СПОСОБ СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ULTRA-RAPID EMERGENCY PROTECTION OF AC POWER SYSTEM ELEMENTS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Предлагаемый способ сверхбыстродействующей аварийной защиты и устройство для его осуществления относятся к области электротехники, а именно к технике релейной защиты, и могут быть использованы для управления сверхбыстродействующими коммутационными токоограничивающими аппаратами при возникновении короткого замыкания с целью ограничения уровня тока короткого замыкания (КЗ).
Известен способ быстродействующей аварийной защиты элементов электроэнергетических систем [Михайлов В.В. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1988, с.183], основанный на использовании информации о текущих значениях контролируемого тока и сравнении их с уставкой.
Недостатком этого способа является низкое быстродействие защиты из-за влияния начальной фазы периодической составляющей тока в момент возникновения КЗ. Кроме того, при выборе уставки срабатывания защиты необходимо учитывать наличие апериодической составляющей в токе КЗ, что снижает чувствительность защиты.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и принятым за прототип является способ защиты объекта, основанный на анализе первой производной тока короткого замыкания, предложенный в [Михайлов В.В. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1988, с.183]. Сущность способа заключается в фиксации мгновенных значений первой производной тока защищаемого объекта и сравнении его с заранее заданной уставкой.
Недостатком данного способа является зависимость времени срабатывания защиты от начальной фазы тока КЗ. Срабатывание защиты происходит мгновенно при таком значении начальной фазы, при котором максимум производной тока имеет место в момент возникновения КЗ. При другой начальной фазе производной тока, отличающейся от вышеуказанной на 90 электрических градусов, задержка в срабатывании максимальна, так как производная тока в момент возникновения КЗ проходит через нулевое значение. Принципиально необходимое время срабатывания при этом достигает 5 мс (частота тока 50 Гц).
Повысить быстродействие данного способа можно путем уменьшения уставки, чтобы срабатывание происходило при меньшем уровне i′. Однако данная мера снижает чувствительность защиты, поэтому не всегда является применимой.
Известно устройство для защиты сети токоограничивающими автоматическими выключателями [Авторское свидетельство СССР №886137], содержащее максимально-токовое реле, выполненное в виде последовательно соединенных датчика тока и порогового блока, реле разности напряжений, входы которого подключены через датчики напряжения к входным и выходным зажимам автоматического выключателя, и усилитель с исполнительным блоком на выходе, дополнительно устройство снабжено элементом И и реле нуля производной тока, выполненным в виде последовательно соединенных датчика скорости изменения тока и нуль-органа, при этом выходы максимального токового реле, реле нуля производной тока и реле разности напряжений соединены с входами элемента И, выход которого подключен к входу усилителя.
Недостатком этого устройства является необходимость наличия нескольких токоограничивающих автоматических выключателей и низкое быстродействие.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и принятым за прототип является устройство для быстродействующей токовой защиты сети переменного тока от короткого замыкания [Авторское свидетельство СССР №546056], содержащее последовательно соединенные датчик производной тока, логический блок сравнения, пороговый элемент (компаратор) и исполнительный орган (выходной орган), причем между датчиком производной тока и логическим блоком сравнения включен интегратор.
Недостатком этого устройства является зависимость времени срабатывания от начальной фазы тока КЗ.
Изобретением решается задача повышения быстродействия при сохранении чувствительности устройств аварийной защиты и надежности распознавания аварийных режимов на ранней стадии их возникновения.
Для достижения названного технического результата предлагается способ сверхбыстродействующей аварийной защиты элементов электроэнергетических систем переменного тока, заключающийся в фиксации мгновенных значений первой производной тока защищаемого объекта, сравнении их с уставкой и при превышении значения уставки отключении защищаемого элемента электроэнергетической системы. При этом в пределах каждого периода питающего напряжения фиксируют момент перехода указанного напряжения через нулевое значение. От указанного момента производят отсчет текущей фазы напряжения, определяют прогнозируемые значения текущей фазы периодической составляющей первой производной тока защищаемого объекта. По значениям первой производной тока и текущей фазе ее периодической составляющей определяют прогнозируемое значение амплитуды периодической составляющей тока защищаемого объекта, которую затем сравнивают с уставкой. Определение прогнозируемого значения начальной фазы периодической составляющей первой производной тока защищаемого объекта производят начиная с момента превышения разностью спрогнозированного и измеренного текущих значений напряжения сети заданного значения.
Указанный способ реализуется с помощью устройства сверхбыстродействующей аварийной защиты элементов электроэнергетических систем переменного тока, содержащего датчик напряжения, выход которого подключен к датчику момента перехода напряжения через нулевое значение и первый нормирующий усилитель, причем выход датчика момента перехода напряжения через нулевое значение подключен к запускающему и сбрасывающему входам блока отсчета фазы напряжения, а к выходу первого нормирующего усилителя подключен первый фильтр низких частот, выход которого подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к блоку прогнозирования текущего значения напряжения и ко второму входу компаратора напряжения, к первому входу которого подключен выход блока прогнозирования текущего значения напряжения, кроме того, выход компаратора напряжения подключен к запускающему входу блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока, к первому входу которого подключен выход блока отсчета фазы напряжения, а ко второму входу - выход второго аналого-цифрового преобразователя, к входу которого подключен выход второго фильтра низких частот, к входу которого подключен выход второго нормирующего усилителя, к входу которого подключен выход датчика первой производной тока, причем к выходу блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока подключен первый вход компаратора тока, а ко второму входу подключен блок задания уставки по току, а выход компаратора тока подключен к входу выходного органа.
На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Оно содержит датчик напряжения 1 (ДН), выход которого подключен к датчику момента перехода напряжения через нулевое значение 14 (ДПН) и первый нормирующий усилитель 2 (НУ1), причем выход датчика момента перехода напряжения через нулевое значение 14 (ДПН) подключен к запускающему и сбрасывающему входам блока отсчета фазы напряжения 15 (БФН). К выходу первого нормирующего усилителя 2 (НУ1) подключен первый фильтр низких частот 3 (ФНЧ1), выход которого подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП1), выход которого подключен к блоку прогнозирования текущего значения напряжения 5 (БПН) и ко второму входу компаратора напряжения 6 (КН). К первому входу компаратора напряжения 6 (КН) подключен выход блока прогнозирования текущего значения напряжения 5 (БПН), кроме того, выход компаратора напряжения подключен к запускающему входу блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока 7 (БПА). К первому входу блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока 7 (БПА) подключен выход блока отсчета фазы напряжения 15 (БФН), а ко второму входу - выход второго аналого-цифрового преобразователя 13 (АЦП2), к входу которого подключен выход второго фильтра низких частот 12 (ФНЧ2). К входу второго фильтра низких частот 12 (ФНЧ2) подключен выход второго нормирующего усилителя 11 (НУ2), к входу которого подключен выход датчика первой производной тока 10 (ДПТ). К выходу блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока 7 (БПА) подключен первый вход компаратора тока 8 (КТ), а ко второму входу подключен блок задания уставки по току 9 (БЗУ), а выход компаратора тока подключен к входу выходного органа 16 (ВО).
Рассмотрим пример реализации способа при помощи устройства.
Напряжение, снимаемое с выхода датчика напряжения 1 (ДН), подводится к первому нормирующему усилителю 2 (НУ1), который согласует его по уровню с остальными элементами схемы. С выхода первого нормирующего усилителя 2 (НУ1) сигнал подается на вход первого фильтра низких частот 3 (ФНЧ1), который подавляет высшие гармоники во входном сигнале. Далее сигнал передается на вход первого аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП1), где преобразуется в цифровую форму. Преобразованный в цифровую форму входной сигнал поступает на блок прогнозирования текущего значения напряжения сети 5 (БПН), в котором по предыдущим значениям входного напряжения сети прогнозируются его последующие значения. С выхода блока прогнозирования текущего значения напряжения 5 (БПН) спрогнозированное значение текущего напряжения сети поступает на первый вход компаратора напряжения 6 (КН). На второй вход последнего подается с выхода первого аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП1) измеренное значение текущего напряжения сети.
Выходной сигнал датчика напряжения 1 (ДН) также подается на вход датчика момента перехода напряжения через нулевое значение 14 (ДПН), который фиксирует момент перехода напряжения через нулевое значение. Выходной сигнал датчика момента перехода напряжения через нулевое значение 14 (ДПН) осуществляет сброс сигнала на выходе блока отсчета фазы напряжения 15 (БФН) и его запуск. Вследствие этого блок отсчета фазы напряжения 15 (БФН) начинает отсчет времени, прошедшего с начала периода. Таким образом, сигнал на выходе блока отсчета фазы напряжения 15 (БФН) линейно возрастает в течение периода и в его конце обнуляется.
Сигнал, получаемый от датчика первой производной тока 10 (ДПТ), подается на вход второго нормирующего усилителя 11 (НУ2), где также осуществляется его согласование по уровню с остальными элементами схемы. С выхода второго нормирующего усилителя 11 (НУ2) сигнал поступает на вход второго фильтра низких частот 12 (ФНЧ2), а с выхода последнего - на вход второго аналого-цифрового преобразователя 13 (АЦП2), где преобразуется в цифровую форму. С выхода второго аналого-цифрового преобразователя 13 (АЦП2) оцифрованное значение сигнала первой производной тока короткого замыкания подается на второй вход блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока 7 (БПА).
В случае короткого замыкания в сети спрогнозированное значение текущего напряжения сети, сформированное в блоке прогнозирования текущего значения напряжения 5 (БПН), будет значительно отличаться от текущего измеренного значения напряжения, что приведет к срабатыванию компаратора напряжения 6 (КН) и разрешению работы блока прогнозирования амплитудного значения периодической составляющей тока 7 (БПА). В последнем производится операция определения ожидаемого значения амплитуды тока по формуле:
где ω - частота питающей сети;
t - время возникновения короткого замыкания, получаемое от блока отсчета фазы напряжения;
Х - реактивное сопротивление защищаемой цепи;
R - активное сопротивление защищаемой цепи.
Отношение  для сетей напряжением 0,4-10 кВ находится в пределах 14…16.
m
y
Вычисленное значение ожидаемой амплитуды тока короткого замыкания I передается в компаратор тока 8 (КТ), где сравнивается с опорным значением I, сформированным в блоке задания уставки по току 9 (БЗУ). И в случае превышения вычисленным значением ожидаемой амплитуды тока короткого замыкания уставки по току срабатывает выходной орган 16 (ВО).
Для избежания случаев ложного срабатывания устройства защиты из-за волновых процессов в сети расчет ожидаемой амплитуды тока короткого замыкания производится несколько раз в течение времени, не превышающего 1 мс.
Функционирование устройства целесообразно рассмотреть в трех характерных режимах. Первый режим - нормальный (КЗ отсутствует). В данном режиме не производится запуск блока прогнозирования амплитудного значения периодической составляющей тока 7 (БПА), так как напряжение, сформированное в блоке прогнозирования текущего значения напряжения 5 (БПН), практически совпадает с измеренным напряжением, поступающим с выхода первого аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП1). Срабатывание устройства не происходит.
m
y
Второй режим - режим удаленного КЗ. В режиме удаленного КЗ происходит срабатывание компаратора напряжения 6 (КН) из-за различия текущих мгновенных значений спрогнозированного и измеренного напряжений. Вследствие этого происходит запуск блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока 7 (БПА) и производится расчет амплитудного значения периодической составляющей тока согласно (1). Так как при удаленном КЗ рассчитанное значение амплитуды периодической составляющей I тока не превышает значения уставки I, сформированного в блоке задания уставки по току 9 (БЗУ), то устройство не срабатывает и не сформирует сигнал на отключение защищаемого объекта.
m
y
Третий режим - режим близкого КЗ. В режиме близкого КЗ из-за различия текущих мгновенных значений спрогнозированного и измеренного напряжения компаратор напряжения 6 (КН) разрешит работу блока прогнозирования амплитудного значения периодической составляющей тока, в котором согласно (1) будет рассчитано значение амплитуды периодической составляющей тока I. Это значение превысит сформированное блоком задания уставки по току 9 (БЗУ) значение I, что приведет к срабатыванию компаратора тока 8 (КТ) и формированию сигнала на отключение защищаемого объекта.
Описанное устройство, являющееся примером реализации способа сверхбыстродействующей аварийной защиты элементов электроэнергетических систем, проще всего реализуется на базе однокристального микроконтроллера, в этом случае устройство получается максимально простым, малогабаритным и с низким энергопотреблением, в частности, на однокристальный микроконтроллер могут быть возложены функции блока отсчета начальной фазы напряжения 15 (БНФ), блока прогнозирования текущего значения напряжения 5 (БПН), компаратора напряжения 6 (КН), компаратора тока 8 (КТ), блока прогнозирования амплитуды периодической составляющей тока 7 (БПА), блока задания уставки по току 9 (БЗУ). Блоки первого 4 (АЦП1) и второго 13 (АЦП2) аналого-цифровых преобразователей реализуемы на специализированных интегральных микросхемах. Первый 2 (НУ1) и второй 11 (НУ2) нормирующие усилители реализуемы на операционных усилителях, так же как и первый 3 (ФНЧ1) и второй 12 (ФНЧ2) фильтры низких частот.
Предлагаемое устройство обладает следующей совокупностью свойств, которую не имеет ни одно из известных устройств того же назначения:
- устройство, основанное на способе сверхбыстродействующей аварийной защиты элементов электроэнергетических систем переменного тока, обладает максимальным быстродействием, в силу того что производит расчет амплитуды периодической составляющей тока защищаемого объекта;
- устройство, основанное на предлагаемом способе сверхбыстродействующей защиты элементов электроэнергетических систем переменного тока, не использует информацию о второй производной тока защищаемого объекта, за счет чего снижается количество требуемых математических операций и повышается быстродействие устройства;
- на выбор уставки срабатывания по току в предлагаемом устройстве, основанном на способе сверхбыстродействующей защиты элементов электроэнергетических систем переменного тока, не влияет наличие апериодической составляющей в токе защищаемого объекта.