Устройство поперечной дифференциальной токовой защиты шунтирующего реактора с двумя параллельными ветвями

Полезная модель относится к электротехнике и электроэнергетике и может использоваться на электрических станциях и подстанциях межсистемных сетей электроэнергетических систем для обеспечения правильного функционирования быстродействующих устройств поперечной дифференциальной токовой защиты шунтирующих реакторов (ШР) с двумя параллельными ветвями (УПДЗ ШР) в переходных режимах, сопровождающихся насыщением магнитопроводов трансформаторов тока (ТТ).
Аварии шунтирующих реакторов, вызванные пробоем изоляции с витковым замыканием, по статистике РАО «ЕЭС России» происходят на энергообъектах страны в среднем 1-2 раза в год, принося материальный урон в сотни миллионов рублей.
Известен первый аналог, заключающийся в добавлении элемента выдержки времени на срабатывание защиты (В.А. Андреев. Релейная защита систем электроснабжения. М.: Выс. шк., 2006, с.205, рис. 5.1). Этот вариант является наиболее легко реализуемым мероприятием в условиях эксплуатации. Однако указанная выдержка времени должна быть не меньше, чем 2…3 постоянных времени затухания апериодической составляющей первичного тока ТТ в цепи ШР. Так как указанная постоянная времени достигает значения 1 с и более, то такое решение неприемлемо из-за большого объёма повреждений при витковых замыканиях обмотки ШР. Время срабатывания УПДЗ ШР по существующим нормативам не должно превышать 25 миллисекунд.
Известен второй аналог: УПДЗ ШР, описанное в документе «Шкаф защиты линии и ОАПВ типа ШЭ2710 521 (версии 521_305, 521_365). Руководство по эксплуатации. ЭКРА.656453.044». Данное устройство содержит в каждой из фаз реле дифференциальной токовой защиты с торможением РДТЗ, вход которого подключён к выходам трансформаторов тока ТТ в цепях нейтральных вводов НВ1 и НВ2 объекта защиты.
Недостаток аналога заключается в том, что при насыщении одного из ТТ в цепях нейтральных вводов НВ1 и НВ2 объекта защиты в режиме включения ШР под рабочее напряжение формируется дифференциальный ток, превышающий уставку срабатывания, составляющую 20 % номинального тока реактора. При этом торможение отсутствует, так как тормозной ток не превышает значение начального тока торможения. В результате защита может подействовать на отключение исправного ШР.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом) является УПДЗ ШР, описанное в статье «Адаптивная дифференциальная защита шунтирующих реакторов», авторы Холодов А.С., Волошин А.А., Волошин Е.А., Рыбин С.Н. − Релейщик, 2017, №3. В составе этого устройства, представляющего собой РДТЗ, дополнительно входит фильтр апериодической составляющей ФАС. Указанная составляющая суммируется с тормозным сигналом. При этом дифференциальный ток уменьшается путем вычитания из него указанной апериодической составляющей.
Недостаток прототипа заключается в том, что защита может неправильно сработать, если ТТ одного её плеча поглощает апериодическую составляющую, а ТТ другого плеча находится в состоянии глубокого насыщения. В этом случае апериодическая составляющая в токах плеч защиты практически отсутствует, но один ТТ имеет погрешность по периодической составляющей тока не более 20 %, а второй – более 50 %. Так как начальный ток торможения равен номинальному току ШР, то торможение при включении ШР под рабочее напряжение отсутствует. Ток срабатывания защиты составляет около 20 % тока включения реактора. Модуль разности токов плеч защиты превышает значение тока срабатывания и защита может неправильно сработать при включении ШР под рабочее напряжение.
Задача, положенная в основу полезной модели, заключается в исключении неправильных срабатываний УПДЗ ШР при включении ШР под рабочее напряжение по причине насыщения магнитопроводов ТТ апериодической составляющей первичного тока.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в исключении неправильных срабатываний УПДЗ ШР при включении ШР под рабочее напряжение в сочетании с обеспечением её чувствительности к витковым замыканиям обмоток ШР и быстродействия в соответствии с требованиями динамической устойчивости электроэнергетической системы.
Технический результат заявляемой полезной модели достигается использованием дополнительно введённого в УПДЗ ШР блокирующего органа, содержащего выполненные с возможностью подключения к выходу трансформатора тока в цепи первого нейтрального ввода первый фильтр первой гармоники, первый фильтр высших гармоник и первый фильтр апериодической составляющей, а также выполненные с возможностью подключения к выходу трансформатора тока в цепи второго нейтрального ввода второй фильтр первой гармоники, второй фильтр высших гармоник и второй фильтр апериодической составляющей; первый и второй решающие блоки, причём ко входам первого решающего блока подключены выходы первого и второго фильтров высших гармоник, первого и второго фильтров первой гармоники, а ко входам второго решающего блока подключены выходы первого и второго фильтров апериодической составляющей, первого и второго фильтров первой гармоники, при этом выходы первого и второго решающих блоков подключены, соответственно, ко входам первого и второго пороговых органов, выходы которых через логический элемент ИЛИ подключены к инверсному входу логического элемента совпадения И, к прямому входу которого подключён выход РДТЗ.
На фиг. 1 приведена схема подключения предлагаемого устройства к фазе А объекта защиты. Так как оборудование во всех фазах одинаково, то на фиг. 1 представлена однолинейная схема первичных и вторичных цепей.
К электроэнергетической системе С 1 через выключатель В 2 и линейный ввод ЛВ подключён ШР 3, имеющий нейтральные вводы НВ1 и НВ2. В цепях последних установлены трансформаторы тока ТТ 4 и 5, выходы которых подключены ко входам предлагаемого УПДЗ ШР 9. В состав предлагаемого устройства входят реле дифференциальной токовой защиты с торможением РДТЗ 6 и дополнительно введённый блокирующий орган БО 7. Выход БО 7 подключён к инверсному входу логического элемента совпадения И 8, к прямому входу которого подключён выход РДТЗ 6. Выход элемента 8 подключён к выходным цепям УПДЗ ШР 9 на отключение ШР.
На фиг. 2 приведена схема подключения блокирующего органа 7 к фазе А устройства УПДЗ ШР 9. В состав БО 7 входят первый и второй фильтры первой гармоники ФПГ1 10, ФПГ2 13, первый и второй фильтры высших гармоник ФВГ1 11, ФВГ2 14, первый и второй фильтры апериодической составляющей ФАС1 12, ФАС2 15, подключённые, соответственно, к выходам ТТ 4 и 5. Кроме того, в состав 7 входят первый 16 и второй 17 решающие блоки, первый 18 и второй 19 пороговые органы и логический элемент ИЛИ 20. Выход последнего является выходом БО 7.
Ко входу первого решающего блока 16 подключены выходы ФВГ1 11, ФВГ2 14, ФПГ1 10, ФПГ2 13, а ко входу второго решающего блока 17 подключены выходы ФАС1 12, ФАС2 15, ФПГ1 10, ФПГ2 13.
Первый решающий блок М1 реализует формулу:
,                                                               (1)
а второй решающий блок М2 реализует формулу:
,                                                                         (2)
где , − модули выходных сигналов фильтров высших гармоник ФВГ1 11и ФВГ2 14, соответственно;
, – модули выходных сигналов фильтров первой гармоники ФПГ1 1 и ФПГ2 13, соответственно;
, − выходные сигналы фильтров апериодической составляющей ФАС1 12 и ФАС2 15, соответственно.
Выход первого решающего блока 16 подключен к входу первого порогового органа 18, а выход второго решающего блока 17 подключён к входу второго порогового органа 19. Выходы обоих пороговых органов через логический элемент ИЛИ 20 подключены к инверсному входу логического элемента совпадения И 8.
Элементы, входящие в состав предлагаемого устройства, могут быть реализованы, например, в микроэлектронных и микропроцессорных устройствах дифференциальных защит ШР, выпускаемых различными фирмами России (ООО НПП «ЭКРА», ООО НПП «Релематика и др.), а также за рубежом.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства.
Удобно проводить анализ работы устройства в трёх характерных режимах:
– установившийся режим работы ШР при отсутствии в нём повреждения;
– включение ШР под рабочее напряжение, сопровождающееся насыщением ТТ НВ1 или НВ2;
– замыкание витков в одной из обмоток ШР.
Устройство с предлагаемым блокирующим органом работает следующим образом.
Установившийся режим работы ШР при отсутствии в нём повреждения.
В этом режиме при практически одинаковых синусоидальных первичных токах ТТ НВ1 и ТТ НВ2 отсутствуют апериодическая составляющая и высшие гармоники. Магнитопроводы указанных ТТ не насыщены, поэтому вторичные токи ТТ также синусоидальны. На выходе фильтров первой гармоники ФПГ1 10 и ФПГ2 13 имеются практически одинаковые сигналы , . Модули выходных сигналов фильтров высших гармоник ФВГ111 и ФВГ2 14, соответственно, ,  и фильтров апериодической составляющей ФАС1 и ФАС2, соответственно, ,  близки к нулю. В соответствии с выражениями (1) и (2) сигналы на выходе решающих блоков 16 и 17 близки к нулю и не достаточны для срабатывания пороговых органов 18 и К2 19. Блокирующий орган БО 7 не оказывает влияния на работу УПДЗ ШР 9. Последнее не срабатывает, так как ток небаланса защиты при ненасыщенных ТТ близок к нулю.
Включение ШР под рабочее напряжение, сопровождающееся насыщением ТТ НВ1 или ТТ НВ2.
При включении ШР под рабочее напряжение часто в первичных токах ТТ НВ1 4 и ТТ НВ2 5 кроме принуждённой периодической составляющей содержится свободная апериодическая составляющая, имеющая постоянную времени затухания до 1 с и более. Из-за наличия остаточной магнитной индукции в магнитопроводах ТТ 4 и 5, а также различия в характеристиках намагничивания эти ТТ, как правило, насыщаются не одновременно. Во вторичном токе насыщенного ТТ исчезает апериодическая составляющая и появляются высшие гармоники, а во вторичном токе ненасыщенного ТТ сохраняется апериодическая составляющая, но отсутствуют высшие гармоники. По этой причине возникает переходный ток небаланса защиты и реле РДТЗ 6 срабатывает. Однако действие защиты на отключение не происходит, так как на выходах решающих блоков 16 и 17 возникают сигналы, превышающие уровни срабатывания одного или обоих пороговых органов 18, 19. Выходные сигналы указанных пороговых органов через логический элемент ИЛИ 20 подаются на инверсный вход логического элемента совпадения И 8, оказывая блокирующее действие на срабатывание УПДЗ ШР 9. В результате исключается неправильное срабатывание УПДЗ ШР 9 при насыщении ТТ в переходном режиме включения ШР под рабочее напряжение.
Следует подчеркнуть, что при отсутствии БО 7 с целью исключения неправильного срабатывания УПДЗ ШР при включении ШР под рабочее напряжение необходимо увеличить ток срабатывания реле РДТЗ 6 в первом приближении до уровня 0,5…1,0 номинального тока объекта защиты. Включение в состав УПДЗ ШР блокирующего органа 7 позволило обеспечить высокую чувствительность защиты к замыканию небольшого числа витков обмоток ШР.
Замыкание витков в одной из обмоток ШР.
В этом режиме нарушается равенство токов в параллельных ветвях ШР, причём ток в ветви с витковым замыканием увеличивается, а в неповреждённой ветви практически не изменяется. Вторичные токи ТТ 4 и 5 также не равны друг другу. Возникший небаланс вторичных токов ТТ преобразуется в дифференциальный ток, являющийся причиной срабатывания реле РДТЗ. Так как вторичные токи обоих ТТ синусоидальны, то на выходах решающих блоков 16 и 17 сигналы отсутствуют. На выходах пороговых органов 18 и 19 сигналы также отсутствуют. Блокирующий орган БО 7 не оказывает влияния на работу предлагаемого устройства и последнее срабатывает с требуемым быстродействием на отключение выключателя 2 ШР. Повреждённый ШР выводится из работы.
Предлагаемое устройство обладает следующей совокупностью свойств, которую не имеет ни одно из известных устройств того же назначения:
1. Исключение неправильных срабатываний УПДЗ ШР 9 в переходных режимах включения ШР под рабочее напряжение при насыщении магнитопроводов ТТ 4 и 5.
2. Обеспечение без специальной выдержки времени отключения ШР при замыкании витков обмотки.
3. Отсутствие необходимости загрубления УПДЗ ШР 9 по условию насыщения магнитопроводов ТТ 4 и 5 апериодической составляющей тока включения ШР под рабочее напряжение, т.е. обеспечение чувствительности защиты к замыканиям небольшого числа витков обмотки.
4. Отсутствие необходимости замены используемых ТТ на аналогичные устройства (в том числе на ТТ с немагнитным зазором) с увеличенным первичным током или/и с увеличенным коэффициентом трансформации (например, применение вместо ТТ с номинальным вторичным током 5 А ТТ с тем же номинальным первичным током, но имеющих номинальный вторичный ток 1 А). Очевидно, что замена ТТ в условиях действующей электроустановки сопряжена с большими трудозатратами и экономическими издержками.
Указанная совокупность свойств объясняется введением в состав УПДЗ ШР дополнительного блокирующего органа.