СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
METHOD OF RELAY PROTECTION OF THREE-PHASE TRANSFORMER

Изобретение относится к электроэнергетике. Предназначено для защиты силовых трансформаторов. Ориентировано на применение в микропроцессорной релейной защите.
В последние двадцать лет начал складываться новый класс алгоритмов релейной защиты, предполагающих моделирование защищаемого объекта [1]. Имеются в виду модели неповрежденного объекта, получившие название алгоритмических [2]. Они играют роль формирователей замеров и функционируют в реальном времени. Их не следует путать с имитационными моделями тех электрических систем, в состав которых входят защищаемые объекты. Имитационные модели охватывают всевозможные режимы системы, включая и повреждения объекта. Они воспроизводят любые ситуации, что востребовано не только при тестировании релейной защиты, но и при ее обучении [3, 4]. Имитационное моделирование совершается в отложенном времени.
Алгоритмические модели работают в реальном времени, являясь структурной частью релейной защиты. Они моделируют не всю систему, а исключительно защищаемый объект, выполняя функцию преобразователей наблюдаемых токов и напряжений.
Способы релейной защиты, основанные на применении алгоритмических моделей, получили развитие и внедрение в защите линий электропередачи [5]. Защита трансформаторов имеет ряд особенностей [6]. Алгоритмическая модель трансформатора представляет собой сложную структуру, состоящую из трех составных частей (подмоделей) - первичных обмоток, вторичных обмоток и магнитопровода. Способ защиты трансформатора по [6] исходит из предположения о полноте и даже избыточности информационной базы. Полнота относится к априорной информации, а избыточность - к текущей. Априорная информация задается в виде значений фиксированных параметров модели, возможно в интервальной форме, а также характеристики намагничивания сердечника. Текущую информацию представляют результаты наблюдения токов и напряжений на выводах обмоток трансформатора. В таких условиях структура и параметры алгоритмической модели полностью определены, и для ее активирования достаточно лишь части наблюдаемых величин. Остальные величины остаются в резерве, модель формирует их оценки, а по возникающей невязке между наблюдаемыми величинами и их оценками судят об адекватности модели и объекта или же о неадекватности. В случае адекватности делается вывод о нормальном состоянии объекта, коль скоро модель предполагает его исправность. А в случае явной неадекватности делается вывод о повреждении объекта и, следовательно, о том, что он нуждается в защите.
Несмотря на то что способ защиты трансформатора по [6] представляет собой решение общей задачи, в распространенном частном случае он оказывается недостаточно эффективным и нуждается в совершенствовании. Имеется в виду исполнение трехфазного трансформатора с соединением вторичных обмоток в треугольник. В обсуждаемом способе, как и в существующей практике, при моделировании такой конструкции осуществляется переход от фазных координат к линейным, т.е. к разностям фазных величин. Как следствие, сокращается информационная база релейной защиты: вместо трех независимых фазных контуров получаются два линейных, иначе говоря, из рассмотрения исключается нулевая последовательность электрических величин. Между тем, ток нулевой последовательности замыкается в треугольнике обмоток и существенно влияет на токи намагничивания стержней магнитопровода. Понятно, что в базисе линейных координат невозможно полноценно распознать насыщение одной или нескольких фаз магнитной цепи.
Цель настоящего изобретения - расширение функциональных возможностей способа защиты трехфазного трансформатора, у которого имеется хотя бы одна группа обмоток, соединенных в треугольник, притом, что токи в треугольнике не наблюдаются. Вносимые усовершенствования направлены на то, чтобы и в таких условиях получить возможность отслеживать процессы в магнитопроводе, в каждой его фазе. Выполняемые операции подобраны в расчете на простейшую конструкцию трансформатора с двумя группами обмоток. Первичные обмотки соединены в звезду, вторичные - в треугольник. Наблюдают токи и напряжения на выводах первичных обмоток (первые величины), а также токи на выводах треугольника (вторые токи). Как и в прототипе, наблюдаемые величины преобразуют в двумерные сигналы, правда, иной природы, нежели в прототипе. Преобразование совершают при помощи модели трансформатора в неповрежденном состоянии, что является центральным ограничительным признаком изобретения. Модель, предназначенную для преобразования информации, составляют из трех автономных частей (подмоделей): первая - подмодель первичных обмоток, вторая - вторичных обмоток, третья - подмодель магнитной системы. Именно подмодели осуществляют формирование двумерных сигналов, на плоскостях которых задают характеристики защиты.
Первую подмодель используют, как и в прототипе, для преобразования первых токов и напряжений в напряжения намагничивания. Вторую и третью подмодели в предлагаемом способе используют не так, как в прототипе, и это обстоятельство относится к числу ограничительных признаков. Вторую подмодель используют для преобразования напряжений намагничивания совместно со вторыми токами в токи вторичных обмоток, соединенных в треугольник. Наконец, третью подмодель, относящуюся к магнитопроводу, используют для преобразования токов первичных и вторичных обмоток каждой фазы в токи намагничивания. Принципиально важную роль играет операция формирования двумерных сигналов. Их формируют из величин, относящихся к магнитной системе трансформатора, а именно из напряжений намагничивания и токов намагничивания каждой фазы магнитопровода. Существенно и то, что на плоскостях двумерных сигналов задают характеристики блокирования защиты, которым в данном способе придается первостепенное значение. Характеристики срабатывания играют подчиненную роль. Срабатывание защиты производят в случае выполнения главного условия. Оно заключается в том, что ни один из двумерных сигналов не отобразится в области блокирования, ограниченной на его плоскости характеристикой блокирования. Для большей надежности могут быть задействованы еще и характеристики срабатывания.
В зависимом пункте формулы изобретения конкретизуется вид двумерных сигналов и операция их формирования.
На фиг. 1 приведена структурная схема трехфазного двухобмоточного трансформатора; на фиг. 2 - его схемная модель; на фиг. 3-5 - алгоритмические модели (подмодели), первая (фиг. 3) - первичных обмоток, вторая (фиг. 4) - вторичных обмоток, третья (фиг. 5) имеет отношение к магнитопроводу. На фиг. 6 дана иллюстрация операции формирования двумерного сигнала, а на фиг. 7 изображена плоскость двумерного сигнала с указанной на ней областью блокирования релейной защиты. На фиг. 8 - примерный вид характеристики намагничивания стали. Функциональные схемы по фиг. 9-11 поясняют действие релейной защиты трансформатора, на фиг. 9 - структура первой подмодели в трехфазном исполнении, фиг. 10 - структура формирователя двумерных сигналов, фиг. 11 - оконечный модуль защиты трансформатора. На фиг. 12 представлены результаты экспериментальной проверки предлагаемого способа.
ν1
ν1
1
1
1
νΔ
ν2
2
2
2
Предлагаемый способ излагается на примере трансформатора с минимальным набором трехфазных обмоток - первичной 1 и вторичной 2 - и магнитопроводом 3. Первичная трехфазная обмотка состоит их фазных обмоток 4-6, соединенных по схеме «звезда с нулем». Вторичная трехфазная обмотка состоит из обмоток 7-9, соединенных в треугольник. Наблюдаются фазные токи и напряжения i(t), u(t), ν=A, B, C на выводах A, B, C первичной обмотки. Фазные токи i(t) вторичной обмотки не наблюдаются. Наблюдаются линейные токи i(t) на выводах треугольника A, B, C.
1
2
1
2
μν1
μν2
ν
В схемной модели трансформатора магнитопровод представлен в виде фазных сердечников 10-12. Выделены параметры обмоток - активные сопротивления R, R, индуктивности рассеяния L, L. В обмотках остаются напряжения намагничивания - первичные u(t) и вторичные u(t), связанные с потоком в сердечнике Ф законом электромагнитной индукции
1
2
где Ψ - потокосцепления, w и w - числа витков обмоток, ν+1 - индекс опережающей фазы.
Заметим, что фазные напряжения вторичных обмоток являются вместе с тем линейными напряжениями отходящей сети, в связи с чем они и обозначаются так, как это принято для линейных напряжений.
Первая подмодель 13 функционирует в соответствии со схемой первичной обмотки, ее входы 14, 15 передают на выход 16 сигнал, представляющий напряжение намагничивания со стороны первичной обмотки
2
1
а после умножения на коэффициент трансформации k=w/w - и со стороны вторичной обмотки
Вторая подмодель 17 действует в соответствии с закономерностями, присущими вторичной стороне трансформатора
μAC2
μBA2
μCB2
A2
B2
C2
AΔ
BΔ
CΔ
Входными величинами для подмодели 17 являются напряжения u, u, u, подаваемые на входы 18-20, и токи на выходе треугольника вторичных обмоток i, i, i, поступающие на входы 21-23. Выходные величины - токи вторичных обмоток i, i, i на выходах 24-26. Описание (3) представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка, моделируемое разностной схемой.
Наконец, третья подмодель 27 действует в соответствии с законом полного тока в приложении к магнитопроводам 10-12
μν1
μν1
μν1
x
Состояние каждого фазного магнитопровода отслеживается при помощи напряжения и тока ветви намагничивания u и i. Возможны различные варианты преобразования этих величин в двумерный сигнал z. Простейший из них - разделение формирователя 31 двумерного сигнал на автономные модули 32, 33. На вход 34 первого из них подается напряжение намагничивания u(t), а с выхода 35 снимается интегральная величина - приращение потокосцепления за время Δt, начиная от момента t
μν1
μν1
x
μν1
x
Второй модуль 33 выполняет более простую операцию определения приращения за то же время тока намагничивания. Из величины i(t), поступающей на вход 36, выбирают два отсчета i(t) и i(t+Δt). На выход 37 подается разность
ν
Двумерный сигнал z представляет собой вектор, компонуемый путем совмещения элементов 38, 39
бл
μν1
ν1
μν1
ν1
μν1
который отображается точкой 40 на плоскости 41. Задаваемая на плоскости область блокирования защиты S состоит из двух частей 42, 43, которые располагаются вблизи оси координаты Δi в первом и третьем квадранте, что имеет простое объяснение. В альтернативных режимах трансформатор не поврежден, как следствие, соотношение между потокосцеплением и током намагничивания сердечника определяется характеристикой намагничивания стали B(H), где B - индукция, H - напряженность магнитного поля. Электротехническая сталь характеризуется малым гистерезисом, поэтому характеристика B(H) проходит по первому и третьему квадрантам и состоит из трех частей - почти вертикального рабочего участка 44 и почти горизонтальных участков насыщения 45, 46. Совпадение знаков индукции B и напряженности H имеет следствием совпадение знаков потокосцепления Ψ и тока намагничивания i. Далее тоже правило распространяется на приращения ΔΨ и Δi.
μAC2
μBA2
μCB2
Трехфазная структурная схема защиты, реализующая предлагаемый способ, начинается с модели 47 первичной обмотки трансформатора, детализирующей модель 13. Масштабирующей блок 48 переводит первичные напряжения намагничивания во вторичные u, u, u, которые необходимы для активирования модели вторичной обмотки 17, а затем и моделей 27 магнитопровода. Структурные элементы 49-59 детализируют операции, совершаемые формирователями 32, 33. Формирователь замеров имеет собственную структуру, состоящую из пускового органа 49 и формирователя переменных двумерных сигналов 50.
Структура оконечной части защиты включает в свой состав разрешающие исполнительные органы 51-53, блокирующие органы 54-56, трехвходовые логические элементы ИЛИ 57, 58, двухвходовый логический элемент И 59 с одним инверсным входом.
1
2
1
2
На подготовительном этапе, до ввода релейной защиты в эксплуатацию, задают параметры трех подмоделей трансформатора 47, 17, 27: сопротивления R и R, индуктивности L и L, коэффициент трансформации k. На этом же этапе проводят обучение защиты и определяют блокирующую характеристику 39. Характеристику срабатывания, иначе разрешающую характеристику, задают в соответствии с общим критерием повреждения, обеспечивающим отстройку от коммутаций нагрузки и от случайных помех. Блокирующие характеристики придают исполнительным органам 54-56, а разрешающие - органам 51-53.
ν1
ν2
ν1
ν1
ν1
ν2
Терминал релейной защиты, подключенный к реальному трансформатору, получает девять входных величин - токи i, i и напряжения u, ν=A, B, C. Их обработка осуществляется в последовательности, предусмотренной предлагаемым способом. Первая подмодель 47 играет роль входного блока защиты, обрабатывающего шесть входных величин i, u в соответствии с алгоритмом (1). Масштабирующий блок 48 осуществляет операцию (2), приводящую его входные напряжения ко вторичной стороне трансформатора. Вторая подмодель 17 является вторым каскадом структурной схемы защиты, получающим сигналы от блока 48, а также со входа терминала защиты - токи i вторичной стороны трансформатора. Модель описывается соотношением (3), правая часть которого определена входными сигналами. Алгоритм действия модели заключается в интегрировании дифференциального уравнения первого порядка, определяющего токи обмоток, соединенных в треугольник.
Третья подмодель 27 и, соответственно, третий каскад защиты, реализует закон полного тока, например, в простейшей форме (4). Четвертый каскад - формирователь двумерных сигналов 50 с пусковым органом 49. Пусковой орган реагирует на изменение закономерности своих входных сигналов
а формирователь 50 реализует операции (5)-(7).
ν
Оконечный каскад 51-59, не задействованный на предварительном этапе обучения защиты, включается в работу при вводе защиты в эксплуатацию. Исполнительные органы 51-56 сравнивают отображения двумерных сигналов z с заданными областями. Каждый орган срабатывает, если сигнал отобразится в его области. Если сработает хотя бы один из блокирующих органов 54-56, то блокируется и выходной орган 59, предотвращая срабатывание защиты. Для срабатывания защиты требуется выполнения двух условий: первое - несрабатывание всех блокирующих органов 54-56; второе - срабатывание по меньшей мере одного из трех разрешающих органов 51-53.
A
1
1
2
2
1
μ1
x
Результаты испытания распознающей способности предлагаемого способа защиты трансформатора приведены на фиг. 12. Броски намагничивающего тока вызывались путем подачи на имитационную модель ненагруженного трансформатора симметричной трехфазной системы напряжений  при γ=0. Параметры обмоток трансформатора: R=0,4082 Ом, L=0,0351 Гн, R=0,1373 Ом, L=0,0118 Гн, коэффициент трансформации k=0,5799. Характеристика намагничивания стали в координатах Ψ(i) задавалась в кусочно-линейном виде с двумя фиксированными точками на участке насыщения: первая - 298,88 Вб и 2,236 А, вторая - 298,97 Вб и 4,473 А. Витковое замыкание через переходное сопротивление 0,1 Ом создавалось в одном витке фазы B первичной обмотки. Момент времени t совпадал либо с моментом начала броска намагничивающего тока, либо с началом короткого замыкания. Приращение времени Δt увеличивалось непрерывно, начиная с минимального значения в 2 мс. Как видно из фиг. 12, во всех трех фазах трансформатора при включении под напряжение наблюдается бросок намагничивающего тока, годограф которого располагается в первом квадранте (фаза A) или в третьем (фазы B и C). Внутривитковое замыкание характеризуется иной формой и иным место расположения годографов, что свидетельствует о надежном разграничении режимов замыкания и броска намагничивающего тока трансформатора.
Источники информации
1. Патент США №5671112, H02H 3/18, 1997.
2. Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С., Павлов А.О. Эволюция дистанционной релейной защиты. - Электричество, 1999, №3, с. 8-15.
3. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С., Романов Ю.В., Воронов П.И. Обучаемая релейная защита. Ч. 1. Методы условных отображений. - Электричество, 2012, №2, с. 15-19.
4. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С., Романов Ю.В., Воронов П.И. Обучаемая релейная защита. Ч. 2. Информационный портрет многомодульной распознающей структуры. - Электричество, 2012, №3, с. 12-18.
5. Патент РФ на полезную модель №166909, H02H 7/26, G01R 31/08, 2015.
6. Патент РФ №2617714, H02H 7/045, 2017.