1. Условия работы преобразователей информации 13
1.2. Традиционные первичные датчики информации 17
1.2.1. Входные сигналы в переходных режимах 17
1.2.2. Электромагнитные трансформаторы тока 20
1.2.3. Электромагнитные трансформаторы напряжения 28
1.2.4. Первичные преобразователи постоянного тока 29
1.3. Нетрадиционные первичные преобра зователи тока и напряжения 31
Выводы 41
2. Частотные характеристики первичных измерительных трансформаторов 43
2.1. Спектры входных сигналов 44
2.2. Первичные измерительные трансформаторы тока 47
2.2.1. Частотные характеристики трансформаторов тока 47
Стр. 2.2.2. Динамический диапазон трансформаторов тока 54
2.3. Частотные характеристики электро магнитных трансформаторов напряжения 57
2.4. Динамическая точность измерительных трансформаторов 61
Выводы 71
3. Входные преобразователи инфобдащи 73
3.1. Безиндуктивные входные преобразователи сигналов 73
3.1.1. Входные преобразователи на основе шунтов и резистивных делителей 73
3.1.2. Входные преобразователи с применением оптико-электрон ных элементов 76
3.2. Пассивные промежуточные трансформаторы 82
3.3. Входные преобразователи с промежу точными трансформаторами в цепях обратной связи 86
3.3.1. Преобразователь ток - напряжение с двухобмоточным трансформатором и ОУ 86
3.3.2. Преобразователь с трехобмоточным трансформатором 90 Стр.
3.3.3. Преобразователь ток - напряжение с комбинированной обратной связью 93
3.4. Устойчивость входных преобразователей с активными элементами 99
3.5. Предельные характеристики активных входных преобразователей 104
3.5.1. Влияние показателей неидеальности ОУ на характеристики и параметры преобразователей 104
3.5.2. Способы улучшения предельных характеристик преобразователей 108
Выводы И2
4. Контроль состояния изоляции и защита от замыканий на землю в цепи статора 114
4.1. Условия работы изоляции и основные причины ее разрушений 115
4.2. Выявление замыканий на землю . в цепях статора 119
4.3. Контроль сопротивления изоляции генераторов с непосредственным водяным охлаждением 123
4.3.1. Методы непосредственного контроля изоляции при наличии шунтирующего сопротивления системы охлаждения 123
4.3.2. Предельные возможности метода контроля проводимости изоляции генератора с водяным охлаждением 132
4.4. Работа устройства в переходных режимах 134
4.5. Принципиальные схемы устройства 141
4.5.1. Реализация устройства на основе функциональных преобразователей 143
4.5.2. Принципиальная схема устройства на аналоговых перемнояителях сигналов 146
Выводы 156
5. Разработка и экспериментальное исследование опытных образцов отдельных узлов кошлекснои защиты генератора 157
5.1. Разработка опытных образцов входных преобразователей 158
5.2. Лабораторные исследования опытных
образцов входных преобразователей 165
5.2.1. Установка для получения частотных характеристик 165
5.2.2. Устройства для имитации входных сигналов переходных процессов 166
5.2.3. Экспериментальные частотные характеристики преобразователей ток - напряжение 173
5.2.4. Экспериментальные временные характеристики 175
5.3. Испытания на электродинамической модели генератора 179
5.4. Опытная эксплуатация устройств на действутощей электрической станции 185
Вывода 190
Заключение 192
Литература
- Условия работы преобразователей информации
- Первичные измерительные трансформаторы тока
- Безиндуктивные входные преобразователи сигналов
- Условия работы изоляции и основные причины ее разрушений
Введение к работе
Развитие энергосистем сопровождается увеличением мощности электрических станций, ростом единичных мощностей агрегатов и их конструктивным усложнением.В этих условиях повышение надежности работы как отдельных энергетических объектов, так и системы в целом в значительной мере определяется дальнейшим развитием техники релейной защиты и автоматики /2/.
Совершенствование принципов построения защит идет,в основном, в двух направлениях. Первое из них имеет целью повышение быстродействия защит от наиболее тяжелых видов повреждений, а второе-- создание устройств, позволяющих выявить развивающиеся дефекты еще в начальной стадии, и тем самым предупредить возможные аварии.
Стремление повысить быстродействие защит вызывает необходимость изучения новых принципов их построения, а также разработки таких устройств, которые способны правильно действовать в условиях переходных процессов. Очевидно, что техническое совершенство и надежность функционирования этих устройств во многом определяются качеством информации, подводимой к их входам. В связи с этим, первостепенную важность приобретает первая группа вопросов, рассматриваемых в диссертации и посвященных исследованию и улучшению метрологических характеристик тракта преобразования входных сигналов, который содержит, как правило, два каскадно включенных элемента: измерительный трансформатор и входной преобразователь, осуществляющий приведение информации к единому виду.
Повышение быстродействия защит генераторов обеспечивает некоторое снижение объема разрушений при внутренних повреждениях.
Однако, в большинстве случаев полному разрушению и пробою изоляции, следствием которого и является большая часть аварий, предшествует длительный процесс ее ухудшения. Поэтому непрерывный контроль сопротивления изоляции, позволяющий выявить развивающиеся дефекты в начальной стадии и предупредить о приближении возможной аварии, является более эффективной мерой сокращения ущерба от выхода из строя поврежденного элемента энергосистемы.
Наиболее успешно этот путь совершенствования релейной защиты развивается применительно к генераторам. Однако, осуществление контроля сопротивления изоляции генераторов с непосредственным водяным охлаждением затруднено вследствие шунтирующего действия системы охлаждения. Решение этой второй группы вопросов, возникших при реализации защиты от замыканий на землю в цепи статора генератора с водяным охлаждением, осуществляющей контроль непосредственно сопротивления изоляции, также рассматривается в диссертации.
На кафедре "Электрические станции" ЛПИ им. М.И.Калинина в течение ряда лет ведутся работы по созданию комплексной защиты генератора на основе элементов микроэлектронной техники. В соответствии с планом этих работ автором проведены исследования и выполнена разработка блока входных преобразователей и канала контроля изоляции и защиты от замыканий на землю в цепи статора генератора с непосредственным водяным охлаждением.
В соответствии с вышеизложенным,в первой главе диссертационной работы дан анализ условий работы преобразователей информации, на основе которого определены качественные требования, предъявляемые к ним. В свете этих требований рассмотрены традиционные измерительные трансформаторы тока и напряжения. В ходе анализа сделан вывод о том, что значительные погрешности транс - 9 -формации токов и напряжении при коротких замыканиях, вызванные нелинейностью измерительных трансформаторов, .имеют место только в особых случаях, для которых характерно совпадение сразу нескольких факторов, ухудшающих режим их работы. Показано, что вероятность этих совпадений низка, и в большинстве расчетных случаев измерительные трансформаторы можно считать линейными элементами. При этом становится возможным использование для анализа и формулировки требовании к измерительным трансформаторам традиционных методов теории линейных систем автоматического регулирования и управления.
Для полноты картины в главе исследованы возможности использования в защитах генераторов нетрадиционных методов и средств преобразования первичной информации (магнитооптический эффект Фарадея, радйотелеметрический метод, гальваномагнитные эффекты и др.).
Во второй главе проведен анализ динамических свойств первичных измерительных трансформаторов в частотной и временной областях. Получены математические соотношения для амплитудных и фазовых частотных характеристик электромагнитных трансформаторов тока и напряжения. Показано, что рабочий частотный диапазон используемых на генераторном напряжении измерительных трансформаторов удовлетворяет требованиям основных защит генератора, но для дальнейшего повышения точности этих защит необходимо расширить частотный диапазон трансформаторов в область нижних частот.
Третья глава посвящена исследованию входных преобразователей сигналов. В ней описаны наиболее употребительные схемы и дан их сравнительный анализ. В ходе анализа динамических характеристик входных преобразователей на основе малогабаритных промежуточных трансформаторов показано, что основную долю погрешности преобразования вносят промежуточные трансформаторы, имеющие недостаточ _ 10 _
но широкий частотный диапазон. В связи с этим, предложена принципиально новая схема преобразователя, в котором расширение рабочего частотного диапазона достигнуто путем включения промежуточного трансформатора в цепи комбинированной обратной связи операционного усилителя. Проведено теоретическое обоснование основных метрологических свойств нового преобразователя. Установлены основные соотношения, обеспечивающие устойчивость активных трансформаторных преобразователей. Проанализированы предельные характеристики и предложены методы их улучшения.
В четвертой главе изложены прикладные вопросы разработки и исследования методов и средств контроля состояния изоляции и защиты от замыканий на землю в цепи статора генератора. Основным назначением этой главы является практическое применение основных теоретических выводов, полученных в предыдущих главах. В ней рассмотрены особенности контроля сопротивления изоляции обмоток статора относительно земли генераторов с непосредственным водяным охлаждением. Оценены предельные возможности метода контроля проводимости изоляции, основанного на наложении постоянного (выпрямленного) напряжения на контролируемую цепь. Представлены результаты расчетов переходных процессов, возникающих при замыканиях на землю в различных точках обмоток статора. Приведены принципиальные схемы канала защиты и методика расчета параметров этих схем.
В заключительной пятой, главе представлены материалы, касающиеся разработки и экспершлентального исследования опытных образцов отдельных узлов комплексной защиты. Основной упор в главе делается на опытное подтверждение теоретических результатов диссертационной работы и проверку корректности принятых в процессе теоретических исследований допущений, В ней дано описание лабораторных установок для получения динамических характеристик преобразователей ток-напряжение. Приведены экспершлентальные частотные и временные характеристики, а также результаты испытаний разработанных узлов в составе комплексной защиты на электродинамической модели генератора и генераторе действующей электрической станции.
Условия работы преобразователей информации
Применение элементов вычислительной техники существенно повлияло как на схемотехнику, так и на конструкцию устройств защиты и противоаварийной автоматики электрических систем. Появилась возможность реализовать качественно новые принципы выявления некоторых видов повреждений и анормальных режимов. Защиты отдельных объектов, например, генераторов стало возможным выполнять как единое конструктивное целое. При этом, защиты от разных повреждений формируются в виде отдельных каналов, между которыми могут быть установлены связи в различных точках. Поскольку любое устройство защиты, как правило, начинается датчиками информации, то оказалось целесообразным их обобщение для большинства каналов (рис. І.І). Выполнение преобразователей информации общими для различных каналов устройства улучшает его эксплуатационные и конструктивные массо-габаритные показатели, но в то же время требует улучшения метрологических характеристик этих преобразователей.
Предъявляемые к преобразователям информации требования в отношении точности определяются, в основном, тремя условиями: I. Необходимостью преобразования сигналов с минимальными по -грешностями как в установившихся, так и в переходных режимах работы защищаемого объекта. 2. Погрешности преобразования не должны превышать допустимых значений в достаточно широком .диапазоне изменения уровней сигна лов. 3. Проникновение шумов и помех в преобразователи информации должно быть минимальным.
Первое условие вызвано тем, что стремление повысить быстродействие наиболее ответственных защит привело к созданию устройств, которые должны действовать в условиях переходных процессов. При этом, как правило, в качестве входной информации используются мгновенные значения токов и напряжений, например, в дифференциальной защите / 4 /. Кроме того, в настоящее время ведутся исследования возможностей построения защит с применением методов динамического контроля. Основная особенность этих методов заключается в возможности определять контролируемые защитой параметры еще во время переходных процессов / 1,17 /. Так, в / 6,7 / рассматривается дистанционная защита высоковольтной линии электропередачи как система идентификации параметров линии и ее динамической модели. Очевидно, что функциональные возможности этих устройств в значительной мере определяются качеством входной информации. В связи с этим и возникает задача преобразования сигналов с минимальными искажениями не только в установившихся, но и в переходных режимах.
Необходимость преобразования сигналов с минимальными погрешностями в широком диапазоне изменения их уровней обусловлена спецификой работы отдельных защит. Наиболее широкий диапазон линейного преобразования должен иметь измерительный преобразователь тока, поскольку ток нужно контролировать, начиная с максимального тока холостого хода (обычно принимается равным ОД 1иом\ до максимально возможного ударного тока коротного замыкания (к.з.) / 2,5 /. Установившееся значение тока внешнего короткого замыкания современных генераторов обычно не превышает (Ъ-1)1НШ /3/, но ударный ток при наличии в нем апериодической составляющей может достигать (10-15) IН01Л / 8 /. Требуемый динамический диапазон преобразователей тока (Л ) можно приближенно » определить как отношение максимального ударного тока (Іутах) к минимальному контролируемому току ( L m-Ln ):
Напряжение на выводах генераторов обычно изменяется в более узком диапазоне. Максимальное значение, как правило, не превышает 1,4 Уцом , а минимальное контролируемое напряжение в большинстве случаев составляет 0f05 U oM . Таким образом, динамический диапазон преобразователей напряжения ( Ку ) должен быть не менее 25 - 30.
Условие обеспечения высокой помехозащищенности информации вызвано тем, что устройства защиты на интегральных микросхемах в подавляющем большинстве случаев должны работать в непосредственной близости от токоведущих шин генераторов, цепей возбуждения и других мощных источников помех. Уровень внешних шумов значительно возрастает в связи с все более широким применением тиристорних систем возбуждения и усложнением схем собственных нужД электрических станций. Поэтому при разработке преобразователей информации необходимо учитывать реальные условия работы устройств и проектировать их схемы так, чтобы максимально ограничить проникновение помех через информационные входы.
Первичные измерительные трансформаторы тока
Исследованию систем релейной защиты и автоматики, как правило, предшествует их математическое описание. Часто им служит представление элементов передаточными функциями / I /, что позволяет иметь математические модели систем защит в виде наглядных структурных схем. Преобразователи входной информации в этом случае также целесообразно рассматривать как динамические звенья с соответствующими передаточными функциями или эквивалентными им амплитудными и фазовыми частотными характеристиками. В соответствии с указанным подходом входные сигналы удобно представлять их частотным спектром, а анализ реакции преобразователей на воздействие этих сигналов проще проводить в частотной области.
Для оценки метрологических качеств того или иного преобразователя необходимо сопоставить его работу с работой идеального элемента в тех же условиях. В качестве показателей, характеризующих динамические свойства преобразователей при сравнении, в частности, можно использовать их частотные характеристики.
Изложенный подход вполне приемлем для анализа метрологических характеристик измерительных трансформаторов. Изучение их свойств также может быть проведено на основе сравнения со свойствами безинерционного элемента, амплитуда и фаза выходного сигнала которого не зависят от частоты. Поскольку характеристики реальных измерительных трансформаторов существенно отличаются от соответствующих характеристик указанного элемента, то они преобразуют входной сигнал с приемлемой точностью только в том случае, когда подавляющая часть спектра этого сигнала сосредоточена в рабочей части частотного диапазона трансформатора. В свя зи с этим, для правильного выбора частотных характеристик трансформатора необходимо изучить спектральный состав сигналов, подводимых к его входу. Учитывая то, что защита должна принять решение за время первых двух, трех периодов промышленной частоты после повреждения защищаемого объекта, необходимо интервал рассмотрения сигнала принять равным указанному временному отрезку.
Амплитудный спектр косинусоиды (рис. 2.1,а) существенно зависит от времени наблюдения и по мере увеличения /7 группируется все в более узкой области частот вблизи 3. Сигнал вида f(t) = cosQt - є наиболее близок к реальным входным воздействиям. Основная часть модуля его спектра, при -Q = 314 с , сосредоточена в диапазоне частот от 0 до 500 Гц. С уменьшением времени наблюдения за сигналом, вызываемым повышением быстродействия защит, его амплитудный спектр расширяется и становится более однородным (рис.2.1,6).
Таким образом, передача сигналов для быстродействующих защит должна осуществляться элементами с нижней граничной частотой близкой к нулю, и верхней граничной частотой не ниже 500 Гц. Для защит, реагирующих только на периодическую составляющую сигналов и действующих с выдержкой времени, можно использовать преобразователи информации с более узким рабочим диапазоном частот.
Строгий расчет амплитудных и фазовых частотных характеристик ТТ с замкнутым ферромагнитным сердечником представляет весьма сложную задачу. Трудности расчета вызваны,прежде всего, нелиней ной зависимостью параметров ТТ от уровня первичного тока. Поэтому для анализа ТТ в схемах защит пользуются линейной схемой замещения (рис. 2.2), полученной в результате соответствующих допущений: 1. Магнитная проницаемость материала магнитопровода в рассматриваемом диапазоне постоянна. 2. Параметры элементов схемы замещения остаются постоянными независимо от уровня протекающего по ним тока. 3. Сопротивление потерь в стали не зависит от частоты тока и индукции и в рассматриваемых диапазонах остается постоянным.
Передаточная функция эквивалентной схемы ТТ, все параметры которой приведены ко вторичной обмотке, при этом шлеет следующий вид: где Iz fp) - ток вторичной обмотки; 1/ (р) - приведенный к вторичной обмотке первичный ток; L - индуктивность цепи намагничивания; Rn - эквивалентное сопротивление потерь в магнито-проводе; Lfe и /J - индуктивность рассеяния и активное сопротивление вторичной обмотки; Qн - сопротивление нагрузки. Эквивалентное сопротивление потерь определяется как:
Безиндуктивные входные преобразователи сигналов
Преобразование тока в напряжение наиболее просто осуществляется с помощью шунта, включенного во вторичную цепь ТТ (рис.3.1,а). Падение напряжения на шунте усиливается входным усилителем измерительной части устройства, выходное напряжение которого пропорционально току. Существенным недостатком этой схемы является высокая вероятность появления на входе усилителя источника внешних шумов, обусловленного токами, протекающими по шинам заземления. Прежде всего это вызвано тем, что ТТ ( с целью обеспече ния безопасности) и общая точка схемы заземляются в разных местах. Так как две точки контура заземления редко имеют одинаковый потенциал, то возникающая между ними разность потенциалов будет приложена к входу усилителя последовательно с источником полезного сигнала.
Эквивалентная схема преобразователя, учитывающая источник подобных шумов, показана на рис. 3.1,6. В ней приняты следующие обозначения: Rw - сопротивление шунта; 1/п - напряжение источника полезного сигнала; Р3 - сопротивление между двумя точками заземления; 11$ " разность потенциалов между этими точками; R&ж - входное сопротивление усилителя; $прі и Rnp2 - сопротивления соединительных проводов.
С учетом реального соотношения параметров .Rul+Rnpih „р вхХ напряжение шумов на входе усилителя может быть определено следующим образом:
Отсюда видно, что с увеличением сопротивления соединительных проводов уровень напряжения шумов на входе усилителя увеличивается.
Существенное ограничение помех от внешних источников в цепи устройства достигается введением в схему дифференциального усилителя (рис. 3.2,а). Достоинством дифференциального усилителя является его способность усиливать слабые полезные сигналы на фоне сильных помех. Как видно из рис. 3.2,а, шумы являются по отношению к усилителю синфазным входным сигналом, а напряжение шунта - дифференциальным. Поэтому, полезный сигнал дифференциальным усилителем усиливается, а шумы - существенно ослабля готся.
Преобразование вида напряжение - напряжение может осуществляться дифференциальным усилителем с высоким входным сопротивлением (рис. 3.2,6).
В отдельных случаях разность потенциалов между двумя точками контура заземления может достигать 60 - 100 В / 56 /. Так как для применяемых в настоящее время операционных усилителей синфазное входное напряжение не должно превышать напряжения источника питания, т.е. - 10 - 15 В, то они могут выйти из строя. Обеспечить защиту входов ОУ от появления высоких потенциалов можно, например, путем заземления входов через стабилитроны или другие нелинейные элементы, но эти меры не всегда обеспечивают достаточно надежную защиту. Они требуют применения в схеме мощных резисторов и вызывают дополнительные погрешности преобразования. Кроме того, в соответствии с действующими требованиями / 79 / входы устройств защиты должны выдерживать в течение I минуты испытательное напряжение 1,0 - 2,5 кВ. В силу этого, для подключения защит на интегральных микросхемах к вторичным цепям ТТ и ТН целесообразно использовать входные преобразователи с гальванически разделенными входами и выходами, изоляция которых удовлетворяла бы указанным выше требованиям.
Условия работы изоляции и основные причины ее разрушений
В процессе эксплуатации изоляция генераторов подвергается различным воздействиям, вызывающим ее необратимое ухудшение. Прежда всего это вызвано разрушающим действием тепловых, электрических и механических процессов, а также влиянием окружающей среды. В определенных условиях каждый из этих факторов может быть определяющим, но возможно и их взаимное действие. При этом, для изоляции генератора характерно образование локальных дефектов, т.е. ухудшение ее свойств только в ограниченной области.
Тепловое старение изоляции проявляется в постепенном измене ний химического состава входящих в нее компонентов. Причем, наибольшие изменения претерпевают органические связующие - термореактивный компаунд, а неорганические - слюда, стеклоткань практически не изменяют своих свойств. При повышении температуры изоляции процесс старения значительно ускоряется. Считается, что срок службы изоляции генератора сокращается вдвое при увеличении ее рабочей температуры на ЮС / 80 /.
Тепловое старение является, как правило, определяющим фактором, ограничивающим срок службы изоляции генераторов с косвенным воздушным охлаждением. И3оляция обмоток генераторов с водяным охлаждением обычно не испытывает перегрева, т.к. температура охлаждающей воды, в соответствии с действующим стандартом, поддерживается на уровне, не превышающем 850.
Изоляция генераторов рассчитывается на постоянное воздействие максимального рабочего напряжения. Однако,помимо рабочего на -пряжения изоляция периодически подвергается воздействию перенапряжений различного характера: 1. Атмосферным перенапряжениям, которые передаются на обмотки генератора со стороны воздушных линий с некоторым ослаблением. 2. Внутренним перенапряжениям, вызываемым быстропротекающими переходными процессами при замыканиях в генераторе. 3. Повышенным напряжениям при профилактических испытаниях.
Наиболее опасны перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю в цепи генераторного напряжения. Они неоднократно являлись причиной серьезных повреждений генераторов /81,82/. Значительные перенапряжения в этом случае возникают на неповрежденных фазах из-за наложения высокочастотных колебаний на напряжения основной частоты указанных фаз. При этом максимальная амплитуда напряжения на выводах неповрежденных фаз может превы -шать номинальное фазное напряжение почти в 3,5 раза / 39 /. Это напряжение может оказаться вполне достаточным для пробоя исправной изоляции неповрежденных фаз, в связи с чем возрастает вероятность перерастания дугового замыкания одной фазы на землю в междуфазное замыкание.
Обычно электрическому пробою предшествует длительный процесс электрического старения изоляции, и только в завершающей стадии пробой развивается сравнительно быстро. Поэтому перенапряжения малой длительности не всегда вызывают ее пробой, а лишь снижают пробивное напряжение. Однако, и при этом существует возможность выявить прогрессирующее повреждение изоляции и принять меры по предотвращению его развития / 82
Под отрицательным воздействием окружающей среды на изоляцию мощных генераторов с непосредственным водяным охлаждением понимают ее увлажнение из-за течи в элементах системы охлаждения. Непрерывная изоляция современных машин практически не подвержена объемному увлажнению, но возможно увлажнение ее поверхности. Хотя его влияние на изоляцию существенно ослабляется под действием вентиляции, но при наличии дефектов в виде трещин и микро-пор, образовавшихся в результате недостаточной пропитки изоляции термореактивным компаундом, оно может существенно снизить пробивное напряжение. Дело, в том, что влага, заполняя имеющиеся пустоты, создает полупроводниковые каналы, и,практически,все напряжение оказывается приложенным только к неразрушенным слоям изоляции.
Кроме всего прочего, изоляция подвергается также еще и механическим воздействиям, имеющим место как во время работы генератора, так и в процессе его изготовления и ремонта. Основные воздействия на изоляцию работающего генератора обусловлены виб рацией и тепловыми циклами охлаждения и нагрева обмоток при изменениях нагрузки. Наиболее опасной для изоляции операцией во время сборки генератора является укладка стержней в пазы статора. При опускании стержня в паз на нужную глубину возможно местное срезание верхнего слоя изоляции, а также некоторый изгиб, из-за которого возможны изломы изоляции. Таким образом, механические воздействия на изоляцию могут приводить к появлению трещин, складок, расслоению и местному уменьшению ее толщины. Эти дефекты в сочетании с последующими тепловым, электрическим и внешним воздействиями, являются наиболее характерной причиной разрушения изоляции крупных генераторов.
