МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

Заявляемое решение относится к электротехнике и может быть использовано при создании устройств релейной защиты устройств, установленных в энергетических системах.
Известна дифференциальная защита трансформаторов и автотрансформаторов (Т/АТ) (Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ. Расчеты. М., Энергоатомиздат, 1985 г., стр. 28-36), содержащая фазные модульные элементы (по числу фаз), модуль питания и управления.
Современные устройства защиты выполняют на базе микропроцессорных терминалов, программируемых для реализации функций соответствующей защиты, в частности, функции формирования дифференциального тока, формирования тормозного тока и функции реагирующего органа, в котором происходит сравнение дифференциального тока с уставкой и тормозным током.
Рассмотрим микропроцессорное устройство (RU 140341, опубликовано 10.05.2014 г.), являющееся наиболее близким по назначению решением, взятым за прототип.
Микропроцессорное устройство состоит из следующих основных узлов: блок питания, блок трансформаторов тока, блок дискретных входов, блок выходных реле, органы оповещения и оперативного взаимодействия оператора и блок центрального процессора, обеспечивающий взаимодействие между всеми входящими в состав устройства блоками в соответствии с алгоритмами защиты.
Недостатком известного устройства является то, что реализация известной дифференциальной защиты требует предварительного расчета уставок устройств РЗиА, и соответственно усложняет работу наладчиков и эксплуатирующего персонала. Требуется высокая квалификация от персонала, занимающегося расчетами и выбором уставок устройств РЗиА, и приводит к наличию существенной вероятности возникновения ошибки, вызванной человеческим фактором.
Технический результат, на достижение которого направлено решение состоит в обеспечении простоты и удобства при эксплуатации устройства персоналом служб РЗиА.
Задача, на решение которой направленно данное техническое решение, заключается в реализации дифференциальной защиты без участия оператора в автоматическом режиме с возможностью снижения требований к квалификации персонала, занимающегося расчетами и выбором уставок устройств РЗиА.
с
торм
Технический результат достигается тем, что в микропроцессорное устройство дифференциальной защиты, состоящее из следующих основных узлов: блок питания, блок трансформаторов тока, блок дискретных входов, блок выходных реле, органы оповещения и оперативного взаимодействия оператора с устройством и блок центрального процессора, обеспечивающий взаимодействие между всеми входящими в состав устройства блоками в соответствии с алгоритмами защиты, введен блок автоматического расчета и выбора уставок в блок центрального процессора, содержащий блок дифференциальной защиты трансформаторов (ДЗТ) с торможением, запрограммированный с возможностью автоматического выбора тока срабатывания при отсутствии торможения I, коэффициента торможения k и выравнивания
(балансировки) токов по сторонам защищаемого Т/АТ с учетом группы соединения защищаемого Т/АТ и коэффициентов трансформации ТТ по его сторонам, и блок дифференциальной защиты шин (ДЗШ) с торможением, запрограммированный с возможностью автоматического выбора тока срабатывания защиты и коэффициента торможения.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что за счет введения в заявляемое устройство ряда блоков обеспечивается автоматический расчет и выбор уставок устройств РЗиА.
Для пояснения описываемого устройства приведены следующие чертежи:
фиг. 1 - структурная схема заявляемого устройства;
фиг. 2, 3 - графики тормозной характеристики ДЗТ и ДЗШ.
Указанные рисунки не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.
Микропроцессорное устройство дифференциальной защиты, состоящее из следующих основных узлов: блок питания 1, блок трансформаторов тока 2, блок дискретных входов 3, блок выходных реле 4, органы оповещения и оперативного взаимодействия оператора с устройством 5 и блок центрального процессора 6, обеспечивающий взаимодействие между всеми входящими в состав устройства блоками в соответствии с алгоритмами защиты.
Питание устройства производится от преобразовательного блока питания 1, который обеспечивает необходимые уровни напряжения питания для функционирования блоков. Переменный ток подается на блок трансформаторов тока 2. Преобразованные до необходимых для работы аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) уровней сигналы от блока трансформаторов поступают на вход блока центрального процессора 6, где производится их обработка. Устройство содержит блок дискретных входных цепей 3. Устройство содержит блок выходных реле 4, например малогабаритные электромеханические реле с малым временем действия.
Блок центрального процессора 6 выполнен на микропроцессорной элементной базе. В блок центрального процессора введен блок автоматического расчета и выбора уставок 7 для реализации заявляемого решения.
Рассмотрим, например, устройства РЗиА с абсолютной селективностью и выбор уставок ДЗТ с торможением имеющее токи срабатывания ниже номинального тока защищаемого Т/АТ. Для выбора уставок ДЗТ Т/АТ с торможением не требуется расчет токов короткого замыкания (КЗ) и, соответственно, не требуется создания расчетной модели токов КЗ. Для ДЗТ с реле ДЗТ21 в соответствии с (Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ. Расчеты. М, Энергоатомиздат, 1985 г., стр. 28-36) не требуется проверка чувствительности, т.е чувствительность защиты обеспечивается с большим запасом. Поэтому, выбор уставок можно выполнять без использования токов КЗ. Так же будем исходить из того, что торможение устанавливается со всех сторон защищаемого Т/АТ.
с
торм
Блок автоматического расчета и выбора уставок 7 содержит блок ДЗТ с торможением 8 запрограммированный с возможностью автоматического выбора тока срабатывания при отсутствии торможения I, коэффициента торможения k и выравнивания (балансировки) токов по величине и фазе по сторонам Т/АТ.
с
Ток срабатывания ДЗТ при отсутствии торможения I определяется по условиям отстройки от токов небаланса, вызванных погрешностью ТТ режиме до начала торможения, и регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) Т/АТ. В режимах до начала торможения (при малых токах нагрузки) погрешность ТТ допустимо принимать менее 10%. Определяется первичный минимальный ток срабатывания защиты при отсутствии торможения Ic min:
- Отстройка от расчетного первичного тока небаланса в режиме внешнего КЗ, соответствующем началу торможения Iнб.торм.нач,
где kотс - коэффициент отстройки, kотс=1,5.
- Отстройка от броска намагничивающего тока при включении ненагруженного трансформатора (автотрансформатора) под напряжение
где
k - коэффициент, учитывающий время импульсный принцип отстройки от бросков тока намагничивания и наличие торможения от второй гармоники, принимается равным 0,3;
kвыг - коэффициент выгодности, равный для трансформатора 1;
Iном - номинальный ток, соответствующий номинальной проходной мощности.
- Обеспечение недействия защиты от тока небаланса переходного режима внешнего КЗ при
За расчетное значение принимается большее из значений Ic min, получаемых по (1) и(3).
торм
Коэффициент торможения k определяется погрешностью ТТ и регулированием напряжения РПН Т/АТ. При выборе коэффициента торможения необходимо исходить из того, что погрешность ТТ при внешних КЗ составляет 10% в соответствии с действующими инструкциями по проверке допустимой нагрузки на ТТ.
торм
Коэффициент торможения k равен тангенсу угла наклона тормозной характеристики ДЗТ (Фиг. 2), выбирается по условию отстройки защиты от тока небаланса переходного режима внешнего КЗ:
где
ΔI∗д - приращение относительного дифференциального тока,
0,5ΔI∗торм,в  - приращение арифметической полусуммы относительных вторичных тормозных токов) регулируется плавно в пределах 0,3-0,9.
Выравнивание токов по величине и фазе по сторонам Т/АТ осуществляется цифровым способом с максимальной точностью. При этом погрешность выравнивания токов получается ничтожно малой и ее допустимо не учитывать при расчете небалансов ДЗТ.
Выбор дифференциальной отсечки ДЗТ осуществляется с учетом реальных величин токов КЗ и следует принять некоторые допущения, которые существенно упростят ввод исходных данных, но приведут к некоторому завышению уставки дифференциальной отсечки - что допустимо. Например, можно не учитывать реальную величину сопротивления системы для расчета токов КЗ для Т/АТ и пойти на использование максимальных коэффициентов отстройки, вместо точного учета их значений.
Блок автоматического расчета и выбора уставок 7 далее содержит блок дифференциальной защиты шин 9 с торможением (ДЗШТ), запрограммированный с возможностью автоматического выбора тока срабатывания защиты ДЗШТ и коэффициента торможения ДЗШТ.
Ток срабатывания защиты ДЗШТ выбирается по условию отстройки (несрабатывания) ДЗШТ от небалансов при обрыве одной-двух-трех фаз тока самого нагруженного присоединения. Обычно для ДЗШТ используются ТТ с одинаковыми коэффициентами трансформации. Ток нагрузки самого нагруженного присоединения не может превышать номинального первичного тока ТТ, увеличенного на коэффициент 1,05. При таком выборе срабатывания ДЗШТ во многих случаях получается, что при опробовании шин напряжением от одного присоединения чувствительность ДЗШТ ниже 1. При больших токах срабатывания ДЗШТ при отсутствии торможения коэффициент чувствительности ДЗШТ ниже 1 может быть при включении не одного, а нескольких присоединений. В существующих ДЗШ этот недостаток устраняется схемным путем, добавлением к основному комплекту ДЗШ чувствительного комплекта, введением защит опробования шин, снижения уставок основной ДЗШ на время автоматического повторного включения (АПВ) шин для достижения необходимой чувствительности. Такие решения позволяют только на время повысить чувствительность ДЗШ. поскольку они вводятся только на время АПВ шин. Ток небаланса при обрыве токовых цепей и ток срабатывания защиты контролируются в дифференциальной цепи ДЗШ и отличаются между собой только по величине. Если дифференциальный ток больше тока срабатывания контроля исправности токовых цепей ДЗШ, но меньше тока срабатывания ДЗШ, с выдержкой времени срабатывает контроль исправности токовых цепей ДЗШ. Если дифференциальный ток больше тока срабатывания ДЗШ, то срабатывает ДЗШ, а контроль исправности токовых цепей не успевает сработать. Если же для контроля исправности токовых цепей использовать не один параметр, а несколько, то можно существенно снизить ток срабатывания защиты, обеспечив необходимую чувствительность ДЗШ при любых режимах работы первичной сети. Например, можно контролировать, что при изменении одного из токов ДЗШ не возникает КЗ или не изменяются другие токи и т.п. ДЗШ также должна обеспечить по желанию эксплуатации возможность изменения уставок ДЗШ при изменении режима первичной сети, должна иметь для каждого режима первичной сети свой набор уставок.
Коэффициент торможение ДЗШТ должен обеспечивать правильную работу ДЗШТ при глубоком насыщении ТТ как при внешних, так и при внутренних КЗ. В настоящее время микропроцессорные ДЗШТ обеспечивают правильную работу при погрешности ТТ до 50% или немногим больше. Вид характеристики срабатывания ДЗШТ приведен на Фиг. 3
Еще одной существующей проблемой для ДЗШ является выполнение АПВ шин и последующая сборка схемы первичной коммутации при успешном АПВ шин. В настоящее время, как правило, АПВ шин и последующая сборка схемы первичной коммутации осуществляется с помощью устройств АПВ, установленных на присоединениях. Если на присоединении установлено однократное АПВ, то могут возникать трудности при выборе выдержек времени срабатывания АПВ по условию АПВ шин и по условию АПВ присоединения. Кроме того, как правило времена включения выключателей при АПВ шин ограничиваются возможностями выдачи необходимого 3-х секундного тока аккумуляторной батареей. В последних типовых решениях на присоединениях устанавливались двукратные АПВ, что позволяло один из циклов АПВ использовать, например, для АПВ присоединения, а второй - для АПВ шин при соответствующем запрете цикла при работе линейных защит и при работе ДЗШ. В более ранних решениях использовалось отдельное АПВ при работе ДЗШ, т.е. при работе ДЗШ запрещались линейные АПВ, а опробование шин и сборка схемы осуществлялась включением выключателей присоединений от схемы ДЗШ, что является и более привлекательным, поэтому его следует применить в заявляемом МП РЗиА ДЗШ.
Работа устройства представляет собой выполнение специфической для данного применения функции релейной защиты по заранее заданному алгоритму. Основным звеном устройства является блок центрального процессора, который производит обработку аналоговой и дискретной информации. Результаты замеров токов сравниваются с автоматически рассчитанными уставками и при превышении их выдаются сигналы на отключение, сигнализацию или автоматику с последующим срабатыванием выходных реле, формированием событий и осциллографированием.
Результаты обработки поступающей информации выдаются на выходные реле, на сенсорный дисплей. Нормальное функционирование устройства обеспечивается бесперебойным питанием, а также развитой системой самодиагностики, которая постоянно производит оценку работоспособности составных частей устройства и программного обеспечения.
Простота и удобство при проведении наладки и эксплуатации обеспечиваются реализацией дифференциальной защиты без участия оператора в автоматическом режиме с возможностью снижения требований к квалификации персонала, занимающегося расчетами и выбором уставок устройств РЗиА
На предприятии разработана техническая документация для производства заявляемого микропроцессорного устройства. Все блоки устройства могут быть реализованы при использовании современной элементной базы и на стандартных компонентах.