Способ быстродействующей максимальной токовой защиты электроустановок
METHOD OF FAST MAXIMUM CURRENT PROTECTION OF ELECTRICAL INSTALLATIONS

Способ быстродействующей максимальной токовой защиты электроустановок
Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для защиты электроустановок от токовых перегрузок, коротких замыканий и перекоса фаз.
Известен способ обнаружения повреждений в сети переменного тока [патент UA 27421 С2, МПК Н02Н 3/08, 2000], в соответствии с которым определяют величину тока, сравнивают ее с допустимой величиной и судят о наличии повреждения, причем в момент перехода тока через ноль определяют прогнозируемое амплитудное значение тока как результат деления производной тока на его круговую частоту.
Недостатком способа является то, что действующее значение тока определяется за время, которое составляет приблизительно четверть периода промышленной частоты, а учитывая время, необходимое для определения производной тока, сигнал о повреждении в сети может быть сформирован не ранее 0,05 с. Кроме того, такой способ имеет недостаточную защищенность от импульсных помех, которые приводят к необоснованному отключению сети.
j
ф
j
и
ф
и
j
ф
sd
ф
sd
sd
j
и
jт
jp
j
jт
jp
j
ф
ф
j
ф
р
ф
р
ф
sd
ф
sd
ф
j
sd
q
ф
sd
2
2
-t/T
-2t/T
2
Также известен способ быстродействующей максимальной токовой защиты электрических цепей [патент РФ № 2355090 МПК H02H 3/08, опубл. 10.05.2009, бюл. №13], в соответствии с которым осуществляют измерение мгновенных значений тока i и их аналого-цифровое преобразование, определяют действующее значение симметричной составляющей тока I в каждой фазе цепи путем интегрирования мгновенных значений тока i в течение установленного временного интервала t через равные промежутки времени Δt, при этом определение действующего значения тока I осуществляют непрерывно со сдвигом временного интервала t на величину очередного отсчета значения тока i, после чего величину определенного методом интегрирования значения тока в фазе I сравнивают со значением токовой уставки I  и при условии I≥I вырабатывают управляющий сигнал на формирование фиксированной выдержки времени t. Дополнительно через равные промежутки времени Δt осуществляют измерение приращения тока цепи Δi в течение каждого текущего периода изменения тока как разность мгновенных значений тока в каждой фазе в течение последнего из заданного интервала времени t периода изменения тока i и аналогичных значений тока в предыдущий период изменения тока - тока предыстории i(Δi=i-i), определяют сумму квадратов мгновенных значений приращения токов всех трех фаз S(Δi) и вычисляют значение симметричной составляющей тока приращения ΔI по выражению ΔI=√S(Δi)/3{1-2е⋅сos(ωt)+e}, в котором Т - электромагнитная постоянная времени цепи с током КЗ, полученное значение ΔI прибавляют к значению тока предыстории I, а их сумму I=I+ΔI сравнивают с величиной токовой уставки I и при условии I≥I формируют управляющий сигнал на запуск «интегрального» модуля защиты, в котором производят расчет величины интеграла квадрата мгновенных значений приращения тока в каждой фазе Q=ΣΔiΔt, которую сравнивают с заданным значением интегральной уставки Q, и в момент времени t, соответствующий равенству их значений - Q=Q, вырабатывают сигнал на отключение аппарата защиты.
Недостатком способа являются достаточно сложные вычисления и низкое быстродействие.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ максимальной токовой защиты электроустановок [Патент РФ № 2259622 МПК H02H 3/08, опубл. 27.08.2005, бюл. №24], при котором осуществляют измерения тока и его аналого-цифровое преобразование, непрерывно определяют действующее значение тока в течение определенного временного интервала через равные промежутки времени, сравнивают полученное значение с допустимым током, определяют характер аварийного режима и выключают электроустановку. Согласно способу определение действующего значения тока осуществляют со сдвигом временного интервала на величину очередного отсчета, средневзвешенное значение действующего тока относительно каждого интервала определяют для каждой фазы сети и последовательно проверяют превышения уставок по короткому замыканию и по перегрузке.
Недостатком такого способа максимальной токовой защиты электроустановок является низкое быстродействие.
Задача изобретения – создание способа максимальной токовой защиты электроустановок, обладающего высоким быстродействием.
Поставленная задача достигается способом быстродействующей максимальной токовой защиты электроустановок, при котором осуществляют измерения тока и его аналого-цифровое преобразование, непрерывно определяют действующее значение тока, сравнивают полученное значение с допустимым током, определение действующего значения тока осуществляют со сдвигом временного интервала на величину очередного отсчета, средневзвешенное значение действующего тока относительно каждого интервала определяют для каждой фазы сети и проверяют превышения уставок. Согласно предложению средневзвешенное значение тока вычисляют в различных временных интервалах путем группировки соответствующего числа отсчетов тока, а формирование уставок осуществляют для каждого временного интервала с учетом предварительно оцененных ошибок вычисления средневзвешенного значения тока и условий эксплуатации электроустановки, результаты сравнений средневзвешенных значений тока для каждого временного интервала с соответствующими уставками логически объединяют для получения выходного сигнала быстродействующей максимальной токовой защиты.
Обеспечение высокого быстродействия способа максимальной токовой защиты электроустановки достигается путем одновременного сравнения среднеквадратических значений тока, вычисленных в различных временных интервалах с соответствующими уставками. Причем наибольшего быстродействия можно достигнуть, если длительность временного интервала будет сокращена до двух последовательных отсчетов сигнала тока.
Однако вычисление среднеквадратических значений сигнала тока на коротких интервалах времени обладает большими ошибками. Таким образом, в рассчитываемую уставку максимальной токовой защиты необходимо вносить дополнительный коэффициент отстройки от ошибок, вызванных малым временем усреднения при расчете среднеквадратического значения тока. Следует отметить, что величина ошибки усреднения, а значит, и коэффициент отстройки зависит от соответствующего интервала времени. Кроме того, на величину ошибки вычисления среднеквадратического значения тока влияют условия эксплуатации электроустановки, связанные с обеспечением качества электрической энергии (кратные и некратные гармонические составляющие, помехи и др.), и ряд других факторов. Их совокупное влияние на расчет среднеквадратического значения тока и функционирование максимальной токовой защиты может быть оценено с применением соответствующего имитационного моделирования.
Отстройка от ошибок вычисления и влияния эксплуатационных условий при формировании уставочных значений защиты приводит к завышению уставок на коротких временных интервалах. Это завышение подобно логике функционирования максимальной токовой защиты, когда отключение больших по величине токов короткого замыкания должно осуществляться  на малых временных интервалах по условиям термической стойкости [Например, Чернобровов Н.А., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. Пособие для техникумов. – М.: Энергоатомиздат, 2007]. Для исключения ложных срабатываний из-за ошибок усреднения при вычислении среднеквадратического значения тока дополнительно можно объединять результаты сравнения с уставками на нескольких временных интервалах. При этом сигнал на срабатывание защиты будет выдаваться при одновременном превышении уставки на выбранных временных интервалах. Если требования к правильному срабатыванию защиты не являются слишком жесткими или уставочные значения на различных временных интервалах выбраны с большими коэффициентами отстройки, то логическое объединение результатов сравнения можно осуществлять с помощью операции «ИЛИ».
Как и в способе-прототипе вычисление среднеквадратических значений действующих токов целесообразно реализовать согласно выражению
2
2
i
Xд = (k⋅√2/m)⋅x, (1)
i
где x – i-е мгновенное значение контролируемого тока; m – число выборочных отсчетов, входящих в анализируемый временной интервал; k – коэффициент пропорциональности.
Для обеспечения высокого быстродействия способа максимальной токовой защиты сравнение с уставками целесообразно реализовать с учетом изъятия операции умножения на постоянный коэффициент (k⋅√2/m) из процедуры измерений. При этом для сохранения адекватности операций обработки в способе токовой защиты на соответствующую величину (k⋅√2/m) уменьшается уставка для каждого временного интервала анализа.
Вариант структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ быстродействующей максимальной токовой защиты, приведен на фиг.1. Поскольку совокупность операций способа токовой защиты идентична для каждой из фаз, на фиг.1 приведена схема устройства для одной фазы.
1,
m
1
(m-1)
1
(m-1)
Устройство (фиг.1) содержит: трансформатор тока 1; аналого-цифровой преобразователь 2; буфер памяти (ОЗУ) 3; m - квадраторов 4 …, 4; (m–1) - групповых сумматоров 5,…, 5; (m–1) – схем сравнения 6,…, 6; блок хранения уставок 7 и блок логики 8.
Устройство работает следующим образом.
При реализации способа максимальной токовой защиты предварительно проводят имитационное моделирование и определяют ошибки вычисления среднеквадратического значения тока на различных временных интервалах, а также ошибки вычисления среднеквадратического значения тока, определяемые условиями эксплуатации электроустановки. По полученным ошибкам формируют коэффициенты отстройки максимальной токовой защиты на каждом из временных интервалов. Эти коэффициенты отстройки добавляют в расчеты уставок максимальной токовой защиты, которые целесообразно выполнить согласно [Например, Чернобровов Н.А., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. – М.: Энергоатомиздат, 2007, с. 194-198]. Дополнительно в уставочных значениях учитывается соответствующий каждому временному интервалу коэффициент пропорциональности (k⋅√2/m), где m число выборочных отсчетов в выбранном временном интервале. В последующем полученные уставки максимальной токовой защиты записываются в блок 7 хранения уставок.
Выходной сигнал тока от трансформатора тока (ТТ) 1 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 2. Каждый последующий отсчет тока осуществляется с интервалом времени (0,01/m) с, причем число отсчетов, обрабатываемых устройством максимальной токовой защиты, определяется быстродействием ее компонентов.
Состав буфера памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 3 на каждом цикле измерений обновляется, и осуществляется сдвиг записанных значений мгновенных цифровых отсчетов тока. При этом новый отсчет записывается в начало буфера памяти, а самый старый отсчет «выталкивается» (теряется). Для каждого временного интервала, включающего m мгновенных значений тока, рассчитывается величина, пропорциональная его действующему значению
д
i
2
2
X = (X⋅m/√2) = x,
i
где x – i-е мгновенное значение контролируемого тока; m – число выборочных отсчетов, входящих в анализируемый временной интервал; k – коэффициент пропорциональности.
Операции согласно расчетному выражению для каждого временного интервала выполняются путем возведения в квадрат мгновенных значений тока в соответствующих квадраторах 4 с последующим суммированием с применением групповых сумматоров 5.
В последующем вычисленные значения X для каждого временного интервала, включающего m отсчетов тока, сравниваются с соответствующими уставками в схемах сравнения 6. Выходные сигналы схем сравнения 5 логически объединяются (например, с помощью логической операции «ИЛИ») в блоке логики 8 для формирования выходного сигнала устройства максимальной токовой защиты. В таком случае при превышении расчетным значением X уставочного значения на выходе устройства защиты будет сформирован сигнал на отключение электроустановки.
Следует отметить, что высокое быстродействие способа максимальной токовой защиты обеспечивается сокращением временного интервала вычисления значений, сравниваемых с уставками, а также исключением из цикла вычислений операции умножения на постоянный коэффициент (k⋅√2/m).