СПОСОБ И ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ОШИБКИ, КОТОРЫЙ УКАЗЫВАЕТ НЕИСПРАВНОСТЬ ОБМОТКИ В ТРАНСФОРМАТОРЕ
METHOD AND PROTECTIVE DEVICE FOR GENERATION OF ERROR SIGNAL THAT INDICATES WINDING FAULT IN TRANSFORMER

Из международной патентной заявки WO 2005/064759 А1 известен способ для распознавания межвиткового замыкания в трансформаторе; этот способ основывается на определении тока системы обратной последовательности фаз на стороне высокого напряжения и низкого напряжения трансформатора, а также на сравнении направления.
Распознавание неисправностей обмоток, как, например, межвитковых замыканий в трансформаторах, требует чувствительного защитного механизма. Такие межвитковые замыкания в общем случае трудно распознать, так как они обуславливают лишь очень малое увеличение тока на клеммах трансформатора. Ток на месте неисправности из-за короткозамкнутых витков, напротив, является очень высоким и очень опасным для трансформаторов. Обычно используемые в настоящее время защитные устройства определяют токи в проводниках на обеих сторонах трансформатора и детектируют внутреннюю неисправность посредством разностного тока, возникающего в случае межвиткового замыкания, из-за чего в общем случае не достигается достаточная чувствительность, чтобы своевременно распознать межвитковые замыкания.
Межвитковые замыкания могут возникать, например, при включении трансформаторов, так как возникающие высокие токи включения создают в обмотках сильные вибрации и, тем самым, сильные механические нагрузки, которые могут привести к межвитковым замыканиям. Современные дифференциальные защитные устройства или дифференциальные защитные реле из-за стабилизации токов включения, основываясь на анализе второй гармоники разностного тока, во время фазы включения чаще всего блокируются, так что они не могут распознать возникающие межвитковые замыкания на фазе включения.
В соответствии с этим в основе изобретения лежит задача предложить способ, с помощью которого межвитковые замыкания можно регистрировать очень чувствительным образом, в особенности, во время включения трансформатора.
Эта задача в соответствии с изобретением решается способом с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения способа приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно этому, в соответствии с изобретением предусмотрено, что с помощью по меньшей мере одного измеренного значения тока и по меньшей мере одного измеренного значения напряжения формируется измеренное значение запуска, измеренное значение запуска сравнивается с заданным предельным значением запуска, и формируется сигнал ошибки, если измеренное значение запуска достигает или превышает заданное предельное значение запуска.
Существенное преимущество соответствующего изобретению способа состоит в его особенно высокой чувствительности, так что межвитковые замыкания могут очень быстро распознаваться.
Другое существенное преимущество соответствующего изобретению способа состоит в его особенно высокой чувствительности, так что он и во время включения трансформатора работает очень надежно.
Согласно особенно предпочтительному выполнению способа предусмотрено, что измеренное значение запуска формируется с использованием нулевого тока и нулевого напряжения, а также производной по времени нулевого тока.
Например, нулевой ток измеряется преобразователем тока в пути заземления в нулевой точке (нейтрали) трансформатора или вычисляется с помощью токов проводников (фаз) трансформатора.
Нулевое напряжение может, например, измеряться в нулевой точке трансформатора или вычисляться с помощью напряжений проводников (фаз) трансформатора.
Предпочтительным образом токи проводников, напряжения проводников, нулевой ток и/или нулевое напряжение измеряются на соединенной звездой стороне трансформатора.
В отношении высокой чувствительности запуска в качестве предпочтительного рассматривается то, когда измеренное значение запуска определяется посредством суммирования по меньшей мере трех вспомогательных значений напряжения, из которых первое вспомогательное значение напряжения образуется умножением производной по времени нулевого тока на первый вспомогательный коэффициент, второе вспомогательное значение напряжения образуется умножением нулевого тока на второй вспомогательный коэффициент, и третье вспомогательное значение напряжения образуется умножением нулевого напряжения на третий вспомогательный коэффициент.
Предпочтительным образом измеренное значение запуска формируется согласно:
12
0
12
0
0
Umess=3*L*i'+3*R*i+(-3)*u,
12
0
12
0
0
причем Umess обозначает измеренное значение запуска, L - заданное значение индуктивности, i' - производную по времени нулевого тока, R - заданное значение сопротивления, i - нулевой ток и u - нулевое напряжение.
В случае трансформатора, включенного по схеме звезды-треугольника или соединенного звездой-треугольником трансформатора, можно достичь еще лучшей чувствительности, если измеренное значение запуска формируется с использованием нулевого тока, нулевого напряжения, производной по времени нулевого тока, выведенной из тока обмотки, соединенной треугольником, величины тока соединения треугольником и производной по времени величины тока соединения треугольником. Ток в обмотке, соединенной треугольником, предпочтительно измеряется дополнительным преобразователем тока, который размещен в обмотке, соединенной треугольником.
В случае трансформатора, соединенного звездой-треугольником, кроме того, в качестве предпочтительного рассматривается, когда измеренное значение запуска определяется путем суммирования по меньшей мере пяти вспомогательных значений напряжения, из которых первое вспомогательное значение напряжения образуется умножением производной по времени нулевого тока на первый вспомогательный коэффициент, второе вспомогательное значение напряжения образуется умножением нулевого тока на второй вспомогательный коэффициент, третье вспомогательное значение напряжения образуется умножением нулевого напряжения на третий вспомогательный коэффициент, четвертое вспомогательное значение напряжения образуется умножением производной по времени величины тока соединения треугольником на четвертый вспомогательный коэффициент, и пятое вспомогательное значение напряжения образуется умножением величины тока соединения треугольником на пятый вспомогательный коэффициент.
Предпочтительным образом измеренное значение запуска формируется согласно:
12
0
12
0
0
3
d
3
d
Umess=3*L*i'+3*R*i+(-3)*u+(L/N)*i'+(R/N)*i,
12
0
12
0
0
d
d
3
3
причем Umess обозначает измеренное значение запуска, L - заданное значение индуктивности, i' - производную по времени нулевого тока, R - заданное значение сопротивления, i - нулевой ток, u - нулевое напряжение, i' - производную по времени величины тока соединения треугольником, i - величину тока соединения треугольником, R - значение сопротивления, относящееся к внутренней обмотке, соединенной треугольником, и L - значение индуктивности, относящееся к внутренней обмотке, соединенной треугольником.
Чтобы избежать ложных запусков, сигнал неисправности предпочтительно вырабатывается только в том случае, если измеренное значение запуска достигает или превышает заданное предельное значение запуска в течение по меньшей мере целого периода сетевой частоты.
Изобретение также относится к защитному устройству или защитному реле, для защиты трансформатора с управляющим устройством, которое в случае возникающей в трансформаторе неисправности обмотки, в частности межвиткового замыкания, вырабатывает сигнал неисправности. В соответствии с изобретением управляющее устройство выполнено таким образом, что оно может выполнять способ, как описано выше. Предпочтительным образом управляющее устройство содержит устройство обработки данных, которое соответствующим образом запрограммировано.
Изобретение поясняется далее более подробно на примерах выполнения. В этой связи на чертежах для примера показано следующее:
Фиг.1 - две схемы для измерительных величин для защиты от межвитковых замыканий;
Фиг.2 - упрощенная схема трансформатора, соединенного звездой-треугольником с защитой от межвитковых замыканий;
Фиг.3 - эквивалентная схема трансформатора для трансформатора по фиг.2 без преобразователя тока в обмотке, соединенной треугольником;
Фиг.4 - эквивалентная схема трансформатора для трансформатора по фиг.2 с преобразователем тока в обмотке, соединенной треугольником;
Фиг.5 - блок-схема для выполнения вычисления, при котором обрабатываются и оцениваются фазные напряжения и токи;
Фиг.6 - блок-схема для выполнения вычисления, при котором обрабатываются и оцениваются параметры системы нулевой последовательности;
0
3
Фиг.7 - примерная характеристика 3*i при включении трансформатора для различных значений импеданса трансформатора L;
Фиг.8 - блок-схема для выполнения вычислений, при котором обрабатываются и оцениваются параметры системы нулевой последовательности, а также ток в обмотке, соединенной треугольником;
Фиг.9 - характеристика измеренных значений запуска, которые вычислены согласно различным способам, в случае внутренней неисправности;
Фиг.10 - характеристика измеренных значений запуска, которые вычислены согласно различным способам, в случае включения трансформатора.
На чертежах сопоставимые или идентичные компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Описываемые ниже способы основываются на дифференциальных уравнениях эквивалентной схемы трансформатора. Чтобы их определить, предпочтительно измеряются токи и напряжения соединенной звездой стороны трансформатора. Дополнительно может измеряться ток в соединенной треугольником обмотке трансформатора.
Подключение для соответствующих измеряемых параметров для примера показано на фиг.1, а именно на левой стороне с дополнительным преобразователем тока, а на правой стороне без него, для измерения тока в обмотке, соединенной треугольником.
Z
1d
Эквивалентная схема трансформатора для анализа внутренней неисправности (неисправности соединения фаза-земля и межвитковые неисправности (так называемые межвитковые замыкания)) для примера показана на фиг.2. Межвитковые замыкания (короткозамкнутые витки) всегда являются несимметричными неисправностями, которые ограничены одной фазой. Это показано на фиг.2 витком, который обозначен стрелкой со ссылочным обозначением Р, и током i неисправности только в одной фазе. Ток в обмотке, соединенной треугольником, может определяться дополнительным преобразователем тока; ток на фиг.2 обозначен ссылочным обозначением i.
Для модели трансформатора по фиг.2 в случае короткого замыкания справедливы следующие уравнения для определения возникающего разностного тока:
1d
где i- измеренный ток в обмотке, соединенной треугольником,
m
i - ток намагничивания в рассматриваемой фазе,
Z
i - внутренний ток неисправности,
A,B,C,1,2,3
i - измеренный ток на клеммах трансформатора,
op
i - разностный ток.
На фиг.2 видно, что внутреннее короткое замыкание распознается лишь с трудом, прежде всего, если одновременно происходит процесс включения. А если имеет место одно только межвитковое замыкание, измеряемый разностный ток для распознавания посредством дифференциальной защиты обычно слишком мал.
1
1
2
2
1
2
12
1
2
12
3
3
На фиг.3 и 4 показана эквивалентная схема трансформатора, соединенного звездой-треугольником без и с определением тока в обмотке, соединенной треугольником. При этом все параметры трансформатора для примера отнесены к соединенной звездой стороне трансформатора. При этом для объяснения может использоваться «идеальный» трансформатор. Коэффициент трансформации напряжения, благодаря отнесению к соединенной звездой стороне, может отсутствовать в уравнениях. Параметры L, R, L, R связаны со стороной высокого напряжения трансформатора (L+L=L,R+R=R). Параметры L, R представляют сторону среднего или низкого напряжения.
1
2
1
2
1
2
12
12
1
2
Параметры L и L обозначают эквивалентную индуктивность соединенной звездой стороны высокого напряжения; разделение «1» или «2» учитывает положение короткого замыкания в обмотке. Параметры L и L представляют потери рассеяния. За счет того факта, что воздух или вакуум могут проводить магнитное поле, оно существует не только в сердечнике, но и в его окружении как поле рассеяния. Это поле рассеяния индуцирует во всех металлических частях окружения индукционные напряжения, которые, со своей стороны, обуславливают соответствующие потери, то есть потери рассеяния. Потери рассеяния понимаются как индуктивное реактивное сопротивление XS (L, L). Потери рассеяния могут измеряться в опыте холостого хода. Измеряются ток холостого хода и ток намагничивания, изготовителем чаще всего указываются в % от номинального тока, откуда может вычисляться полная эквивалентная индуктивность L, которая может вычисляться как состоящая из частичных индуктивностей L=L+L).
1
2
1
2
12
12
1
2
12
1
2
Параметры R и R обозначают эквивалентное сопротивление стороны высокого напряжения; разделение «1» и «2» учитывает положение короткого замыкания в обмотке. Параметры R и R представляют потери в меди или в обмотке. Потери в обмотке возникают вследствие сопротивления R материала обмотки и являются чисто тепловыми потерями тока. Потери обмотки могут измеряться в опыте короткого замыкания. Измеряется напряжение короткого замыкания; изготовители трансформаторов обычно указывают потери обмотки и тем самым косвенно полное эквивалентное сопротивление R, которое составляется из частичных сопротивлений R и R (R=R+R), в uk [%].
3
3
3
Параметр L обозначает индуктивность рассеяния между внутренней соединенной треугольником обмоткой и сердечником трансформатора. Параметр L обычно очень мал; соответствующее справедливо для сопротивления R, которое относится к омическим потерям во внутренней соединенной треугольником обмотке трансформатора.
С помощью эквивалентных схем по фиг.3 и 4 можно, например, вывести следующие критерии защиты для распознавания межвитковых замыканий:
- критерий защиты с фазными напряжениями и фазными токами,
- критерий защиты с напряжением системы нулевой последовательности и током системы нулевой последовательности,
- критерий защиты с фазным напряжением, фазным током и током в соединенной треугольником обмотке,
- критерий защиты с напряжением системы нулевой последовательности, током системы нулевой последовательности и током в соединенной треугольником обмотке.
В связи с фиг.5 далее поясняется пример выполнения, который использует фазные напряжения и фазные токи без определения токов в соединенной треугольником обмотке. При этом фиг.5 показывает блок-схему, которая наглядно представляет процесс вычисления. В блоке 10 осуществляется вычисление условия запуска согласно уравнению (3.5b) (см. ниже) с фазными напряжениями и фазными токами. В блоке 20 результат фильтруется, и в блоке 30 принимается решение о запуске и, при необходимости, формируется сигнал F неисправности.
Блоки 10, 20 и 30 могут, например, образовывать защитное устройство 40 или защитное реле для защиты трансформатора; защитное устройство 40 или защитное реле формирует, в случае возникающей в трансформаторе неисправности в витках, в частности межвиткового замыкания, сигнал F неисправности.
Из эквивалентной схемы на фиг.3 следует:
Если записать уравнения контурных токов напряжений отдельных фаз, то получим:
Если вычесть уравнение (3.3а) из (3.3b), то получим:
С использованием фазных токов на стороне среднего напряжения получим при
(N: коэффициент трансформации напряжения)
Это уравнение также возможно для фаз 1 и 3 и фаз 2 и 3. Тем самым можно распознать внутренние короткие замыкания в других фазах. Получаются следующие уравнения:
С учетом соотношения:
получаем
или
В уравнении (3.5b) измеренное значение запуска Umess представляет напряжение, которое пропорционально неизвестному току короткого замыкания. Оно вычисляется на основе сигналов на клеммах трансформатора. При этом сигнал (измеренное значение запуска Umess) из уравнения (3.5b) может использоваться как мера (критерий) для внутреннего межвиткового замыкания.
В связи с фиг.6 далее поясняется пример выполнения, который использует нулевой ток и нулевое напряжение. При этом фиг.6 показывает блок-схему, которая наглядно представляет процесс вычисления. В блоке 100 осуществляется формирование нулевых напряжений и нулевых токов. В блоке 120 осуществляется вычисление условия запуска согласно уравнению (3.8) (см. ниже) с нулевыми напряжениями, нулевыми токами и измеренным током нейтрали. В блоке 130 результат фильтруется, и в блоке 140 принимается решение о запуске.
3
3
Система уравнений, основывающаяся на параметрах системы нулевой последовательности, может быть выведена из краевого условия, состоящего в том, что соединенная треугольником обмотка размещена внутри трансформатора и что сопротивление обмотки очень мало. Если это имеет место, то можно принять, что величины L и R близки к нулю, и ими можно пренебречь. Теперь уравнения (3.3) можно записать в следующей форме:
при
Если просуммировать уравнения (3.6а), (3.6b), (3.6c) по каждой стороне, то получим следующее:
3
3
при L = 0 и R = 0 получаем:
Путем преобразования уравнения (3.7b) получим:
или
0
Правая сторона уравнения (3.8) представляет измеренное значение запуска Umess, причем параметры системы нулевой последовательности рассматриваются со стороны соединения звездой. Ток системы нулевой последовательности может либо измеряться непосредственно с помощью преобразователя тока в пути заземления (нейтраль трансформатора), либо вычисляться с помощью токов проводников (фаз). Напряжение 3u системы нулевой последовательности является суммой напряжений стороны соединения звездой.
0
В качестве предпочтительного рассматривается вариант, когда установлен преобразователь тока для измерения 3i (преобразователь тока нейтрали). Тем самым на вычисление согласно уравнению (3.8) не оказывает влияние насыщение преобразователей токов проводников.
3
3
Если предположение, что L=0 и R=0 не справедливо, то получаем:
Также во время включения трансформатора в каждом периоде сетевой частоты могут иметься интервалы времени, в которых справедливо:
Поэтому внутреннее короткое замыкание особенно надежно распознается, если на целом периоде сети выполняется следующее условие:
где Н - предопределенное пороговое значение.
Влияние на ток системы нулевой последовательности со стороны значений импеданса трансформатора при включении трансформатора показывает фиг.7.
3
3
Можно видеть, что только для L и R, близких к нулю, ток системы нулевой последовательности является достаточно малым, чтобы принять решение о внутреннем коротком замыкании, когда оно имеется. С другой стороны, на напряжение, рассчитанное согласно уравнению (3.8), оказывается влияние процессом включения, и только условие согласно уравнению (3.10) может применяться для распознавания внутреннего короткого замыкания.
На фиг.8 показан пример, при котором вычисление критерия запуска осуществляется на основе параметров системы нулевой последовательности и циркулирующих токов в соединенной треугольником обмотке.
На фиг.8 показана блок-схема, которая наглядно показывает процесс вычислений. В блоке 200 осуществляется формирование нулевых напряжений и нулевых токов. В блоке 220 выполняется вычисление условия запуска согласно уравнению (3.14) (см. ниже) с нулевыми напряжениями, нулевыми токами и измеренным током в соединенной треугольником обмотке. Альтернативно вычислению нулевого тока из трех токов проводников (фаз) можно измерять его в нейтрали трансформатора. В блоке 230 результат фильтруется, и в блоке 240 принимается решение о запуске.
Критерий запуска для запуска при конфигурации согласно фиг.8 может быть выведен из уравнения (3.3). Он представляет собой вариант критерия согласно уравнению (3.8), которое приводит к лучшей компенсации неизвестного тока намагничивания. Суммирование левых и правых сторон уравнений (3.3а), (3.3b) и (3.3c) приводит к следующему:
Кроме того, справедливо:
и
Согласно фиг.4:
AC
Если только ток i в соединенной треугольником обмотке измеряется непосредственно , то получаем при вводе дополнительной переменной:
и путем преобразования уравнения (3.11):
или
С помощью уравнения (3.14) измеренное значение запуска Umess, которое пропорционально внутреннему току короткого замыкания, вычисляется еще более точно, а именно и в том случае, когда внутреннее замыкание возникает во время включения трансформатора.
3
3
Это преимущество алгоритма достигается за счет дополнительного измерения циркулирующего тока в соединенной треугольником обмотке. Эквивалентный импеданс стороны среднего или низкого напряжения (L, R) должен быть известным, так как иначе возникают ошибки оценки.
3
3
Вышеописанный способ моделировался с учетом уравнений (3.5b), (3.8) и (3.14). При этом защитная система тестировалась прежде всего с первичными сетевыми токами и напряжениями. Это позволяет представить эффективность сначала без влияния поведения преобразователя тока (например, насыщения). Значения для L и R принимались как известные и близкие к нулю.
На фиг.9 показан случай внутреннего межвиткового замыкания к моменту времени t=0,2 c. При названных идеальных условиях все три критерия запуска дают правильные результаты. Вычисленное напряжение после возникновения ошибки является синусоидальным с сетевой частотой и амплитудой 8,8 кВ. Это соответствует примерно 5% напряжения трансформатора. Сигнал достаточно велик, и короткое замыкание может надежно распознаваться.
В случае включения трансформатора (см. фиг.10) критерий запуска согласно уравнению (3.14) ввиду дополнительной информации о токе в соединенной треугольником обмотке является наиболее стабильным.
При критерии запуска согласно уравнению (3.8) измеренное напряжение не равно нулю. Его форма определяется посредством формы тока системы нулевой последовательности. Однако и в этом случае может быть достигнута правильная защитная реакция, если проверяется дополнительное условие согласно уравнению (3.10), которое детектирует наглядно описываемые плоские области в сигнале напряжения.
Если напряжение по уравнению (3.5b) определяется с использованием фазного напряжения и токов, то решение относительно защиты не всегда возможно простым способом. Плоские области хотя и имеются, однако форма кривой довольно неопределенна с высокими пиками до 50% напряжения трансформатора. Эти пики обусловлены числовыми эффектами (вычитанием больших значений фазного напряжения). Подобные пики возникают также при включении трансформатора с внутренней неисправностью. Для надежного решения относительно защиты рекомендуются дополнительные меры.
Улучшения режима защиты, особенно для критерия согласно уравнению (3.5b), можно достичь путем применения цифрового фильтра. Очень хорошие результаты достигаются, например, с медианным фильтром. С помощью фильтра сначала полностью устраняются пики сигнала, и спектр сигнала в значительной степени сохраняется. За счет дополнительной фильтрации сигнала и при критерии согласно уравнению (3.5b) возможно более надежное решение относительно защиты.
Медианный фильтр является нелинейной цифровой технологией, которая, например, применяется, чтобы удалить шумы из сигнала. Идея состоит в том, чтобы значение выборки входного сигнала проверять и принимать решение, является ли оно типичным для сигнала. Это выполняется с помощью окна, которое состоит из нечетного числа образцов. Значения в окне сортируются в числовой последовательности. Среднее значение, то есть значение выборки в центре окна, выбирается как выходное значение. Соответственно самое старое значение отбрасывается, добавляется новое значение выборки, и вычисление повторяется. Этот тип фильтрации является более надежным, чем вычисление среднего значения, и очень высокое значение (пик) по соседству с меньшими значениями мало влияет на среднее значение.
Резюмируя, с помощью вышеописанного способа действий достигаются следующие преимущества:
- отдельная защита для трансформаторов параллельно с дифференциальной защитой с физически другим принципом действия;
- защита не блокируется (как обычно при дифференциальной защите) при процессах включения. Тем самым также не происходит никакой блокировки посредством второй гармоники при насыщении преобразователя;
- чувствительный критерий защиты для распознавания малых коротких замыканий в трансформаторе (распознаются короткие замыкания между малым количеством витков обмотки),
0
- если ток 3i системы нулевой последовательности непосредственно измеряется (ток в нейтрали трансформатора), возможное насыщение преобразователя тока проводника относительно мало влияет на надежное решение относительно защиты.
Ссылочные обозначения
1d
i - измеренный ток в соединенной треугольником обмотке,
m1, m2, m3
i - ток намагничивания в рассматриваемой фазе,
Z
i - внутренний ток короткого замыкания,
A, B, C, 1, 2, 3
i - измеренный ток на клеммах трансформатора (А, В, С - сторона соединения треугольником, 1, 2, 3 - сторона соединения звездой),
A, B, C, 1, 2, 3
u - измеренное напряжение на клеммах трансформатора (А, В, С - сторона соединения треугольником, 1, 2, 3 - сторона соединения звездой),
op
i - разностный ток (рабочий),
1, 2, 3
L - индуктивность (индекс 1, 2 - сторона высокого напряжения, 3 - сторона низкого напряжения),
1, 2, 3
R - сопротивление (индекс 1, 2 - сторона высокого напряжения, 3 - сторона низкого напряжения),
0
u - напряжение системы нулевой последовательности,
0
i - ток системы нулевой последовательности в точке соединения звездой (нейтрали),
Н - пороговое значение,
N - коэффициент трансформации напряжения,
Т - период взятия выборки,
10, 20, 30 - блоки,
40 - защитное устройство,
100 - блок,
120, 130 - блоки,
140 - блок,
200 - блок,
220, 230 - блоки,
240 - блок.