Способ дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения
METHOD FOR DIFFERENTIAL PROTECTION OF THYRISTOR BOOSTER DEVICE FOR REGULATION AND STABILIZATION OF VOLTAGE

Изобретение относится к области электротехники, к релейной дифференциальной защите, и может быть использовано для защиты тиристорных вольтодобавочных устройств для регулирования и стабилизации напряжения.
Известен способ дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора, 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 [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, отсутствие возможности применения для тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения из-за непрерывно изменяющихся фазовых углов измеряемых токов.
Известны способ и устройство дифференциальной токовой защиты фазоповоротных трансформаторов [Патент США №US20070041137 A1, «Apparatus and Method for Providing Differential Protection for a Phase Angle Regulating Transformer in a Power System» МПК H02H 3/00, опубл. 22.02.2007г.], в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовых цепей со стороны источника и со стороны нагрузки каждой из фаз фазоповоротного трансформатора, пофазно геометрически суммируют токи всех сторон фазоповоротного трансформатора и при превышении результирующего тока какой-либо фазы установленного порогового значения отключают силовые цепи со всех сторон фазоповоротного трансформатора. Способ включает в себя вычисление токов прямой и обратной последовательностей со стороны источника, вычисление токов прямой и обратной последовательностей со стороны нагрузки, учет угла фазового сдвига для токов прямой и обратной последовательностей, формирование скомпенсированной прямой и обратной последовательностей токов и определение значения рабочего и тормозного токов дифференциальной защиты для прямой и обратной последовательностей на основе скомпенсированных значений.
Недостатком известного способа являются сложность, низкая надежность, несоответствие требованиям нормативных документов [Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ СТО 56947007- 29.240.10.248-2017. ОАО «ФСК ЕЭС» - 2017 - 135 с] и [Правила устройства электроустановок. 7-е изд. − М.: Энергоатомиздат, 2007]. Согласно нормативным документам должны предусматриваться защиты каждого из элементов, входящих в общую систему фазоповротного устройства, а низкая надежность связана с отсутствием возможности селективного выявления короткого замыкания на отдельных участках электроустановки, а также излишним срабатыванием защиты при повреждении трансформаторов тока.
Наиболее близким техническим решением является способ дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора [Патент на изобретение РФ № 2654511 Способ дифференциальной токовой защиты трехфазного трансформатора и автотрансформатора, МПК H02H7/00, H02H7/045, опубл. 21.05.2018 Бюл. № 15], в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовых цепей каждой из сторон каждой из фаз силового трехфазного трансформатора, 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, отличающийся тем, что 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 с ошиновками и формируют матрицы токов фаз на основе теории графов и метода двойной записи, вершинами графа представляют шины, трансформатор, ошиновки между выводами трансформатора и шинами подстанции, а дугами соответственно ветви трансформаторов тока и выключателей, 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, в качестве критерия проверки исправности трансформаторов тока используют соотношение сумм входящих и исходящих токов, поскольку каждая дуга графа отражается с одинаковым весом, соответствующим значению 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, сумма входящих и исходящих токов в двух матрицах становится ошибочной и не соответствует реальной сумме токов схемы, если обе вершины графа, в матрицах которых присутствуют измерения поврежденного трансформатора тока, представляют собой соответствующие защищаемые шины, тогда сумма токов для обеих вершин становится не равной нулю, если одна из вершин графа с поврежденным трансформатором тока является висячей, то сумма токов для всей схемы остается равной нулю, в отличие от случая короткого замыкания в сети, выявляют неисправность одного или двух трансформаторов тока, а также выявляют повреждения на ошиновке трансформатора, производят выдачу контрольного сигнала при выявлении неисправностей трансформаторов тока, реализуют требуемые отключения при повреждениях ошиновки трансформатора.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности его непосредственного применения для тиристорного вольтодобавочного устройства, обеспечивающего регулирование и стабилизацию напряжения в электрической сети.
Действительно, в способ–прототип предназначен непосредственно для организации дифференциальной защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Однако в состав тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения [например, патент на полезную модель РФ № 180964, МПК Н03Н7/18, Н02Н7/122, опубл. 02.07.2018 Бюл. №19] входят следующие основные элементы: сериесный трансформатор; шунтовой трансформатор; тиристорные коммутаторы; ошиновки. Таким образом, анализ состава оборудования способа-прототипа позволяет сделать вывод, что он не может быть применен для выполнения дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети.
Между тем, способ-прототип обладает высокой надежностью за счет обеспечения контроля трансформаторов тока и недопущения срабатывания дифференциальной защиты при их повреждениях. Поэтому целесообразно распространить указанное преимущество и на предлагаемый способ дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети.
Повышенной надежности устройства дифференциальной релейной защиты можно достигнуть путем организации избыточной обработки информации о токах, измеренных для всех элементов тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения и сформированных в специальные матрицы токов [например, Папков Б.В., Куликов А.Л. Элементы теории графов в задачах электроэнергетики: учебное пособие. – Н.Новгород: НИУ РАНХиГС, 2019. – 176 с.].
С другой стороны, разрабатываемый способ дифференциальной защиты должен соответствовать требованиям нормативных документов: «Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ» [СТО 56947007- 29.240.10.248-2017. ОАО «ФСК ЕЭС» - 2017 - 135 с] и «Правила устройства электроустановок». 7-е изд. − М.: Энергоатомиздат, 2007. Согласно нормативным документам должны предусматриваться защиты каждого из элементов, то есть сериесного трансформатора; шунтового трансформатора; тиристорного коммутатора; ошиновок.
Для описания принципа выполнения дифференциальной защиты рассмотрим участок электрической сети 10 кВ с тиристорным вольтодобавочным устройством для регулирования и стабилизации напряжения (фиг. 1). При рассмотрении будем исходить из однофазного исполнения схемы, для трехфазного исполнения аналитические рассуждения и формульные зависимости будут аналогичными. Примем, что для защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения применяются трансформаторы тока 10 кВ - ТА1-ТА6 (фиг.1).
1
6
1
6
Для рассматриваемого электрооборудования (фиг.1) построим однонаправленный граф (фиг.2) с вершинами и дугами, где вершинами V– Vграфа представляются ошиновки, трансформаторы (сериесный и шунтовой), тиристорный коммутатор, а дугами e- eветви трансформаторов тока и выключателей. Дуги отображают факты коммутации и имеют вес, представляющий собой информацию о величине протекающего по ветви тока, полученного путем измерений с помощью соответствующих трансформаторов тока.
Vk
k
mvk
p
p
MVk
=
i,j
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  (где  - номер вершины графа) представляется специальной матрицей вершины ║║ размером x2, где  – 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.
mvk
Vk
i,j
Элементы матрицы , составленной для вершины , определяются следующим образом:
<maths num="1"><img file="00000001.jpg" he="34" wi="112" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(1)
Для схемы (фиг.1) и соответствующего графа (фиг.2) имеем следующие матрицы токов:
MVk
MVk
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 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 дважды, можно осуществить проверку правильности данных о токах.
СI
СO
СI
MVk
СO
MVk
р
р
р
р
р
Для проверки правильности данных о токах составим матрицы входящих и исходящих  токов. Матрица входящих токов формируется путем последовательного заполнения столбцов матрицы размерностью х, где – число вершин графа, из левых столбцов матриц токов , а матрица исходящих токов такой же размерности путем последовательного заполнения по столбцам матрицы размерностью х из правых столбцов матриц токов :
,        (2)
,        (3)
Ak
MVk
Bk
MVk
p
p
p
ak
i
k
k
bk
j=k
k
1
,
i
2,j
где – матрица размером 2x, служащая для преобразования матрицы в матрицу размером x, в которой элемент =1 при =(где  - номер рассматриваемой вершины), а остальные элементы равны нулю.   – матрица размером 2xp, служащая для преобразования матрицы в матрицу размером pxp, в которой элемент  =1 при (где  - номер рассматриваемой вершины), а остальные элементы равны нулю.
В основе проверки правильности данных о токах лежит соблюдение равенства:
СI
-
СO
=0,
T
(4)
0
где - нулевая матрица, размером pxp, в которой все элементы равны нулю.
Для рассматриваемой схемы (фиг.1):
Определение поврежденного элемента в предлагаемом способе дифференциальной защиты может быть реализовано следующим образом.
MVk
Защитой производится сравнение токов по дифференциальному принципу для каждой зоны защиты - сериесного трансформатора, шунтового трансформатора, тиристорных коммутаторов, ошиновки. Защищаемые элементы представляются вершинами графа и описываются матрицами токов . При отсутствии повреждения (тока короткого замыкания) сумма токов, входящих и исходящих из узла (вершины графа) равна нулю. Сумма токов, неравная нулю, свидетельствует о наличии короткого замыкания. Данное утверждение справедливо для всех вершин графа, представляющих защищаемые элементы – сериесный трансформатор, шунтовой трансформатор, тиристорные коммутаторы, ошиновки.
SMVk
Vk
Для проверки наличия тока короткого замыкания для всех вершин графа, представляющих ошиновки, трансформаторы, тиристорные коммутаторы, составляются уравнения для суммы токов в узле (вершине) :
SMVk
=
С
MVk
D
хх= 0,       (5)
С
р
где – матрица-вектор размером 1x, служащая для суммирования токов в различных узлах;
D
– матрица - вектор размером 2x1, служащая для итогового суммирования в узле.
В развернутой форме выражение (5) принимает вид:
MVk
хх= 0.     (6)
В частности, для рассматриваемой схемы (фиг. 2) и соответствующих вершин V2, V3, V4 и V5 графа сумма токов в узле составляет:
<maths num="16"><img file="00000016.jpg" he="38" wi="108" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(7)
<maths num="17"><img file="00000017.jpg" he="38" wi="100" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(8)
<maths num="18"><img file="00000018.jpg" he="38" wi="101" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(9)
<maths num="19"><img file="00000019.jpg" he="38" wi="114" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>.
(10)
Для вершин графа V2, V3, V4 и V5 условиями наличия короткого замыкания в соответствующей зоне действия релейной защиты будут:
- на ошиновке 10 кВ, соответствующей вершине графа V2,
;       (11)
- в шунтовом трансформаторе, соответствующем вершине графа V3,
;        (12)
- на тирирсторных коммутаторах, соответствующих вершине граф V4,
;        (13)
- в сериесном трансформаторе, соответствующем вершине графа V5,
.       (14)
I
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 направлена от нее другой матрицы вершины), то при неверных значениях, выдаваемых трансформаторами тока (значении токов ), 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 соответствующий защищаемые элементы, тогда сумма токов для обеих вершин становится неравной 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.
S
SMVk
Составим матрицу - вектор , размером nx1, где n – число вершин графа со степенью >1 (не являющимися висячими). Строки матрицы представляют собой суммы токов в узлах защищаемых элементов тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения, полученные ранее.
Для рассматриваемой схемы (фиг. 1):
Для вершин графа V2, V3, V4 и V5, представляющих защищаемые элементы (узлы графа не являющиеся висячими), а также ошибочных показаниях трансформаторов тока, вызванных их неисправностью, сумма токов становится неравной нулю.
SUM
S
Е.
Е
Для получения результирующей матрицы  необходимо матрицу  умножить слева на единичный вектор-столбец  Вектор-столбец представляет собой матрицу-вектор размером 1xn, где n - число вершин графа, степени >1, все элементы которого равны единице, служащую для суммирования токов в различных узлах
,      (15)
.
Признаки, необходимые для функционирования дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения при различных соотношениях токов для схемы фиг.1 и результатах выполнения матричных операций по выражениям (5) и (15) сведены в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты матричных операций и признаки функционирования дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения
Результирующее значение матричной операции
Признаки функционирования дифференциальной защиты
<i>SMV</i>2
<i>SMV</i>3
<i>SMV</i>4
<i>SMV</i>5
<i>SUM</i>
0
0
0
0
0
Ток КЗ отсутствует, ТТ исправны.
≠0
0
0
0
≠0
Ток КЗ на элементе, соответствующем вершине <i>V2</i> (ошиновке 10 кВ).
0
≠0
0
0
≠0
Ток КЗ на элементе, соответствующем вершине <i>V3</i> (шунтовом трансформаторе).
0
0
≠0
0
≠0
Ток КЗ на элементе, соответствующем вершине <i>V4</i> (тиристорные коммутаторы).
0
0
0
≠0
≠0
Ток КЗ на элементе, соответствующем вершине <i>V5</i> (сериесном трансформаторе).
≠0
≠0
0
0
0
Неисправен трансформатор тока <i>CT2</i> (дуга <i>е</i><sub>2</sub> графа).
0
≠0
≠0
0
0
Неисправен трансформатор тока <i>CT3</i> (дуга <i>е</i><sub>3</sub> графа).
0
0
≠0
≠0
0
Неисправен трансформатор тока <i>CT4</i> (дуга <i>е</i><sub>4</sub> графа).
≠0
0
0
≠0
0
Неисправен трансформатор тока <i>CT5</i> (дуга <i>е</i><sub>5</sub> графа).
CT1, CT6
CT2
CT5
Примечание: Неисправность трансформаторов тока  диагностируется в случае отсутствия сигнала исправности трансформаторов тока и при наличии сигналов исправности  – .
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 тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения с использованием таблицы 1. При этом обеспечивается не только действие защиты при повреждениях внутри элементов, входящих в систему тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения, 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.
Задачей изобретения
является разработка способа дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети повышенной надежности и соответствующего требованиям нормативным документам. Предлагаемый способ защиты должен обеспечивать выявление неисправностей трансформаторов тока, исключение действия защиты в таких случаях, а также выдачу контрольного сигнала при неисправности соответствующего трансформатора тока без ухудшения быстродействия защиты и применения дополнительных устройств.
Технический результат
достигается способом дифференциальной токовой защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения, в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовых цепей каждой из сторон каждой из фаз тиристорного вольтодобавочного устройства, пофазно геометрически суммируют токи от трансформаторов тока и при превышении результирующего тока какой-либо фазы установленного порогового значения отключают силовые цепи со всех сторон тиристорного вольтодобавочного устройства, выполняют матричное описание соотношения токов для тиристорного вольтодобавочного устройства и формируют матрицы токов фаз на основе теории графов и метода двойной записи, вершинами графа представляют шины, а дугами соответственно ветви трансформаторов тока и выключателей, реализуют операции над матрицами токов фаз для получения результирующих токов, анализируют соотношение результирующих токов и на основе соответствующего анализа проверяют условия срабатывания дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства, в качестве критерия проверки исправности трансформаторов тока используют соотношение сумм входящих и исходящих токов, поскольку каждая дуга графа отражается с одинаковым весом, соответствующим значению 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, сумма входящих и исходящих токов в двух матрицах становится ошибочной и не соответствует реальной сумме токов схемы, выявляют неисправность одного или двух трансформаторов тока, а также выявляют повреждения на ошиновке тиристорного вольтодобавочного устройства, производят выдачу контрольного сигнала при выявлении неисправностей трансформаторов тока, реализуют требуемые отключения при повреждениях ошиновки тиристорного вольтодобавочного устройства. Согласно предложения устанавливают трансформаторы тока со всех сторон элементов тиристорного вольтодобавочного устройства: сериесного и шунтового трансформаторов, а также тиристорного коммутатора, дополнительно вершинами графа представляются сериесный и шунтовой трансформатор, а также тиристорный коммутатор, выявляют повреждения сериесного и шунтового трансформаторов, а также тиристорного коммутатора по соотношению токов, реализуют требуемые отключения при повреждениях указанных элементов тиристорного вольтодобавочного устройства.
Способ дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения 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 тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения представлен на фиг.3. Функции дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения возложены на отдельный обособленный терминал.
1
6
1
2
1
2
На фиг.3 изображен участок электрической сети 10 кВ с секциями шин итиристорное вольтодобавочное устройство для регулирования и стабилизации напряжения. Устройство (фиг.3) содержит терминал дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства 1; трансформаторы тока 2 – 2; выключатели присоединений 3 и 3; шины подстанции 4 и 4; сериесный трансформатор 5; шунтовой трансформатор 6; тиристорный коммутатор 7.
Способ реализуется следующим образом.
1
6
1
6
I
I
При постановке тиристорного вольтодобавочного устройства под напряжение в обмотках трансформаторов тока 2 – 2 начинают протекать соответствующие токи  … . Терминал защиты 1 осуществляет непрерывное измерение дискретных значений токов, которые поступают в терминал по каналам связи. В терминале 1 формируются и производятся вычисления над матрицами токов по выражениям (5), (15), определяются величины, характеризующие функционирование дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения согласно таблице 1.
1
2
В случае возникновения признаков, указывающих на повреждение внутри тиристорного вольтодобавочного устройства, на его элементах: сериесном и шунтовом трансформаторах, а также тиристорном коммутаторе, терминалом 1 вырабатываются и выдаются сигналы на отключение с воздействием на выключатели 3и 3.
1
6
1
2
1
6
Дополнительно терминалом 1 дифференциальной защиты тиристорного вольтодобавочного устройства для регулирования и стабилизации напряжения непрерывно проверяется выполнение условий согласно таблице 1 и в случае возникновения повреждений трансформаторов тока 2 – 2 выдается контрольный сигнал о повреждении соответствующего трансформатора тока. При этом действия защиты на отключение выключателей 3и 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 поврежденного трансформатора тока.
Таким образом, выполнение операций над матрицами токов, сформированных с применением теории графов и «метода двойной записи», позволяет решить задачу изобретения – обеспечение высокой надежности способа тиристорного вольтодобавочного устройства путем выявления неисправностей трансформаторов тока, исключения действия защиты в таких случаях и выдачи контрольного сигнала при неисправности соответствующего трансформатора тока. Следует отметить, что обеспечение предлагаемым способом дифференциальной защиты отдельных элементов тиристорного вольтодобавочного устройства достигается соблюдение требований нормативных документов.