Способ дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора и автотрансформатора
METHOD OF THE THREE-PHASE TRANSFORMER AND AUTO-TRANSFORMER DIFFERENTIAL CURRENT PROTECTION

Изобретение относится к области электротехники, к релейной защите, в частности к дифференциальной защите, и может быть использовано для защиты силовых трансформаторов и автотрансформаторов.
Известен способ дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора (автотрансформатора), в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовых цепей каждой из сторон каждой из фаз силового трехфазного трансформатора (автотрансформатора), пофазно геометрически суммируют токи всех сторон трансформатора и при превышении результирующего тока какой-либо фазы установленного порогового значения отключают силовые цепи со всех сторон трехфазного трансформатора (автотрансформатора) [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. – М.: Энергоатомиздат, 1998, с. 569-576].
Недостатком известного способа является низкая надежность, связанная с излишним срабатыванием защиты при повреждении хотя бы одного трансформатора тока.
Известно устройство дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора (автотрансформатора), содержащее установленные в каждую фазу силовой цепи на каждой стороне трехфазного трансформатора (автотрансформатора) трансформаторы тока. Вторичные обмотки всех трансформаторов тока в каждой фазе соединены параллельно и включены на вход соответствующего токового реле, замыкающие контакты токовых реле включены в цепь отключения выключателей сторон трехфазного трансформатора (автотрансформатора) [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. – М.: Энергоатомиздат, 1998, с. 589-607].
Недостатком известного способа является низкая надежность, связанная с излишним срабатыванием защиты при повреждении хотя бы одного трансформатора тока.
Наиболее близкими техническими решениями являются способ и устройство дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора (автотрансформатора) на модернизированных дифференциальных реле с детектором искажения формы тока и устройством контроля исправности токовых цепей [Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов - М:. Энергоатомиздат, 1989, с. 166-184], в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовых цепей каждой из сторон каждой из фаз силового трехфазного трансформатора (автотрансформатора), пофазно геометрически суммируют токи всех сторон трансформатора (автотрансформатора) и при превышении результирующего тока какой-либо фазы установленного порогового значения отключают силовые цепи со всех сторон трехфазного трансформатора (автотрансформатора), отстраиваются от броска намагничивающего тока трансформатора (автотрансформатора) с помощью детектора искажения формы тока, контролируют исправность токовых цепей с помощью специального устройства с целью исключения ложного срабатывания. Основными функциональными элементами устройства контроля исправности токовых цепей являются детекторы сброса и наброса переменного тока плеч защиты, разработанные на основе детектора искажения формы тока. При резком снижении тока - сбросе - на выходе детектора сброса появляется импульс напряжения, при резком увеличении тока - набросе - на выходе детектора наброса также появляется импульс напряжения. В установившемся режиме сигналы на выходе детекторов сброса и наброса отсутствуют, при повреждении токовых цепей дифференциальной защиты происходит сброс тока какого-либо плеча при отсутствии наброса тока в других плечах и увеличение дифференциального тока. При этом появляется импульс напряжения на выходе детектора сброса поврежденного плеча, а на выходах детекторов наброса сигнал отсутствует, таким образом, на выходе схемы устройства появляется сигнал, под действием которого происходит загрубление реле до тока срабатывания, большего чем номинальный ток трансформатора без вывода устройства из работы. Срабатывание элемента сигнализации свидетельствует о повреждении цепей дифференциальной защиты. При отключении трансформатора с какой-либо стороны, так же как при обрыве токовой цепи дифференциальной защиты, происходит срабатывание соответствующего детектора сброса, но срабатывание сигнализации не происходит из-за отсутствия дифференциального тока.
Недостатками способа-прототипа и устройства, его реализующего, являются: сложность, низкая надежность в связи с необходимостью использования дополнительных специальных устройств, а также меньшее быстродействие по сравнению с дифференциальными защитами с применением стандартных дифференциальных реле.
Действительно, в способе-прототипе применяются достаточно сложные средства определения повреждений трансформаторов тока, создающие дополнительную выдержку времени. Таким образом, при использовании способа-прототипа, снижается надежность и быстродействие дифференциальной защиты.
Устранения указанного недостатка можно достигнуть путем организации избыточной обработки информации о токах, измеренных на всех сторонах напряжения силового трансформатора (автотрансформатора) и сформированных в специальные матрицы токов.
При этом дополнительные возможности по организации дифференциальной защиты и расширению защитных функций появляются при подключении трансформатора (автотрансформатора) к шинам подстанции.
Для пояснения предложений рассмотрим автотрансформатор, подключенный к шинам 220, 110 и 10 кВ подстанции. Для защиты автотрансформатора применяются трансформаторы тока, встроенные во вводы трансформатора 220, 110, 10 кВ - ТА2, ТА3, ТА5, выносные 220, 110 кВ - ТА1, ТА4 и устанавливаемые в ячейке КРУ 10 кВ - ТА6 (фиг. 1).
1
7
1
12
При рассмотрении будем исходить из однофазного исполнения схемы, для трехфазного исполнения аналитические рассуждения и формульные зависимости будут аналогичными. Для рассматриваемого электрооборудования (фиг. 1) построим однонаправленный граф (фиг. 2) с вершинами и дугами, где вершинами V-V графа представляются шины, трансформатор, ошиновка между выводами автотрансформатора и шинами подстанции, а дугами e-e соответственно ветви трансформаторов тока и выключателей. Дуги, характеризующие ветви трансформаторов тока и выключателей, отображают факты коммутации и имеют вес, представляющий собой информацию о величине протекающего по ветви тока, полученного путем измерений с помощью соответствующих трансформаторов тока.
Зададимся матричным представлением графа. Заполнение матрицы токов выполним с применением «метода двойной записи» [Например, Кольвах О.И. Моделирование бухгалтерского учета. Ситуационно-матричный подход: монография / О.И. Кольвах. - М.: Вузовская книга, 2010]. Причем каждая вершина графа Vk (где k - номер вершины графа) представляется специальной матрицей вершины  размером р×2, где р - число вершин графа. Количество строк матрицы соответствует числу вершин графа, а в столбцы вносится информация о дугах, смежных данной вершине, как направленных к ней, так и исходящих из нее. В первый (левый) столбец вносится информация о весах дуг, направленных к рассматриваемой вершине, а во второй (правый) - направленных от нее.
ij
Элементы матрицы mvk, составленной для вершины Vk, определяются следующим образом:
Для схемы (фиг. 1) и соответствующего графа (фиг. 2) имеем следующие матрицы токов:
Применение двойной записи обеспечивает взаимосвязь между вершинами графа, что позволяет объединить их в единую целостную систему. Каждая дуга графа отражается с одинаковым весом в матрицах токов MVk дважды: как дуга, связанная с вершиной и направленная к ней для одной матрицы, и как дуга, связанная с вершиной и направлена от нее для другой матрицы. Возможность введения контрольных операций «метода двойной записи» заключается в том, что, записывая значение каждого веса дуги для разных матриц токов MVk дважды, можно осуществить проверку правильности данных о токах.
Для проверки правильности данных о токах составим матрицы входящих CI и исходящих СО токов. Матрица входящих токов CI формируется путем последовательного заполнения столбцов матрицы размерностью р×р, где р- число вершин графа, из левых столбцов матриц токов MVk, а матрица исходящих токов СО такой же размерности путем последовательного заполнения по столбцам матрицы размерностью р×р из правых столбцов матриц токов MVk:
1,i
2,j
где Ak - матрица размером 2×р, служащая для преобразования матрицы MVk в матрицу размером р×р, в которой элемент ak=1 при i=k (где k - номер рассматриваемой вершины), а остальные элементы равны нулю. Bk - матрица размером 2×р, служащая для преобразования матрицы MVk в матрицу размером р×р, в которой элемент bk=1 при j=k (где k - номер рассматриваемой вершины), а остальные элементы равны нулю.
В основе проверки правильности данных о токах лежит соблюдение равенства:
где 0 - нулевая матрица, размером р×р, в которой все элементы равны нулю.
Для рассматриваемой схемы (фиг. 1):
Определение поврежденного элемента в схеме (фиг. 1) может быть реализовано следующим образом.
Защитой производится сравнение токов по дифференциальному принципу для каждой зоны защиты - трансформатора (автотрансформатора), ошиновок. Защищаемые элементы представляются вершинами графа и описываются матрицами токов MVk. При отсутствии повреждения (тока короткого замыкания) сумма токов, входящих и исходящих из узла (вершины графа), равна нулю. Сумма токов, не равная нулю, свидетельствует о наличии короткого замыкания. Данное утверждение справедливо для всех вершин графа, представляющих защищаемые элементы - трансформатор (автотрансформатор), ошиновки.
Для проверки наличия тока короткого замыкания для всех вершин графа, представляющих трансформатор (автотрансформатор) или ошиновки, составляются уравнения для суммы токов SMVk в узле (вершине) Vk:
где  - матрица-вектор размером 1хр, служащая для суммирования токов в различных узлах;
- матрица-вектор размером 2×1, служащая для итогового суммирования в узле. В развернутой форме выражение (5) принимает вид:
В частности, для рассматриваемой схемы (фиг.2) и соответствующих вершин V1, V2, V3 и V4 графа сумма токов в узле составляет:
Для вершин графа V1, V2, V3 и V4 условиями наличия короткого замыкания в соответствующей зоне действия релейной защиты будут:
- в трансформаторе, соответствующем вершине графа VI,
- на ошиновке между обмоткой ВН трансформатора и шинами 220 кВ, соответствующей вершине графа V2,
- на ошиновке между обмоткой СН трансформатора и шинами 110 кВ, соответствующей вершине графа V3,
- на ошиновке между обмоткой НН трансформатора и шинами 10 кВ, соответствующей вершине графа V4,
q
В качестве критерия проверки исправности трансформаторов тока можно применить следующее соображение. Так как каждая дуга графа отражается с одинаковым весом (значением тока) в матрицах вершин дважды (как дуга, связанная с вершиной и направленная к ней одной матрицы вершины, и как дуга, связанная с вершиной и направленная от нее другой матрицы вершины), то при неверных значениях, выдаваемых трансформаторами тока (значении токов I), сумма входящих и исходящих токов в двух матрицах становится ошибочной (не соответствующей реальной сумме токов схемы). Если обе вершины, в матрицах которых присутствуют измерения поврежденного трансформатора тока, представляют собой соответствующие защищаемые элементы - шины, тогда сумма токов для обеих вершин становится не равной нулю. Если одна из вершин с поврежденным трансформатором тока является висячей (степень вершины = 1), то сумма токов для всей схемы остается равной нулю, в отличии от случая КЗ в сети.
Запишем приведенное утверждение в матричной форме.
Составим матрицу - вектор S, размером n×1, где n - число вершин графа со степенью > 1 (не являющихся висячими). Строки матрицы представляют собой суммы токов в узлах SMVk защищаемых элементов сети, полученные ранее.
Для рассматриваемой схемы:
Для вершин графа V1, V2, V3 и V4, представляющих защищаемые элементы (узлы графа, не являющиеся висячими), а также ошибочных показаниях трансформаторов тока, вызванных их неисправностью, сумма токов становится неравной нулю.
Для получения результирующей матрицы SUM необходимо матрицу S умножить слева на единичный вектор-столбец Е. Вектор-столбец Е представляет собой матрицу-вектор размером 1×n, где n - число вершин графа, степени >1, все элементы которого равны единице, служащую для суммирования токов в различных узлах
Признаки, необходимые для функционирования дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) при различных соотношениях токов для схемы фиг.1 и результатах выполнения матричных операций по выражениям (5) и (15), сведены в таблицу 1.
Таким образом, в зависимости от соотношения токов на схеме (фиг. 1), а также результатов выполнения операций над матрицами токов можно реализовать надежное функционирование дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) с использованием таблицы 1. При этом обеспечивается не только действие защиты при повреждениях внутри трансформатора и на его ошиновках, но и исключаются ее излишние действия при повреждениях трансформаторов тока. Дополнительно, с эксплуатационной точки зрения, целесообразна выдача контрольного сигнала при повреждениях трансформаторов тока для проведения их скорейшего ремонта или замены.
Следует отметить, что реализация дифференциальной защиты для схемы (фиг. 1) имеет существенные отличительные особенности по сравнению со способами-аналогами и прототипом, заключающимися в реализации дополнительных защитных функций (табл. 1):
- выявление повреждений на ошиновке трансформатора (автотрансформатора);
- контроль работоспособности выносных трансформаторов тока и трансформаторов тока трансформаторных ячеек КРУ;
- выявление одновременных повреждений двух трансформаторов тока.
Задачей изобретения является повышение надежности способа дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) путем выявления неисправностей трансформаторов тока, а также повреждений на ошиновках трансформатора (автотрансформатора) без ухудшения быстродействия защиты и применения сложных устройств.
Поставленная задача достигается способом дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора и автотрансформатора, в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовых цепей каждой из сторон каждой из фаз силового трехфазного трансформатора (автотрансформатора), пофазно геометрически суммируют токи всех сторон трансформатора и при превышении результирующего тока какой-либо фазы установленного порогового значения отключают силовые цепи со всех сторон трехфазного трансформатора (автотрансформатора). Согласно предложению дополнительно собирают информацию о фазных токах с трансформаторов тока, установленных в трансформаторных ячейках распределительного устройства подстанции и расположенных на сторонах высокого, среднего и низкого напряжения, выполняют матричное описание соотношения токов для трансформатора (автотрансформатора) с ошиновками и формируют матрицы токов фаз на основе теории графов и метода двойной записи, реализуют операции над матрицами токов фаз для получения результирующих токов, анализируют соотношение результирующих токов и на основе соответствующего анализа проверяют условия срабатывания дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора), выявляют неисправность одного или двух трансформаторов тока, а также выявляют повреждения на ошиновке трансформатора (автотрансформатора), производят выдачу контрольного сигнала при выявлении неисправностей трансформаторов тока, реализуют требуемые отключения при повреждениях ошиновки трансформатора (автотрансформатора).
Способ дифференциальной защиты трансформатора и автотрансформатора может быть реализован на микропроцессорной технике, например, с использованием терминалов цифровой релейной защиты производства ООО НПП «ЭКРА» (www.ekra.ru) и протокола МЭК 61850.
Вариант устройства для реализации способа дифференциальной защиты трансформатора и автотрансформатора представлен на фиг. 3. Функции дифференциальной защиты трансформатора и автотрансформатора возложены на отдельный обособленный терминал.
1
2
3
1
6
1
3
1
3
На фиг. 3 изображен фрагмент подстанции с секциями шин высокого, среднего и низкого напряжения 4, 4 и 4 и автотрансформатором AT1. Устройство (фиг. 3) содержит терминал дифференциальной защиты автотрансформатора 1; трансформаторы тока 2-2; выключатели присоединений 3-3; шины подстанции 4-4.
Способ реализуется следующим образом.
1
6
1
6
При постановке автотрансформатора ATI под напряжение в обмотках трансформаторов тока 2-2 начинают протекать соответствующие токи I…I. Терминал защиты 1 осуществляет непрерывное измерение дискретных значений токов, которые поступают в терминал 1 по каналам связи. В терминале 1 формируются и производятся вычисления над матрицами токов по выражениям (5), (15), определяются величины, характеризующие функционирование дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) согласно таблице 1.
1
2
3
В случае возникновения признаков, указывающих на повреждение внутри трансформатора (автотрансформатора) либо на короткое замыкание на ошиновках между выводами силового трансформатора (автотрансформатора) и вводами секций шин, терминалом 1 вырабатываются и выдаются сигналы на отключение с воздействием на выключатели 3, 3 и 3.
1
6
1
2
3
1
6
Дополнительно терминалом 1 дифференциальной токовой защиты трансформатора и автотрансформатора непрерывно проверяется выполнение условий согласно таблице 1 и в случае возникновения повреждений одного или двух трансформаторов тока 2-2 выдается контрольный сигнал о повреждении соответствующих трансформаторов тока. При этом действия защиты на отключение выключателей шин 3, 3 и 3 не производится. Контрольный сигнал о неисправности трансформаторов тока 2-2 может, например, быть выведен на средства индикации терминала 1. Средства индикации сигнализируют оперативному и эксплуатационному персоналу о необходимости незамедлительного вывода в ремонт или замены поврежденных трансформаторов тока.
Таким образом, выполнение операций над матрицами токов, сформированных с применением теории графов и «метода двойной записи», обеспечивает достижение задачи изобретения - повышение надежности способа дифференциальной защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Повышение надежности защиты обеспечивается путем выявления повреждений на ошиновке трансформатора (автотрансформатора), а также определения неисправностей трансформаторов тока, исключения действия защиты и выдачи контрольного сигнала при неисправности соответствующих трансформаторов тока без снижения быстродействия защиты и применения сложных устройств.