Защита силовых трансформаторов с использованием микропроцессорной релейной защиты

УДК 621.316.06

ЗАЩИТА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ РЕЛЕЙНОЙ

ЗАЩИТЫ

С.В. Ершов, А.Е. Столов

Используются различные системы релейной защиты трансформаторов от различных типов неисправностей. Дифференциальные реле защищают трансформаторы от внутренней неисправности. В этом исследовании было проанализировано и объяснено программное и аппаратное обеспечение системы микропроцессорной релейной защиты.

Ключевые слова: защита силовых трансформаторов, максимальная токовая защита, дифференциальная защита.

Силовые трансформаторы являются очень дорогими и чрезвычайно важными компонентами электроэнергетических систем. Иногда происходят аварии, возникающие в результате отказов изоляции, вызванных атмосферными возмущениями и перенапряжениями. Эти неисправности трансформатора можно разделить на два основных класса: Первый класс - это внутренние повреждения из-за пробоя изоляции между соседними витками или частями катушек, а также короткие замыкания на клеммах или на частях обмоток. Второй класс - это перегрузка и другие внешние условия, включающие в себя повышение тока, перенапряжение, внешние короткие замыкания и пониженную частоту системы.

В этом исследовании описывается проектирование и внедрение системы микропроцессорной релейной защиты силового трансформатора. Система включает в себя средства дифференциальной защиты, максимальной токовой защиты, защиты от перенапряжения и защиты от пониженного напряжения.

Электромеханические и твердотельные реле были и до сих пор используются для защиты энергосистемы в течение последних нескольких лет. Исследователи изучали возможность проектирования реле с использованием микропроцессоров. Благодаря достижениям в области цифровых технологий и снижению цен на цифровые аппаратные средства в настоящее время доступны цифровые реле, которые используются для защиты энергосистемы, что способствует повышению надежности и снижению затрат на электроэнергетические системы.

Цифровые реле, способные выполнять сложные функции обработки сигналов, позволяют использовать классические принципы защиты и повысить производительность реле, обеспечивая более быструю и надежную защиту силовых трансформаторов.

В этом исследовании была реализована конструкция микропроцессорной релейной защиты силового трансформатора. Основное внимание в этой работе уделяется описанию аппаратной и программной разработки системы. Также было уделено внимание дифференциальной защите, максимальной токовой защите, защите от превышения и понижения напряжения.

Микропроцессорная система защиты состоит из аппаратного и программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение системы состоит из следующих трех функциональных блоков:

• блок аналоговых входов

• блок сбора данных

• микропроцессорный блок

На рис. 1 показаны соединения этих блоков. Блок изоляции и аналогового масштабирования состоит из двух идентичных модулей для обработки токов и одного модуля для обработки напряжения.

Микропроцессорный блок

Рис. 1. Блок-схема устройств микропроцессорной релейной защиты

Модуль обработки текущего сигнала состоит из датчика тока Холла, который был реализован в этом исследовании. Преимущество использования этого типа преобразователя тока рядом с ним имеет более высокую производительность и широкую частотную работу по сравнению с электромагнитным трансформатором тока СТ, он непосредственно дает сигнал напряжения, эквивалентный текущему сигналу. Таким образом, нет

127

необходимости использовать преобразователь тока в напряжение, поскольку микроконтроллер принимает сигнал напряжения. Блок сбора данных системы состоит из аппаратной схемы, которая производит выборку и квантует сигнал с заданной скоростью для интерфейса аналоговых сигналов микроконтроллера. Этот аналоговый сигнал должен быть сначала преобразован в цифровое значение, затем обработан центральным процессорным устройством. Система сбора данных имеет три входных канала для выборки аналоговых сигналов и преобразования их в эквивалентные цифровые значения.

Микрокомпьютерный блок реле состоит из микроконтроллера M68HC11E9 с 8-битным микроконтроллером, доступным от Axiom Manufacturing, выбранным для использования в этом исследовании.

Системное программное обеспечение написано на языке ассемблера M68HC11 Motorola Microcontroller. Это программное обеспечение разделено на две части: программное обеспечение для сбора данных и разработанное программное обеспечение.

Программное обеспечение для сбора данных управляет работой аналого-цифрового преобразователя, который производит выборку и квантует напряжение и ток с заранее заданной скоростью. В защите силового трансформатора система сбора данных получает сигналы первичного и вторичного тока и сигнал от первичного входного напряжения.

На первом этапе, когда включается трансформатор, системе необходимо считывать сигнал из первичной цепи тока, чтобы проверить пусковой ток, рассчитав скорость изменения первичного тока относительно времени di / dt, затем микроконтроллер преобразует другие аналоговые сигналы, вторичный ток и входное напряжение в цифровые сигналы. После того, как аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) завершит преобразование, полученные сигналы сравниваются с уставками различных защит и, если будет обнаружена какая-либо неисправность, будет выполнена процедура отключения, в ином случае будет произведено считывание новых данных для следующего цикла проверки. На рис.2 показана блок-схема программного обеспечения для сбора данных.

Программное обеспечение разработано на языке ассемблера для обнаружения различных типов неисправностей, а при необходимости для получения правильных индикаций и сигналов отключения его можно разделить на три части:

Программное обеспечение для различия пускового тока от внутреннего повреждения: пусковой ток в силовых трансформаторах возникает из-за любого изменения напряжения намагничивания и может быть вызван появлением внешних неисправностей. Поскольку ветвь намагничивания схемы замещения трансформатора, может быть представлена как шунт при его насыщении, ток намагничивания нарушает баланс между токами на выводах трансформатора. Дифференциальная защита воспринимает этот ток как дифференциальный, однако должна устойчиво функционировать в таком случае.

Старт ^

Рис. 2. Блок-схема программного обеспечения для сбора данных

При включении силового трансформатора под напряжение имеет место одностороннее его перевозбуждение в связи с наличием остаточного магнитного потока, что и вызывает значительное увеличение тока.

Магнитный поток не уменьшается до нуля, когда силовой трансформатор отключается от сети, а остается на некотором уровне, который может превышать 80% номинальной магнитной индукции. Когда вновь производится включение силового трансформатора под напряжение, магнитный поток начинает увеличиваться именно с точки, соответствующей уровню остаточного магнитного потока. В зависимости от фазы напряжения в момент включения трансформатора под напряжение, может произойти смещение магнитного потока. Большие значения магнитного потока диапазона насыщения обуславливают большой ток намагничивания и характерные периодические его броски.

Пусковой ток зависит от многих факторов, таких как размер трансформатора, импеданс источника питания и магнитные свойства сердечника.

Эта часть программы была разработана для различения внутренних неисправностей от пускового тока, чтобы предотвратить размыкание дифференциального реле в случае скачка тока в момент включения автоматического выключателя.

Бросок тока намагничивания втекает в защищаемый объект с одной стороны и защита воспринимает его как внутреннее КЗ. Дифференциальная защита трансформатора не должна срабатывать в подобной ситуации. Факт большого содержания второй гармоники в БНТ уже использовался для торможения при реализации защиты на традиционной элементной базе. Вторая гармоника отфильтровывается из дифференциального тока (рабочего тока), а затем используется в качестве дополнительной величины торможения. При содержании второй гармоники в дифференциальном токе приблизительно в 15 % (по отношению к основной) характерным являлось значительное дополнительное торможение для предотвращения ложного срабатывания защиты. Другие производители осуществляли сравнение токов основной гармоники и второй гармоники непосредственно при помощи отдельной дифференциальной цепи, которая затем осуществляла блокирование защиты, что и реализуется программным образом в современных цифровых устройствах защиты. На рис. 3 показана блок-схема программы различения пускового тока от тока короткого замыкания при внутренних повреждениях.

Рис. 3. Блок-схема программы различения пускового тока от тока короткого замыкания

130

Программное обеспечение максимальной токовой и дифференциальной защиты: максимальная токовая защита срабатывает, когда внешняя неисправность находится вне зоны дифференциальной защиты. МТЗ работает как резервная защита.

На рис.4 показана блок-схема перегрузок по току и дифференциальных защит. На рис.5 показана эксплуатационная характеристика дифференциального реле.

Рис. 4. Блок-схема программы максимальной токовой и дифференциальной защит: 11 и 12 - токи в первичных и вторичных трансформаторах соответственно; 1ср - ток срабатывания защиты; 1п0 - первичный номинальный ток; 1а - дифференциальный ток; 1торм - ток торможения; К - коэффициент отстройки.

131

Рис. 5. Эксплуатационная характеристика дифференциального реле

Дифференциальный ток = | 1г12 |. Дифференциальный ток торможения фиксируется токовым реле, он равен отношению между первичным и вторичным током трансформатора 1торм = | 11 + 12 | / 2. Тормозная обмотка устанавливает верхний предел дифференциального тока в реле без отсоединения системы. Минимальным значением дифференциального тока является значение срабатывания. Минимальное значение тока ограничения -1торм. Реле срабатывает, когда дифференциальный ток И преодолевает тормозной ток 1торм.

Программное обеспечение для защиты от повышенного / пониженного напряжения: при повышении/понижении напряжения более чем на 10% срабатывает реле и отправляет сигнал оператору о неисправности.

Основное внимание в этом исследовании было уделено подробному описанию разработки аппаратного и программного обеспечения реле. Реализуемые функции релейной защиты включают дифференциальную защиту с отстройкой от броска тока намагничивания, максимальную токовую защиту трансформатора от перегрузки и внешних неисправностей, защиту от перенапряжения и защиту от пониженного напряжения. Все эти типы защиты были выполнены в одном реле для защиты силового трансформатора.

Список литературы

1. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: учебник для вузов. 4-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2006. 639 с.

2. Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты; пер. с англ. / под ред. Дьякова А.Ф. М.: Энергоиздат, 2005. 322 с.

3. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиз-дат, 2007. 549 с.

Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., ershov.serrg@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Столов Александр Евгеньевич, магистрант, stolovsasha@,gmail.com, Россия Тула, Тульский государственный университет

PROTECTION OF POWER TRANSFORMERS USING MICROPROCESSOR RELAY SYSTEM

S.V. Ershov, A.E. Stolov

Various relay protection systems for transformers from various types of faults are used. Differential relays protect transformers from internal faults. In this study, the software and hardware of the microprocessor relay protection system was analyzed and explained.

Key words: рrotection of power transformers, overcurrent protection, differential protection.

Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, er-schov. serrg@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Stolov Alexander Evgenyevich, masters, stolovsasha@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University