МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ТЕРМИНАЛ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ

Область техники
Полезная модель относится к защите электроустановок от коротких замыканий (КЗ) и, в частности, к защите генераторов и/или трансформаторов.
Уровень техники
Дифференциальная защита электроустановок основана на пофазном сравнении вторичных токов, полученных от трансформаторов тока, установленных на противоположных сторонах защищаемого объекта. Для обеспечения селективности действия защиты при внешних КЗ дифференциальный ток, равный разности этих токов, сравнивается с отдельно формируемым тормозным током и уставкой.
Известна дифференциальная защита с торможением, содержащая блок формирования дифференциального тока, блок формирования тормозного тока и время-импульсный реагирующий орган, вырабатывающий сигнал на отключение защищаемой электроустановки [1]. Использование время-импульсного принципа отстройки от бросков тока небаланса улучшает чувствительность и быстродействие защиты.
Недостаток устройства [1] - низкая помехоустойчивость, что понижает надежность работы защиты. Кроме того, при токах внутреннего короткого замыкания (КЗ), близких к уставке срабатывания, и наличии апериодической составляющей в токах КЗ, время срабатывания защиты существенно увеличивается.
Современные устройства защиты выполняют на базе микропроцессорных терминалов, программируемых для реализации функций соответствующей защиты.
Известен выбранный в качестве прототипа микропроцессорный терминал защиты, содержащий подключенные к системной магистрали («общей шине») блок аналого-цифрового преобразования, блок цифровой обработки и блок выходных цепей [2]. Для реализации функций дифференциальной защиты к блоку аналого-цифрового преобразования подводятся вторичные токи, полученные от измерительных трансформаторов тока, установленных на противоположных сторонах защищаемого объекта, а блок цифровой обработки соответствующим образом программируется [3]. При этом терминалом реализуется, в частности, функции формирования дифференциального тока, формирования тормозного тока и функции реагирующего органа, в котором происходит сравнение дифференциального тока с уставкой и тормозным током.
Недостаток прототипа - наблюдаются режимы внешних КЗ, в которых вследствие переходных процессов, в том числе и в цифровых фильтрах, тормозной ток становится равным нулю на время, достаточное для срабатывания защиты. Это делает необходимым загрубление (снижение чувствительности) защиты для обеспечения селективности ее действия при внешних КЗ, сопровождающихся интенсивными переходными процессами.
Задача полезной модели - обеспечить селективность действия защиты при внешних КЗ, сопровождающихся интенсивными переходными процессами, без загрубления защиты и, тем самым, повысить ее надежность.
Раскрытие полезной модели
Предметом полезной модели является микропроцессорный терминал дифференциальной защиты электроустановки, содержащий подключенные - и системной магистрали блок аналого-цифрового преобразования вторичных токов, блок выходных цепей и блок цифровой обработки, запрограммированный с возможностями формирования цифровых значений дифференциального тока, равного разности вторичных токов на противоположных сторонах защищаемого объекта, и тормозного тока, состоящего из двух слагаемых, первое из которых пропорционально корню квадратному из векторного произведения указанных вторичных токов, а второе вычислено интегрированием дополнительного тока, равного разности между суммой модулей указанных вторичных токов и модулем дифференциального тока, формирования затянутого спада второго слагаемого тормозного тока и выдачи сигнала на
срабатывание защиты по результатам сравнения дифференциального тока с уставкой и тормозным током.
Это позволяет решить задачу полезной модели -исключить необходимость снижения чувствительности защиты во избежание ее срабатывания при внешних КЗ, сопровождающихся интенсивными переходными процессами.
Для частных случаев выполнения терминала полезная модель предусматривает следующие уточнения, касающиеся блока цифровой обработки, который может быть запрограммирован с возможностью формирования:
второго слагаемого тормозного тока в виде разности текущих значений двух интегралов, каждый из которых вычисляется с усреднением в скользящем окне наблюдения, один - на первой половине, а другой - на всей длительности периода промышленной частоты;
- спада второго слагаемого тормозного тока в виде экспоненты, постоянная времени которой выбрана в соответствии с максимальным временем затухания апериодической составляющей первичного тока короткого замыкания.
Краткое описание фигур
Осуществление полезной модели иллюстрируют фиг.1, 2 и 3. На фиг.1 представлена структурная схема микропроцессорного терминала защиты, а на фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая выполнение им функций дифференциальной защиты электроустановки. На фиг.3 представлены временные диаграммы токов, поясняющие работу защиты в случаях внешнего и внутреннего (по отношению к защищаемой установке) короткого замыкания.
Осуществление полезной модели
Структурная схема устройства на фиг.1 содержит подключенные к системной магистрали («общей шине») 1:
блок 2 аналого-цифрового преобразования;
блок 3 выходных цепей;
блок 4 (программируемый) цифровой обработки;
К входам блока 2 подведены вторичные токи измерительных трансформаторов тока, установленных с двух сторон защищаемой электроустановки (на фиг.1 не показано).
Блок 3 осуществляет отключение защищаемого объекта. Блок 4 запрограммирован с возможностью пофазной реализации, в частности, следующих функций:
формирование цифровых значений дифференциального тока;
формирование цифровых значений тормозного тока;
выдача в блок 3 сигнала на отключение электроустановки при превышении дифференциальным током уставки и тормозного тока (функция реагирующего органа).
A1
B1
C1
А2
B2
C2
Микропроцессорный терминал (см. фиг.1) работает следующим образом. На входы блока 2 поступают вторичные фазные токи i, i, i с одной стороны защищаемого объекта и i, i, i с другой стороны защищаемого объекта. Блок 2 преобразует входные аналоговые величины в цифровые значения, поступающие через магистраль 1 в блок 4. Блок 4 в соответствии с заложенной в него программой цифровой обработки использует цифровые значения вторичных токов для осуществления функций дифференциальной защиты. При этом он выдает на магистраль 1 команды управления блоком 3, который формирует сигнал на отключение электроустановки.
Поскольку дифференциальная защита работает пофазно, далее описывается ее работа для одной фазы.
Блок-схема на фиг.2, иллюстрирующая пример осуществления предлагаемой полезной модели, содержит следующие функциональные блоки, программно реализованные в блоке 4 микропроцессорного терминала:
формирователь 5 дифференциального тока;
формирователь 6 первого слагаемого тормозного тока;
формирователь 7 второго слагаемого тормозного тока;
реагирующий орган 8.
1
2
Блок 5 используя значения вторичных токов i, i, формирует дифференциальный ток в виде разности цифровых значений токов по разные стороны защищаемого объекта:
диф.
1
2
i = i-i.
Блок 6 формирует первое слагаемое тормозного тока в виде цифровых значений квадратного корня из векторного произведения фазных токов, полученных с разных сторон защищаемой установки
Блок 7 в соответствии с предлагаемым техническим решением формирует (в виде цифровой величины) второе слагаемое тормозного тока.
доп
1
2
1
2
Для этого сначала вычисляются мгновенные значения дополнительного тока i=|i|+|i|-|i-i|.
доп
m2
доп
Затем интегрированием i формируется второе слагаемое i тормозного тока, например, как разность текущих значений двух интегралов от i, каждый из которых вычисляется с усреднением в скользящем окне наблюдения, один - на первой половине, а другой на всей длительности периода промышленной частоты.
m2
После достижения максимума i начинает убывать. При этом блок 7 формирует затянутый спад второго слагаемого тормозного тока, например, в виде экспоненты с постоянной времени, выбранной в соответствии с максимальным временем затухания апериодической составляющей первичного тока короткого замыкания.
От блоков 5, 6, 7 в блок 8 поступают цифровые значения дифференциального тока и слагаемых тормозного тока. В блоке 8 дифференциальный ток сравнивается с уставкой и суммой слагаемых тормозного тока. Если
дифференциальный ток превышает уставку и указанную сумму, блок 8 вырабатывает сигнал на отключение электроустановки.
Примеры работы устройства в случаях внешнего и внутреннего КЗ иллюстрирует фиг.3. Токи, предшествующие КЗ, на фиг.3 не показаны. Кроме того, для упрощения иллюстрации на фиг.3 условно принято, что:
КЗ возникает в момент перехода токов через ноль;
апериодическая составляющая в токе КЗ отсутствует;
1
трансформатор тока, по которому протекает ток i, при КЗ насыщается и угол его насыщения равен 90°.
доп
m2
m21
m22
Показанные на фиг.3 линии текущих значений интегралов от i, разность которых образует второе слагаемое i тормозного тока, обозначены i и i соответственно.
доп
m2
доп
т2спад
Как видно из диаграмм, представленных на фиг.3, в случае внешнего КЗ i≠0 и соответственно ток i, формируемый в прямой зависимости от i, также не равен 0. Затянутый спад второго слагаемого тормозного тока, формируемый, например, в виде экспоненты i (см. фиг.3), обеспечивает кратковременную блокировку действия защиты до тех пор, пока не затухнут переходные процессы, вызванные произошедшим КЗ, и первое слагаемое тормозного тока не достигнет установившегося значения. Постоянная времени экспоненты спада выбирается в соответствии с максимальным временем затухания апериодической составляющей первичного тока КЗ.
m2
m21
m22
В примере, показанном на фиг.3, в установившемся режиме внешнего КЗ сохраняется только экспоненциальная составляющая i. Это объясняется тем, что в установившемся режиме на втором периоде от начала КЗ значения i и i равны друг другу.
При внутреннем КЗ для рассматриваемого случая
1
2
1
2
|i|+|i|=|i-i|.
доп
m2
При этом i=0, соответственно слагаемое i тормозного тока также равно 0 и защита не заблокирована.
В результате в отличие от прототипа защита надежно отстраивается от переходных процессов при внешних КЗ.
Аналогичные результаты были получены при рассмотрении случаев возникновения внешних и внутренних КЗ при разных начальных углах тока и варьировании другими допущениями, перечисленными выше.
Таким образом, использование полезной модели позволяет без уменьшения чувствительности дифференциальной защиты к внутренним КЗ повысить надежность ее отстройки от внешних КЗ, сопровождающихся интенсивными переходными процессами.
Источники информации
1. Н.В.Чернобровов, В.А.Семенов. Релейная защита энергетических систем. Москва, Энергоатомиздат, 1998. стр.595-606.
2. Терминалы защиты серии БЭ2704. Руководство по эксплуатации. ЭКРА. Чебоксары. 2000 г., стр.42, рис.4.
3. ABB MODURES. Цифровая защита генераторов. Тип REG 216. Рабочие инструкции. Издание АББ Реле-Чебоксары. Январь 1994 г.