БЛОК ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Заявленное техническое решение относится к релейной защите электрических систем от коротких замыканий (КЗ) и может применяться для защиты трансформаторов.
Из существующего уровня техники известно, что основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения КЗ и быстрое автоматическое отключение поврежденного элемента сети. Наибольшее распространение получили защиты с вторичными реле косвенного действия, требующие дополнительные источники оперативного тока. Для питания оперативных цепей применяют источники постоянного и переменного тока. Источники постоянного оперативного тока являются универсальными, но требуют отдельных цепей, оборудования, обслуживания и поэтому используются на больших распределительных подстанциях. На малых подстанциях имеется только переменное оперативное питание. При КЗ во внешних цепях это напряжение сильно «подсаживается», что требует использования специальных накопительных источников питания или реле защиты, не требующие отдельного источника оперативного питания. Для питания реле защиты также можно использовать измерительные токовые цепи, при условии, что потребляемая мощность не будет превышать заданных величин. Трансформаторы тока являются надежным источником питания оперативных цепей для защит от КЗ, так как при КЗ на зажимах трансформатора тока увеличивается ток, поэтому в момент срабатывания защиты мощность трансформатора тока возрастает, что и обеспечивает надежное питание оперативных цепей.
T
Дифференциальная защита основана на пофазном сравнении вторичных токов , и , полученных от трансформаторов тока, установленных на противоположных сторонах защищаемого объекта. В дифференциальных защитах с торможением для улучшения селективности действия защиты при внешних КЗ дифференциальный ток, равный сумме токов , сравнивают с уставкой срабатывания и отдельно формируемым тормозным током I, при превышении которых дифференциальным током вырабатывают сигнал на отключение защищаемой электроустановки.
Известны реле тока дифференциальное с торможением ДЗТ-11 и другие [1], предназначенные для дифференциальной защиты одной фазы силовых трансформаторов, в которых торможение дифференциальной защиты осуществляется током небаланса за счет насыщения промежуточного трансформатора. Реле обеспечивают торможение от одной группы измерительных трансформаторов тока и не требуют для работы отдельного источника оперативного тока. Недостатками данного технического решения [1] являются: 1) низкая чувствительность; 2) тормозной ток не зависит от соотношений фаз контролируемых токов; 3) большое потребление энергии от измеряемых токовых цепей.
Известен способ дифференциальной защиты, по которому для улучшения отстройки от внешних КЗ и бросков тока небаланса используют времяимпульсный принцип, основанный на анализе длительности пауз в кривой дифференциального тока [1]. Недостатки данного технического решения [1] - низкая помехоустойчивость, что снижает надежность работы защиты. Кроме того, при токах внутреннего КЗ, близких к уставке срабатывания, и наличии апериодической составляющей в токах КЗ, время срабатывания защиты существенно увеличивается.
Известно устройство [2] для дифференциальной отсечки трансформатора, подключенное к дифференциальной цепи вторичных обмоток измерительных трансформаторов тока и содержащее реле максимального переменного тока, высокодобротный параллельный резонансный колебательный контур 50 Гц. Недостатки данного технического решения [2] - нет функции торможения и относительно большое время срабатывания защиты.
Известно устройство [3] быстрой блокировки диффзащиты трансформатора при бросках тока намагничивания, содержащее электронные схемы умножения, интегрирования, выпрямления, сравнения и принятия решения. Недостатками данного технического решения [3] - техническая сложность и требование наличия источника оперативного тока.
Известно, что современные защиты выполняют на базе программируемых, микропроцессорных терминалов [4]. В них в качестве тормозного тока берется или максимальный ток одной из сторон, или сумма модулей токов сторон. Недостатками данного технического решения [4] являются: 1) необходимость отдельного источника оперативного тока; 2) тормозной ток не зависит от соотношений фаз контролируемых токов; 3) сложность и высокая стоимость.
Известен способ дифференциальной защиты электроустановки, реализованный в программируемом микропроцессорном терминале дифференциальной защиты [5]. Терминалом пофазно реализуются, в частности, функции формирования дифференциального тока, формирования тормозного тока, пропорционального корню квадратному из скалярного произведения векторов фазных токов, измеренных на разных сторонах защищаемой электроустановки, и функции реагирующего органа, в котором происходит сравнение дифференциального тока с уставкой и тормозным током. Недостатки технического решения [5]: 1) при работе таких защит наблюдаются режимы внешних КЗ, в которых вследствие переходных процессов возможны ложные срабатывания; 2) необходимость отдельного источника оперативного тока; 3) сложность и высокая стоимость.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является выбранный в качестве прототипа [6] способ дифференциальной защиты электроустановки, в котором для исключения необходимости снижения чувствительности защиты во избежание ее срабатывания при внешних КЗ, сопровождающихся интенсивными переходными процессами, пофазно формируют дифференциальный ток, пропорциональный разности вторичных токов на входе и выходе защищаемой электроустановки, и тормозной ток, состоящий из двух слагаемых, первое из которых пропорционально корню квадратному из векторного произведения указанных вторичных токов, а значения второго вычисляют путем интегрирования дополнительного тока, равного разности между суммой модулей указанных вторичных токов и модулем дифференциального тока, затягивают спад второго слагаемого тормозного тока, сравнивают дифференциальный ток с уставкой и тормозным током и по результатам сравнения выдают сигнал на срабатывание защиты (отключение электроустановки).
Недостатки прототипа - при работе защит, реализующих способ [6], требуются сложные алгоритмы формирования тормозного тока, свойственные сложным и дорогостоящим терминальным устройствам защиты. Это также требует присутствия источников постоянного оперативного питания. Для релейной защиты силовых трансформаторов распределительных сетей, где используется переменное оперативное питание, данный метод не подходит.
Задачи, на решение которых направлено заявляемое техническое решение - обеспечение селективности действия защиты при внешних КЗ, сопровождающихся интенсивными переходными процессами, без снижения ее чувствительности с возможностью использования данного устройства в защитах трансформаторов, где отсутствуют источники оперативного тока, а также повышение надежности и упрощение устройства.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является исключение необходимости снижения чувствительности защиты во избежание ее срабатывания при внешних КЗ, сопровождающихся интенсивными переходными процессами, возможность использования данного устройства в защитах трансформаторов, где отсутствуют источники оперативного тока, например при модернизации защит трансформаторов от КЗ, построенных на реле тока дифференциальное с торможением ДЗТ-11 ТУ 16-523.464-74 и других.
Раскрытие технического решения
Данная задача решается за счет того, что заявленное техническое решение, блок дифференциальной защиты трансформатора, характеризующийся тем, что не требует отдельного источника оперативного тока, сравнивает дифференциальный ток с уставкой и тормозным током и по результатам сравнения выдает сигнал на срабатывание защиты, включает пофазный формирователь дифференциального тока, пропорционального сумме вторичных токов на сторонах защищаемого трансформатора, формирователь тормозного тока, являющейся функцией значений вторичных токов и фаз между ними так, что при неизменных значениях токов, зависимость тормозного тока от фазы между токами представляется в виде функции кардиоиды, а также дополнительные блоки контроля уровня второй гармоники дифференциального сигнала, контроля дифференциального тока, дифференциальной отсечки и блокировки торможения.
Краткое описание чертежей
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 и 2 изображены сравнительные функциональные зависимости тормозного тока от фазы между векторами сравниваемых контролируемых токов, в ортогональных и полярных координатах, соответственно: 1, 4 - для реле ДЗТ-11 и других различных реле, в которых тормозной ток определяется как сумма модулей токов сторон или как максимальный ток одной из сторон защищаемого трансформатора; 2, 5 - для прототипа в отсутствие КЗ; 3, 6 - для заявленного технического решения. По заявленному техническому решению разработан блок релейной защиты трансформатора. На фиг.3 представлена блок-схема измерительной части устройства с модулем питания. На фиг.4 представлена функциональная схема работы устройства.
Работает устройство следующим образом.
Поскольку дифференциальная защита работает пофазно, дальнейшее изложение относится к каждой фазе защиты.
Тормозной ток формируется по следующему алгоритму. Из амплитуд и фаз вторичных фазовых токов , , , измеренных по разные стороны защищаемого объекта, формируются вспомогательные токи , и , равные:
Дифференциальный ток определяется как геометрическая сумма исходных токов:
T
Значение тормозного тока I определяется функцией кардиоиды:
где θ - угол между  и . Такая характеристика тормозного тока позволяет плавно увеличивать чувствительность срабатывания при внутренних КЗ, когда оба вектора тока , и  направлены в одну сторону.
T
График функциональной зависимости (4) I от θ показан на фиг.1 (в декартовых координатах) и фиг.2 (в полярных координатах), кривые 3 и 6. Для сравнения, здесь же приведены графики аналогичных зависимостей для реле ДЗТ-11 и других различных реле, в которых тормозной ток определяется как сумма модулей токов сторон или как максимальный ток одной из сторон защищаемого трансформатора (кривые 1 и 4), и для прототипа в отсутствие КЗ (кривые 2 и 5).
Блок-схема измерительной части устройства с модулем питания представлена на фиг.3 и содержит следующие функциональные блоки:
7…9 - вторичные измерительные трансформаторы тока (ТТ1-ТТ3);
10 - модуль питания (МП);
11…13 - схемы выравнивания (СВ1-СВ3);
14…17 - формирователи аналоговых сигналов (ФС1-ФС4);
18 - цифровая обработка сигналов (ЦОС).
Электронная часть блока защиты спроектирована с использованием микроконтроллера с малым потребляемым током. С учетом оптимизации программного кода и выбора более простого алгоритма формирования тормозного тока, чем у прототипа, устройство потребляет от измерительных токовых цепей мощность не выше допустимого. Модуль питания 10 вырабатывает необходимую энергию для питания схемы и запасает энергию, которая используется для удержания выходного реле устройства до отключения трансформатора.
1
3
1
2
3
1
3
1_2
1
2
D
T
Входные измерительные токи I…I сторон защищаемого трансформатора поступают на вторичные токовые трансформаторы 7-9. К выходам этих трансформаторов подключены модуль питания 10 и схемы выравнивания 11-13 для выравнивания базисных токов сторон защищаемого трансформатора. С выходов блоков 11-13 измеряемые сигналы поступают на формирователи сигналов 14-17, где производится предварительная частотная фильтрация и амплитудная селекция. В блоке 17 также производится формирование дифференциального сигнала. Полученные сигналы с выходов блоков 14-17 поступают на блок цифровой обработки сигналов 18, который выполнен программно. После обработки в блоке 18 получаются вторичные сигналы для использования в логике срабатывания дифференциальной защиты: i, i, i, - оцифрованные значения токов первой гармоники I-I; I - вторая гармоника дифференциального тока; I′ и I′ - значения вспомогательных токов; I - дифференциальный ток; I - тормозной ток. Вторичные сигналы с выходов блока 18 далее обрабатываются в микроконтроллере устройства согласно функциональной схеме, изображенной на фиг.4.
Функциональная схема на фиг.4 состоит из:
19 - блок уставок;
20 - блок измерения броска тока намагничивания;
21 - блок дополнительного торможения;
22 - блок контроля дифференциального тока;
23 - блок быстрого отключения;
24…26 - блоки логических операций;
27 - выходное реле устройства.
1
2
Блок уставок 19, сравнивая значения дифференциального тока с уставкой и тормозным током, вырабатывает логический сигнал срабатывания/отпускания защиты. Блок 20 вырабатывает логический сигнал на блокировку срабатывания защиты в зависимости от уровня второй гармоники в спектре дифференциального тока, который распознает броски тока намагничивания трансформатора. Блок 21 вырабатывает логический сигнал на блокировку срабатывания защиты в зависимости от значений вспомогательных токов I′ и I′ для дополнительного блокирования при внешних КЗ. Блок 22 вырабатывает логический сигнал на блокировку срабатывания защиты путем контроля поведения величины дифференциального тока при включении защиты. Блок 23 вырабатывает логический сигнал на срабатывание защиты при превышении дифференциального тока уставки срабатывания отсечки. Блоками 24, 25, 26 производится логическая обработка выходных сигналов блоков 19-23. С выходов блоков 20 и 21 сигналы поступают на блок 24 (схема логического ИЛИ). Блок 25 представляет собой схему логической операции X∧¬Y∧¬Z, где X, Y, Z - входы блока. Вход X блока 25 соединен с выходом блока 19, вход Y блока 25 соединен с выходом блока 20, вход Z блока 25 соединен с выходом блока 22. Выход блока 25 и выход блока 23 подключаются ко входам блока 26, который представляет собой схему логического ИЛИ. Выход блока 26 соединен с блоком 27 - выходным реле устройства защиты.
На основе заявленного технического решения в виде полезной модели блока дифференциальной защиты трансформатора разработан подготовлен к производству блок защиты трансформатора БРЗТ-11. Предполагается его использовать для модернизации существующих защит от КЗ трансформаторных подстанций, где отсутствуют дополнительные источники постоянного оперативного тока. В настоящее время в них используются реле дифференциальной защиты с торможением ДЗТ-11.
Источники информации
1. Н.В. Чернобровов, В.А. Семенов. Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1998, С.595-606.
2. RU 2356153 C1 20.05.2009. Реле для дифференциальной отсечки трансформатора.
3. RU 2368990 C1 27.09.2009. Электронное устройство быстрой блокировки диффзащиты трансформатора.
4. Э.М. Шнеерсон. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007. С.239-244.
5. ABB MODULES. Цифровая защита генераторов. Тип REG 216. Рабочие инструкции. Издание АББ Реле-Чебоксары. Январь 1994.
6. RU 2261510 C1 26.02.2004. Способ дифференциальной защиты электроустановки.