Способ дифференциальной отсечки силового трансформатора
METHOD OF DIFFERENTIAL CUTOFF OF THE POWER TRANSFORMER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для релейной защиты силовых трансформаторов (СТ) от коротких замыканий (КЗ), и может быть использовано для защиты двухобмоточных и трехобмоточных СТ. Заявляемое изобретение полезно для повышения чувствительности грубого органа дифференциальной защиты (ДЗ) - дифференциальной отсечки (ДО) в случае существенного отличия максимального значения дифференциального тока в режимах броска тока намагничивания (БТН) СТ от максимальных значений токов небаланса при внешних КЗ и при асинхронном ходе (АХ).
Известен способ дифференциальной отсечки силового трансформатора, реализованный в устройстве [Реле для дифференциальной отсечки трансформатора, RU 2356153 C1, 20.05.09, БИ №14], при котором ДО СТ не срабатывает в режиме БТН, при этом селективность распознавания режимов БТН и внутреннего КЗ обеспечена быстродействующим фильтром высших частот. Следовательно, выбор уставки ДО по условию отстройки от БТН не производится, что повышает чувствительность ДО к токам внутреннего повреждения в случае, когда условие отстройки от токов при БТН является определяющим.
Однако в указанном способе для распознавания режимов БТН и КЗ используется гармонический фильтр, вследствие чего при насыщении измерительных ТТ со стальными сердечниками апериодической составляющей тока КЗ возможно появление высших гармоник, вызывающих задержку в работе ДО. Гармонический анализ вторичных токов ТТ в указанных режимах, выполненный в [Купарев М.А. Гармонический анализ токов внутренних коротких замыканий дифференциальной защиты трансформатора. - Электро, 2007. - №3. - С. 15-18], показывает, что при насыщении ТТ в режиме внутреннего повреждения степень содержания высших гармоник в дифференциальном токе может практически не отличаться от таковой в режиме БТН, что обусловливает задержку в выявлении повреждений внутри зоны защиты, так как режим внутреннего КЗ воспринимается защитой как БТН. Кроме того, если режим БТН не является определяющим при выборе уставки ДО, способ теряет свою эффективность.
T1
1
T2
2
Tn
n
1
2
n
F
d
F
Кроме того, известен способ дифференциальной отсечки силового трансформатора [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 549 с.: ил.], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что уставку ДО СТ адаптируют к текущему режиму работы защищаемого СТ, определяя максимально возможный ток небаланса в текущем режиме работы СТ и в соответствии с полученным результатом увеличивая или уменьшая уставку срабатывания. В прототипе в текущий момент времени определяют максимально возможные погрешности измерения тока F(I), F(I), ,…, F(I), вносимые каждым из сравниваемой токов плеч ДО I, I, …, I с учетом нелинейности характеристик измерительных ТТ и других факторов, например текущего отклонения частоты, неточности измерительных преобразователей и т.п. Определенные таким образом погрешности суммируются, образуя максимальный ток небаланса ΔI, после чего уставка по дифференциальному току I загрубляется на величину ΔI. В случае резкого возрастания погрешности ТТ при внешнем КЗ в результате их насыщения может применяться блокировка защиты.
F
d
d
Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Во-первых, изменение уставки ДО на значение ΔI может быть недостаточной мерой для существенного увеличения чувствительности ДО, так как начальная уставка I может быть выбрана из такого режима, в котором защищаемый СТ не всегда находится. Так, традиционно уставка I выбирается исходя из наиболее тяжелого режима, при котором возникает наибольший БТН или наибольшие токи небаланса [Федосеев A.M. релейная защита электрических систем. Учебник для вузов. М.: «Энергия», 1976. - 560 с. с ил.].
F
Во-вторых, способ определения ΔI учитывает целый ряда факторов, оказывающих влияние на погрешность замера ТТ (конструктивные параметры измерительных ТТ, характер их вторичной нагрузки, особенности измерительных преобразователей и т.п.), которые отличаются для каждого отдельного случая выполнения защиты СТ. Учет данных факторов усложняет эксплуатацию защиты.
F
В-третьих, указанный способ предусматривает определение ΔI в режиме насыщения ТТ в результате переходного процесса (ПП), что требует реализации сложной математической модели процессов в первичных и вторичных цепях ТТ. Для корректного действия защиты СТ в разных режимах модель должна иметь возможность восстанавливать первичный ток режиме КЗ и БТН, при этом производимые операции над входными сигналами различаются в зависимости от схемы соединения групп ТТ. Однако для корректного восстановления первичного тока необходимо определить, какому режиму - БТН или КЗ - соответствует вторичный ток в ТТ текущий момент времени, однако неясно, по какому признаку математическая модель различает эти режимы при насыщении ТТ, когда форма вторичного тока значительно искажается, из-за чего тяжело различить эти режимы. Учет большого числа факторов и, как следствие, необходимость выполнения большого числа операций над входными сигналами приводят к усложнению защиты и процесса ее разработки.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение чувствительности ДО к внутренним КЗ и упрощение способа ДО СТ.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе ДО СТ, при котором значение уставки ДО в текущий момент времени корректируют при изменении режима работы защищаемого СТ, при указанной корректировке значение уставки дифференциальной отсечки устанавливают на уровне, при котором дифференциальная отсечка не срабатывает при максимальном значении броска тока намагничивания со стороны энергосистемы, питающей силовой трансформатор, когда фиксируют перевод всех, кроме одного, выключателей, соединяющих защищаемый силовой трансформатор с питающими энергосистемами, в отключенное положение, а при фиксации отключения всех выключателей, связывающих силовой трансформатор с энергосистемами и нагрузкой, значение уставки дифференциальной отсечки устанавливают на уровне, при котором дифференциальная отсечка не срабатывает при максимальном значении броска тока намагничивания со стороны наиболее мощной энергосистемы, при фиксации перевода во включенное положение двух или более выключателей, связывающих две или более энергосистемы через защищаемый силовой трансформатор, значение уставки дифференциальной отсечки устанавливают на уровне, при котором дифференциальная отсечка не срабатывает при максимально возможном броске тока намагничивания, а также при максимальных токах небаланса, вызванных короткими замыканиями вне зоны защиты и асинхронным ходом между энергосистемами, при этом при фиксации перевода во включенное положение двух или более выключателей, связывающих питающую энергосистему с нагрузкой через защищаемый силовой трансформатор, значение уставки дифференциальной отсечки устанавливают на уровне, при котором дифференциальная отсечка не срабатывает при максимально возможном броске тока намагничивания, а также при максимальных токах небаланса, вызванных короткими замыканиями вне зоны защиты, при этом выключатель считают включенным при одновременном замкнутом положении его замыкающего блок-контакта и разомкнутом положении его размыкающего блок-контакта, выключатель считают отключенным при одновременном разомкнутом положении его замыкающего блок-контакта и замкнутом положении его размыкающего блок-контакта, при фиксации иного положения указанных пар блок-контактов без выдержки времени уставку дифференциальной отсечки задают на уровне, при котором дифференциальная отсечка не срабатывает при максимально возможном значении броска тока намагничивания и при максимальных токах небаланса, вызванных короткими замыканиями вне зоны защиты и асинхронным ходом во всех возможных положения выключателей, связывающих силовой трансформатор с энергосистемами и нагрузкой, а спустя время, превышающее с запасом время перевода выключателя из отключенного положения во включенное, формируют сигнал о возникновении неисправности блок-контактов выключателя.
Осуществление способа на примере организации ДО двухобмоточного СТ с двусторонним питанием иллюстрирует приведенная на чертеже функциональная структурная схема.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, содержит следующие элементы.
1. Группа измерительных ТТ (ГТТ) на каждой стороне защищаемого СТ.
2. Размыкающий блок-контакт выключателя Q1 (РБК Q1).
3. Замыкающий блок-контакт выключателя Q1 (ЗБК Q1).
4. Размыкающий блок-контакт выключателя Q2 (РБК Q2).
5. Замыкающий блок-контакт выключателя Q2 (ЗБК Q).
6. Блок определения режима (БОР) работы СТ, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы пары БК Q1 и пары БК Q2 подключены к входам БОР.
7. Блок дифференциальный (БД), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы всех ГТТ подключены к входам БД.
8. Реагирующий орган (РО), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы БОР и БД подключены к входам РО.
Способ осуществляется следующим образом.
Блок РБК Q1 фиксирует текущее положение размыкающего блок-контакта выключателя Q1. Включенное положение этого блок-контакта соответствует появлению на выходе РБК Q1 логического сигнала «1», отключенное положение соответствует появлению на выходе РБК Q1 логического сигнала «0».
Блок ЗБК Q1 фиксирует текущее положение замыкающего блок-контакта выключателя Q1. Включенное положение этого блок-контакта выключателя соответствует появлению на выходе ЗБК Q1 логического сигнала «1», отключенное положение соответствует появлению на выходе ЗБК Q1 логического сигнала «0».
Блок РБК Q2 фиксирует текущее положение размыкающего блок-контакта выключателя Q2. Включенное положение этого блок-контакта соответствует появлению на выходе РБК Q2 логического сигнала «1», отключенное положение соответствует появлению на выходе РБК Q2 логического сигнала «0».
Блок ЗБК Q2 фиксирует текущее положение замыкающего блок-контакта выключателя Q2. Включенное положение этого блок-контакта выключателя соответствует появлению на выходе ЗБК Q2 логического сигнала «1», отключенное положение соответствует появлению на выходе ЗБК Q2 логического сигнала «0».
БОР определяет текущий режим работы защищаемого СТ и формирует на выходе значение уставки ДО , соответствующей текущему режиму СТ. Также БОР имеет сигнальный выход, предназначенный для информирования оперативного персонала о наличии неисправности блок-контактов выключателей.
da
db
dc
a1
b1
c1
a2
b2
c2
БД формирует текущее значение дифференциального тока во всех трех фазах I(t), I(t), I(t), используя измеренные мгновенные значения вторичных фазных токов i(t), i(t), i(t) и i(t), i(t), i(t), производя, по необходимости, корректировку вторичных токов по модулю и по фазе.
da
db
dc
В РО осуществляется сравнение текущего значения уставки  с I(t), I(t), I(t) и формирование управляющего воздействия на отключение защищаемого СТ при условии превышения текущего значения дифференциального тока над .
Текущее значение уставки ДО  принимает 3 возможных значения ,  и , значения уставок соответствуют трем возможным режимам работы двухобмоточного СТ. Режим работы СТ и текущее значение  определяется БОР в зависимости от значений входных сигналов, при этом работа БОР осуществляется по следующему алгоритму.
Если выключатель Q1 (Q2) отключен, а выключатель Q2 (Q1) находится во включенном положении, то в этом режиме невозможен АХ между энергосистемами С1 и С2. В этом режиме внешнее КЗ со стороны питающей линии не вызывает появления значительного тока небаланса в ДЗ СТ, а КЗ на стороне смежного напряжения даже за местом установки ТТ потребует отключения СТ. Таким образом, единственным режимом, определяющим ток срабатывания ДО в этих условиях, является БТН. В этом случае БОР задает значение уставки ДО равным , при котором ДО не срабатывает в режиме максимального БТН со стороны системы С2 (С1). При одновременном отключенном положении выключателей Q1 и Q2 задается большая из уставок  и , так как включение СТ под напряжение может произойти с любой стороны. Максимальное значение токов в режиме БТН можно рассчитать, пользуясь указаниями [Руководящие указания по релейной защите. Вып. 12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. М.: Энергия, 1980. - 88 с., ил.].
В том случае, если оба Q1 и Q2 находятся во включенном положении, то возможен как АХ между энергосистемами, так и внешние КЗ, вызывающие протекание значительного сквозного тока через защищаемый СТ. При таком положении выключателей также возможно возникновение БТН при восстановлении напряжения после устранения близких КЗ. В этих условиях БОР задает такое значение ДО , при котором ДО отстроена от максимального возможного тока небаланса во всех указанных режимах и от максимально возможного значения БТН при включенных выключателях.
Уставки ДО в различных режимах работы СТ определяются заранее и хранятся в элементе памяти защитного устройства, БОР лишь задает одну из ранее определенных уставок в соответствующих режимах. Таким образом, если значение тока небаланса, вызванного внешними КЗ или АХ, превышает значение дифференциального тока, вызванного БТН, то в режиме, когда Q1 (Q2) отключен, обеспечивается большая чувствительность ДО к токам внутреннего повреждения, поскольку режим внешних КЗ и АХ в этих условиях (когда СТ находится в режиме холостого хода) не является определяющим. В защите двухобмоточного СТ чувствительность ДО при отключенном положении Q1 (Q2) повышается в  раз при условии, что .
Для определения положения выключателей используются их блок-контакты. Косвенно определить отключенное положение выключателей путем контроля токов в плечах ДО не представляется возможным, так как выключатели могут быть включены, но при этом ток через соответствующий выключатель СТ может отсутствовать. Поскольку в процессе эксплуатации возможно возникновение дефектов блок-контактов, при которых их текущее положение не соответствует реальному положению главных контактов выключателя, способ предусматривает контроль исправности блок-контактов. Неисправность блок-контактов выключателей выявляют на основании анализа положения двух блок-контактов, один из которых является размокающим, другой - замыкающим. Выключатель считают включенным, если размыкающий блок-контакт находится в разомкнутом положении (выход блока РБК Q1 или РБК Q2 равен значению «0»), а замыкающий - в замкнутом положении (выход блока ЗБК Q1 или ЗБК Q2 равен значению «1»). Выключатель считают отключенным, если размыкающий блок-контакт находится в замкнутом положении (выход блока РБК Q1 или РБК Q2 равен значению «1»), а замыкающий - в разомкнутом положении (выход блока ЗБК Q1 или ЗБК Q2 равен значению «0»). Если фиксируют иное положение блок-контактов, которое продолжается в течение времени, превосходящим время, необходимое на перевод выключателя из отключенного положения во включенное (так как это время превышает время, необходимое на перевод выключателя в отключенное положения из включенного), то формируют команду на сигнал оперативному персоналу о возникновении неисправности, также при возникновении этой ситуации без дополнительной выдержки времени значение уставки ДО задают на таком уровне, который обеспечивает недействие ДО при токе небаланса во всех возможных режимах работы защищаемого СТ (то есть значение уставки ДО принимается равным ), чем устраняют вероятность ложного срабатывания ДО при невозможности достоверно определить режим работы СТ. Так, например, описанная аварийная ситуация фиксируется БОР в случае, когда выходы двух блоков ЗБК Q1 и РБК Q1 (ЗБК Q2 и РБК Q2) равны соответственно логическим сигналам «0», «0» или «1», «1». Одновременно с этим контроль исправности блок-контактов позволяет оперативно устранить повреждение оборудования.
В общем случае питание рассмотренного СТ может быть односторонним. Все вышеприведенные рассуждения относительно определения уставок ДО в различных режимах работы СТ справедливы и в этом случае, за исключением отсутствия необходимости учитывать АХ между энергосистемами, так как данный режим невозможен при одностороннем питании.
Аналогичные рассуждения справедливы при адаптации уставок ДО к различным режимам работы трехобмоточного СТ, однако в этом случае число возможных задаваемых уставок возрастает, поскольку при многостороннем питании трехобмоточного СТ значения токов небаланса при внешних КЗ, АХ и БТН оказываются различными в зависимости от того, какие именно энергосистемы подключены к СТ при различных положениях выключателей.
Применение предлагаемого способа определения текущего режима работы СТ упрощает разработку и эксплуатацию ДО, так как необходимыми входными параметрами для определения режима работы СТ и корректировки уставки ДО являются дискретные сигналы о положении выключателей. В отличие от прототипа, в способе не применяются сложные математические модели измерительного и силового оборудования, требующие учета большего числа параметров (нелинейной характеристики ТТ и характера их нагрузки, частоты питающей сети и т.п.), а следовательно, требующие большого числа операций над входными сигналами.
Техническим результатом является обеспечение повышенной чувствительности ДО к внутренним КЗ за счет более совершенного по сравнению с прототипом способа корректировки значения уставки ДО, при котором значение уставки ДО задают на уровне, обеспечивающем ее недействие при максимальных токах небаланса или БТН, возможных в текущем режиме. В защите двухобмоточного СТ чувствительность ДО при отключенном положении Q1 (Q2) повышается в  раз при условии, что . Упрощение способа ДО СТ достигается за счет меньшего, чем в прототипе, числа операций над входными сигналами, а также наличия контроля исправности блок-контактов выключателя.