автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование и разработка микропроцессорных защит силовых трансформаторов с высшим напряжением

кандидат технических наук
Антонов,
Дмитрий Борисович
город
Иваново
год
2005
специальность ВАК РФ
05.14.02
Автореферат по энергетике на тему «Исследование и разработка микропроцессорных защит силовых трансформаторов с высшим напряжением»

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка микропроцессорных защит силовых трансформаторов с высшим напряжением"

На правах рукописи

АНТОНОВ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ЗАЩИТ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВЫСШИМ НАПРЯЖЕНИЕМ

35-110 кВ

Специальность: 05.14.02 «Электростанции и электроэнергетические системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново2005

Работа выполнена на кафедре «Автоматическое управление электроэнергетическими системами» ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» и в ЗАО «РАДИУС Автоматика», г. Зеленоград.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Аржанников Евгений Александрович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Савельев Виталий Андреевич, кандидат технических наук, профессор Белов Владимир Павлович

Ведущая организация: ОАО «Энергосетьпроект», г.Москва

Защита состоится « QY» _2005 г. в « ¡4 » часов на засе-

дании диссертационного Совета Д 212.064.01 при Ивановском государственном энергетическом университете (ИГЭУ) по адресу: г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, ИГЭУ. £23 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим высылать по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, ИГЭУ, Ученый совет. Факс: (0932) 38-57-01. e-mail: dmit8080@mail.ru

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 212.064.01, ^---

доктор технических наук, проф. Мошкарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической сети любого класса напряжения. Передача электроэнергии на большие расстояния от места производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-, шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Необходимо отметить, что по мере удаления от электростанции снижается класс напряжения и единичная мощность трансформаторов. Одновременно увеличивается число используемых в распределительных сетях трансформаторов. Поэтому основная часть силовых трансформаторов - понижающие трансформаторы с высшим напряжением 110 и 35 кВ. Релейная защита (РЗ), установленная на этих трансформаторах, имеет самый низкий процент правильной работы по сравнению с РЗ других элементов сети, что свидетельствует о ее недостаточном техническом совершенстве. По данным, на пример, за период 2000-2003 гг. - средний процент правильной работы релейной защиты трансформаторов и автотрансформаторов составил 89,5 %, в то время как тот же показатель для всей массы устройств релейной защиты равен 99,52%.

В свое время в СССР был выполнен огромный комплекс научных исследований в области дифференциальных защит трансформаторов (в основном в Новочеркасском политехническом институте), особо следует отметить работы А.Д. Дроздова, А.С. Засыпкина, Э.В. Подгорного, Г.В. Бердова, A.M. Дмитренко и ряда других ученых.

Исследования завершились созданием ряда реле, удовлетворяющих требованиям того времени. Однако с течением времени требования меняются, поскольку появление микропроцессорной техники открывает перед разработчиками новые широкие возможности и в настоящее время эффективность отечественных защит существенно отстала от аналогичного показателя зарубежных защит.

В настоящее время на подавляющем большинстве трансформаторов основная защита выполняется с применением дифференциальных токовых реле серии РНТ-560, ДЗТ-10 и ДЗТ-20. Статистика показывает, что данные реле имеют низкий процент правильной работы: РНТ-560 - 92,2 %; ДЗТ-10 -88,4 %; ДЗТ-20 - 59,2%.

Реле ДЗТ-21 - наиболее современное среди указанных. Его минимальная уставка срабатывания составляет 0,3 от номинального тока трансформатора. Но реле имеет крайне низкий процент правильной работы.

Реле серии РНТ-560 и ДЗТ-10 морально устарели, т.к. выполнены на электромеханической базе. Они не позволяют получить первичный ток срабатывания защиты ниже (1,3-1,5) от номинального тока защищаемого трансформатора, что, в частности, не обеспечивает работу защиты при витковых коротких замыканиях (КЗ) в трансформаторе. Техническое несовершенство на-

ших защит особенно заметно на фоне современных микропроцессорных защит зарубежных фирм, позволяющих иметь уставки (0,1-0,3) от номинального тока. Однако следует отметить как дороговизну иностранных микропроцессорных защит, так и плохую их адаптацию к условиям электроэнергетики России.

Учитывая изложенное, актуальной становиться проблема создания комплекса защит, отвечающего современным требованиям.

Последние годы основным направлением в стратегии развития и технического перевооружения релейной защиты и автоматики объектов электроэнергетики является внедрение и освоение микропроцессорных устройств.

Использование микропроцессорной техники позволит повысить эффективность функционирования релейной защиты трансформаторов. А это в свою очередь обеспечивает экономических эффект по следующим составляющим:

— уменьшение затрат на ремонт благодаря ограничению объема разрушения защищаемого трансформатора в пределах одной-двух катушек;

— уменьшение ущерба за счет сокращения времени ремонта трансформатора.

Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования релейной защиты трансформаторов средней мощности 10-60 MB А класса напряжения 35-110 кВ путем разработки и создания современного отечественного микропроцессорного комплекса защит.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Исследование и разработка структуры микропроцессорного комплекса защит, автоматики и сигнализации силового трансформатора.

2. Разработка математических моделей для расчета электромагнитных переходных процессов при коммутациях в цепях силового трансформатора ориентированных на использование современных систем моделирования.

3. Анализ существующих и выбор наиболее эффективных принципов выполнения дифзащиты трансформаторов.

4. Исследование и разработка способов ликвидации замедления действия чувствительной ступени дифференциальной защиты при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока КЗ.

5. Разработка способа уменьшения составляющей тока небаланса в дифференциальной цепи, обусловленной изменением положения устройства регулирования под нагрузкой силового трансформатора.

6. Исследование возможности и разработка способа компенсации неравенства вторичных токов в плечах дифзащиты и фазового сдвига в трансформаторе цифровым способом внутри микропроцессорного устройства дифференциальной защиты.

7. Выбор целесообразной формы тормозной характеристики и способа формирования тормозного тока для защит двухобмоточных и трехобмоточ-ных трансформаторов.

8. Уточнение методик выбора параметров и уставок микропроцессорных дифференциальных защит трансформаторов.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались: современные методы математического и физического моделирования, теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория основ электротехники (ТОЭ).

Научная новизна:

1. Разработаны математические модели, обеспечивающие проведение анализа переходных процессов при коммутациях в цепях трехфазной группы однофазных и трехфазных трансформаторов.

2. Разработан способ ликвидации замедления действия чувствительной ступени дифференциальной защиты при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока короткого замыкания, основывающийся на качественном критерии различия броска тока намагничивания и короткого замыкания.

3. Предложен способ уменьшения погрешности, вносимой изменением положения устройства регулирования напряжения под нагрузкой силового трансформатора, основанный на контроле коэффициента трансформации тока нагрузки.

4. Получены результаты, показывающие, что для обеспечения устойчивого функционирования дифференциальной защиты с торможением по 2-й гармонике в условиях отклонения частоты в энергосистеме от 50 Гц для выделения второй гармоники следует применять специальные фильтры с усиленным подавлением частот, близких к 50 Гц.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается проверкой адекватности разработанных математических моделей, сопоставлением результатов моделирования и реальных электромагнитных переходных процессов, а также положительным опытом эксплуатации в энергосистемах России разработанных микропроцессорных терминалов защит и автоматики силовых трансформаторов.

Практическая ценность:

1. Разработана структура микропроцессорных защит и устройств автоматики силового трансформатора для двухтрансформаторной подстанции средней мощности напряжением 35-110 кВ.

2. Разработано программное обеспечение микропроцессорных терминалов: управления высоковольтным выключателем и резервных защит трансформатора «Сириус-УВ», дифференциальной защиты двух- и трехобмоточ-ных трансформаторов «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ».

3. В разработанном программном обеспечении реализованы: алгоритмы цифровой фильтрации первой и второй гармоник тока в цепи дифференциальной защиты с торможением по 2-й гармонике, обеспечивающие правильное функционирование защиты при незначительных отклонениях частоты в системе от 50 Гц; способ цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора, выравнивания вторичных токов и компенсации фазового сдвига в трансформаторе.

4. Уточнена методика выбора уставок микропроцессорной дифференциальной защиты двух- и трехобмоточного трансформатора и разработана методика выбора параметров внутренней цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований и разработок использованы автором при создании устройств микропроцессорных защит «Сириус-УВ», «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ». Данные терминалы выпускаются серийно на предприятии ЗАО «РАДИУС Автоматика» с 2004 г.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структура микропроцессорного комплекса защит, автоматики и сигнализации силовых трансформаторов средней мощности напряжением 35-110 кВ. Распределение функций между терминалами, входящими в состав комплекса.

2. Математические модели для анализа переходных процессов при коммутациях в цепях трехфазной группы однофазных и трехфазных трансформаторов.

3. Методика выбора параметров внутренней цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора.

4. Способ уменьшения погрешности, вносимой изменением положения устройства регулирования под нагрузкой силового трансформатора, основанный на контроле коэффициента трансформации тока нагрузки.

5. Использование специального фильтра выделения второй гармоники для обеспечения устойчивого функционирования дифференциальной защиты с торможением по 2-й гармонике в условиях отклонения частоты в энергосистеме от 50 Гц.

6. Способ ликвидации замедления действия чувствительной ступени дифференциальной защиты при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока КЗ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах и заседаниях кафедры АУЭС ИГЭУ, Иваново, 20032004 гг., на научно-технической конференции «ЛЭП-2003», а также на XXVI сессии семинара «Кибернетика электрических систем» ЮРГТУ (НГТИ), 2004 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы подготовлены к печати и опубликованы 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 80 наименований. Основной текст раскрыт на 142 стр. Содержится 68 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели, отражена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дается общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены особенности внедрения микропроцессорных устройств в электроэнергетику России; указаны основные отечественные фирмы-изготовители микропроцессорных зашит, их сфера деятельности. Также рассмотрен комплекс микропроцессорных терминалов для защиты, автоматики и управления подстанции средней мощности, выявлена необходимость в разработке недостающих терминалов, которые дали бы возможность полностью обеспечить защиту подстанции.

Внедрение микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики началось примерно 10 лет назад. Но, несмотря на довольно высокие темпы внедрения, микропроцессорные устройства в настоящий момент составляют довольно ничтожную долю от всего количества устройств, находящихся в эксплуатации. Следует признать, что по-настоящему широкому внедрению микропроцессорных устройств препятствует их довольно значительная стоимость. Массовое внедрение в российскую электроэнергетику микропроцессорных устройств еще впереди. И основные трудности носят не технический характер, а экономический.

Продукция отечественных фирм мало отличается по качеству от аналогичной продукции западных фирм, но стоит намного меньше. Это должно стать определяющим фактором при выборе внедряемых в эксплуатацию устройств защит.

Из отечественных фирм-изготовителей микропроцессорной продукции следует особо отметить три фирмы - НТЦ «Механотроника» (г. С.Петербург), ЗАО «РАДИУС Автоматика» (г. Зеленоград), НПП «ЭКРА» (г. Чебоксары). Раздел сфер деятельности между этими фирмами сложился исторически - НТЦ «Механотроника» в основном занимается устройствами защиты-автоматики присоединений 6-10 кВ; ЗАО «РАДИУС Автоматика» также специализируется на устройствах 6-10 кВ, хотя одновременно захватила лидирующие позиции в производстве фиксирующих микропроцессорных приборов для линий 110-220 кВ; «ЭКРА» специализируется на устройствах

защиты и автоматики линий электропередачи и оборудования подстанций 110-220 кВ, а также на защитах генераторов и блоков.

Российские фирмы стремятся расширить ассортимент своей продукции -Механотроника и Радиус начинают разработку терминалов для более высоких напряжений, ЭКРА начинает разработки для более низких напряжений. Очевидно, пересечение интересов отечественных фирм произойдет на уровне защит силовых трансформаторов подстанций (в основном понижающих).

В частности, разработки в этом направлении начаты 2 года назад в фирме «РАДИУС Автоматика».

Для того чтобы оснастить своими устройствами всю двухтрансформатор-ную подстанцию средней мощности в ассортименте фирмы не хватает:

— защит силовых трансформаторов;

— терминала управления и автоматики выключателя стороны ВН силового трансформатора.

Требуемый состав защит трансформаторов хорошо известен. Задача состоит в распределении защит по терминалам. Указанная проблема решается в данной главе.

Разработанный комплекс защиты трансформатора состоит из двух терминалов:

— терминал дифференциальной и максимально-токовой защит двухобмо-точного трансформатора «Сириус-Т» (трехобмоточного трансформатора «Сириус-ТЗ»);

— терминал управления выключателем стороны ВН и резервных защит трансформатора «Сириус-УВ».

Разделение функций производилось по следующим критериям:

— максимальный учет требований ближнего и дальнего резервирования;

— основная (абсолютной селективности) и резервная (относительной селективности) защиты должны находиться в разных терминалах;

— отключение выключателя ВН должно обеспечиваться от обоих терминалов независимо друг от друга;

— газовая защита должна иметь возможность действовать на отключение через оба терминала;

— вся сигнализация и автоматика управления выключателем располагается в устройстве управления выключателем «Сириус-УВ»;

— вся сигнализация и автоматика силового трансформатора располагается в устройстве «Сириус-Т».

На основании этих критериев получаем структуру комплекса изображенную на рис. 1.

Разрабатываемые терминалы могут устанавливаться на вновь вводимых подстанциях вместе, обеспечивая весь комплекс микропроцессорной РЗА трансформатора. В тоже время на старых реконструируемых подстанциях возможна их установка «в параллель» с существующими электромеханическими защитами и традиционными цепями управления и сигнализации, что

весьма часто делается в настоящее время. В обоих случаях максимально удовлетворяются требования ближнего и дальнего резервирования.

Во второй главе рассматриваются вопросы реализации устройства управления высоковольтным выключателем и резервных защит трансформатора «Сириус-УВ», построенного на специализированной микропроцессорной аппаратной платформе (АП). Описаны основные функции разработанного устройства, его аппаратная и программная реализация.

В разделе 2.1 рассматриваются назначение и основные функции устройства «Сириус-УВ». Терминал разработан с целью замены стандартных электромеханических или микроэлектронных панелей автоматики управления выключателем и резервных защит, устанавливаемых на силовых трансформаторах.

Показано, что при наличии современной микропроцессорной базы появляется возможность не только заменить стандартные электромеханические или микроэлектронные панели автоматики управления выключателем и резервных защит, устанавливаемых на силовых трансформаторах, но и значительно расширить функциональные возможности. Так наличие интерфейса «человек-машина» позволяет упростить наладку устройства, а также повысить информативность при эксплуатации. Наличие двух независимых портов связи (RS232C и «токовая петля») позволяют терминалу выполнять функции нижнего уровня в современных перспективных SCADA системах.

Еще одна функция микропроцессорного терминала - сбор и сохранение информации. При срабатывании защиты устройство запоминает параметры отключения для последующего анализа обслуживающим персоналом. Информация фиксируется в памяти устройства в порядке поступления и сохраняется о 9 последних отключениях. Дополнительно, при каждом аварийном

отключении, производится запись в память аварийной осциллограммы аналоговых и дискретных входов, а также состояния выходных реле устройства.

Раздел 2.2 посвящен описанию аппаратной реализации устройства. В рамках данной работы используется при создании устройств защиты и автоматики современная специализированная АГТ. На ее основе построены описываемые в данной диссертационной работе устройства защит трансформатора -«Сириус-УВ», «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ». Указанная АП имеет высокую надежность, большую вычислительную мощность и быстродействие, а также высокую точность измерения электрических величин и временных интервалов, что дает возможность снизить ступени селективности и повысить чувствительность терминала.

АП построена по модульному принципу. Каждый модуль имеет определенное функциональное назначение. В работе приводится краткое описание каждого модуля.

В разделе 2.3 описываются особенности программной реализации устройства защиты. Для микропроцессорного устройства релейной защиты и автоматики первостепенное значение имеет программа ее функционирования. Эта программа разрабатывается на основе алгоритмов действия данного вида релейной защиты и ее отдельных частей.

В третьей главе рассмотрены математические модели, разработанные для анализа электромагнитных переходных процессов при коммутациях в цепях однофазных, трехфазной группы однофазных, а также трехфазных трансформаторов. Также описывается математическая модель для анализа трансформирования тока в измерительных трансформаторах тока в режиме насыщения, когда трансформация идет с большой погрешностью - и амплитудной, и фазовой. На основе результатов моделирования производится выбор наиболее целесообразных принципов осуществления дифзащиты трансформаторов.

При разработке терминалов релейной защиты силовых трансформаторов приходится учитывать, что эти защиты функционируют в условиях электромагнитных переходных процессов в первичных цепях, сопровождающих как сами короткие замыкания в зоне защиты, так и различные коммутации во внешней сети. Более того, необходимость обеспечения правильного функционирования при переходных процессах обуславливает сам выбор положенных в основу защиты принципов и последующий выбор уставок. Известны основные режимы внешних коммутаций, при которых должно быть обеспечено несрабатывание защиты: броски намагничивающего тока (БНТ) при постановке трансформатора под напряжение, при отключении внешних КЗ на сторонах высшего и низшего напряжений, при включении параллельно работающего трансформатора.

Известно огромное число научных работ, посвященных исследованию характера БНТ. Особую роль в этом деле сыграла научная школа Новочеркасского политехнического института, основанная А.Д. Дроздовым. Однако ис-

следователи ориентировались на использование получаемых результатов при аналоговом моделировании. В настоящее время, несомненно, следует ориентироваться на ЭВМ и использование стандартных программ решения дифференциальных уравнений. Этому и посвящена данная глава.

Отметим важную особенность дальнейшего рассмотрения. Всегда подчеркивалось, что инженерная методика расчета должна быть разумным компромиссом между погрешностью расчета и универсальностью расчетной (математической) модели. Поэтому необходимо создавать приближенную модель с последующей трезвой оценкой погрешностей. Учитывая, что разработчиков новых устройств защиты интересуют не так количественные, как качественные характеристики токов, считаются допустимыми погрешности до 50-20% (редко 10%). Примем такие же пределы погрешностей. Тогда можно воспользоваться многими разработанными ранее инженерными методиками, приспособив их к реализации на современных ЭВМ.

Силовой трансформатор может иметь трехфазное или однофазное исполнение. Анализ переходных процессов в трехфазном трансформаторе значительно сложнее, чем в группе однофазных. Однако многие качественные характеристики процесса не зависят от исполнения трансформатора. Поэтому в диссертационной работе анализ проводится в два этапа: вначале для однофазных трансформаторов, затем для трехфазных.

В разделе 3.2 рассматриваются переходные процессы при коммутациях в цепях однофазных трансформаторов.

Протекание магнитных потоков при КЗ и при броске тока намагничивания настолько различен, что невозможно составить достаточно точную схему замещения (и математическую модель), корректную в обоих режимах. Но с учетом выбранных пределов погрешности, можно найти разумный компромисс, которым является приведенная на рис. 2 схема замещения.

Рис. 2. Расчетная схема замещения при включении однофазного трансформатора со стороны ВН, а также при КЗ на стороне НН

Здесь показана полная расчетная схема, позволяющая рассчитывать и режим включения трансформатора со стороны ВН, и режим появления и исчезновения КЗ на стороне НН, и бросок тока после исчезновения КЗ. На схеме силовой трансформатор представлен ветвью намагничивания L.зо, задаваемой при расчете нелинейной зависимостью В(Н); сопротивлением /?30, учитывающим активные потери в сердечнике; элементами R2о и L2о, имитирующими обмотку НН трансформатора и элементами Ri0, Ll0, которые могут имитировать сопротивление питающей системы и сопротивление обмотки ВН трансформатора. Меняя значения Л2о и ¿го> можно имитировать режим на стороне НН, добавив в схему сопротивление линии, отходящей от шин ВН, можно имитировать процесс при отключении внешнего КЗ на стороне ВН. Если сопротивление R2o велико, имитируется режим броска тока (при включении трансформатора на холостой ход, либо при отключении КЗ).

Дифференциальные уравнения для данной схемы, записанные в форме Коши, имеют вид:

Разработана программа в среде МаШСАО, реализующая расчеты по данным уравнениям. Результаты расчетов послужили теоретической базой при разработке алгоритмов микропроцессорных дифференциальных защит трансформаторов, которые приводятся в четвертой главе данной диссертации.

В данном разделе также моделируются и исследуются режимы включения трансформатора с витковым КЗ и явление «ответного» броска тока намагничивания.

В разделе 3.3 рассматриваются переходные процессы при коммутациях в цепях трехфазных трансформаторов.

Силовые трансформаторы малой и средней мощности конструктивно имеют трехфазный трехстержневой магнитопровод и все три фазы находятся в одном кожухе. Математическая модель такого трансформатора должна учитывать тот факт, что магнитные потоки токов нулевой последовательности распространяются в пространстве совсем по другим путям, чем магнитные потоки токов прямой и обратной последовательностей. Дифференциальные уравнения всех фаз связаны между собой, что должно усложнять математическую модель. Поэтому вначале в данной работе моделируется более простой случай - трансформатор большой мощности, выполненный как группа однофазных трансформаторов (каждая фаза в своем кожухе). В таком случае магнитной связи между обмотками трех фаз нет, имеется лишь электрическая

связь через вторичные обмотки, соединенные в треугольник. Каждую фазу можно описать тремя дифференциальными уравнениями, а в сумме процесс при включении трансформатора описывается системой уравнений:

^10 в Л

Л № Л Ъ1Г

До + 30 ; , 'км Ао Ща , Ао ° + /Лм Н(В.) + А» '

Л10 + *30 -, '10В Ао *зо ■ Ао Ао»' А» '

Л,0 + Лзо { . . мое "г Ао Дзо • Ао + /Л,° Н{ВС) + «с(') Ао

№ ш т 0 «30 щвлу,

/Дзо IГ2Я 1Ли,

('¡СИ +Чов +'юс)

^20 + ^0 ; ^

[вд+вд+яад.

В последнем из уравнений учтено, что ток обмотки, соединенной в треугольник /д определяется как токами первичных обмоток трех фаз, так и индукциями в стержнях трех фаз. Сама обмотка учтена только своей индуктивностью

Принципиальным с точки зрения расчета переходных процессов отличием трехфазного трехстержневого трансформатора от группы однофазных трансформаторов является тот факт, что группа однофазных трансформаторов при наличии вторичной обмотки, собранной в треугольник, имеет одно и то же сопротивление в схемах прямой и нулевой последовательностей:

X¡х = Хот ~ Ху

У трехфазного трехстержневого трансформатора поток нулевой последовательности проходит совсем по другому пути, чем потоки прямой или обратной последовательностей. Это приводит к неравенству между собой сопротивлений прямой и нулевой последовательностей трансформатора. Сопротивление прямой остается неизменным Х/т=Хт.

Сопротивление нулевой последовательности для конкретного трансформатора подсчитать очень трудно, ибо для этого необходимо знать все геометрические размеры магнитопровода, обмоток и даже бака. К счастью, хорошо известно типовое соотношение сопротивлений нулевой и прямой последовательностей российских трансформаторов:

Х„т- (0.85-0,9)Х,Т (3)

Учитывая соотношение (3) можно составить расчетную схему электрической сети и трехфазного трансформатора при включении его на холостой ход.

Схема изображена на рис. 3. Здесь Язем определяет режим нейтрали трансформатора: 0 - глухозаземленная нейтраль, большая величина (порядка 10000 Ом) - нейтраль изолированная.

Согласно схемы была получена система дифференциальных уравнений в форме Коши, численное решение которой можно получить средствами математического пакета МаШСАБ. Пример результатов расчета изображен на рис. 4.

<юо эоо С ,1.

/1 1 , || I) !! 1 А 1 ,

II 1 II || .1 .1 ч ! | II 1| II * И |1 1 ! 1 1 л !

0 II 1 *' 11 1 1 1 1 " 1\ \ 1 II Ч И н Л ' " / И и ' I' " Р II 1 и Ч 1 1 11 '1

11111ШЙ«ШШ111Х11

-200 П|П 7 у л т V 2. 1

Рис. 4. Характерная форма фазных токов при одновременном включении трех фаз трансформатора: 1 - ток фазы А; 2 - ток фаз В х 2; 3 - ток фазы С

В разделе 3.4 исследуется влияние насыщения трансформатора тока (ТТ) на величину и форму вторичного тока при переходных процессах в силовом трансформаторе.

В данном разделе производится моделирование ТТ. Анализ результатов расчета показывает, что форма вторичного тока существенно изменяется, что может оказать значительное влияние на работу дифференциальной защиты трансформатора. Пример результатов расчета показан на рис. 5.

"50 0 0.03 0.1 0.13 0.2 0.23 03 033

Рис. 5. Форма вторичного тока, а также содержание 1 и 2 гармоник во вторичном токе при БНТ с насыщением ТТ: 1 - вторичный ток, 2 - амплитуда 1-й гармоники вторичного тока, 3 - амплитуда 2-й гармоники вторичного тока

В четвертой главе рассмотрены основные принципы, положенные в основу разработки микропроцессорной дифференциальной защиты трансформатора, описаны применяемые алгоритмы и методики.

В разделе 4.1 перечисляются основные принципы, реализованные в разрабатываемых терминалах дифференциальных защит трансформаторов:

— дифференциально-токовый принцип выполнения зашиты;

— цифровая сборка токовых цепей дифференциальной защиты;

— двухступенчатое выполнение защиты: чувствительная ступень с уставкой 0,3-0,5 от номинального тока трансформатора и ступень дифференциальной отсечки, реагирующая на действующее и мгновенное значение дифференциального тока;

— отстройка чувствительной ступени от БНТ путем блокировки по относительному значению тока второй гармоники в дифференциальной цепи;

— компенсация влияния РГТН по балансу токов нагрузки на различных сторонах силового трансформатора;

— применение специального алгоритма для снятия блокировки по второй гармонике, если она появилась из-за насыщения трансформаторов тока;

— отстройка чувствительной ступени от токов небаланса при внешних КЗ с помощью процентного торможения от сквозного тока - ненаправленное торможение в терминале «Сириус-Т» и направленное торможение в терминале «Сириус-ТЗ».

Необходимо отметить, что некоторые из приведенных принципов уже реализованы и используются в микропроцессорных терминалах иностранных фирм-производителей. Но, естественно, ни одна фирма не раскроет полностью информацию по реализации этих принципов. Поэтому остаются два пути: - использовать исключительно иностранные терминалы; - заново разработать и реализовать алгоритмы функционирования защит в отечественных микропроцессорных терминалах. Логично выбрать второй путь.

В разделе 4.2 описывается цифровая сборка токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора и дается методика выбора групп соединения цифровых трансформаторов во всех плечах дифзащиты.

При традиционном, на электромеханической элементной базе, выполнении дифференциальной защиты трансформатора для получения дифференциальных токов производится весьма сложная сборка токовых цепей соединением вторичных цепей трансформаторов тока либо в треугольник, либо в звезду. В принципе возможно соединение вторичных обмоток измерительных ТТ в звезду и установка в токовых цепях промежуточных трансформаторов тока, вторичные обмотки которых собраны в определенную группу, определяемую группой соединения обмоток защищаемого трансформатора. В микропроцессорных терминалах для получения дифференциальных токов имеется возможность использовать кроме измерительных трансформаторов тока (ТТ), также цифровые ТТ, особенностью которых является то, что сборка производится в цифровой форме внутри самого устройства защиты.

Необходимо отметить, что в данной работе под «цифровыми ТТ» понимается блок программного обеспечения, производящий над дискретными отсчетами токов математические действия, эквивалентные включению в цепь этих токов трех промежуточных ТТ, собранных в определенную группу. Ввод в программе терминала цифровых ТТ позволяет выполнить два действия, которые выполняются в традиционных дифференциальных защитах: сборка ТТ по определенной схеме и подбор витков на промежуточных ТТ дифференциального реле.

Использование предложенного способа позволяет упростить подключение устройства защиты к защищаемому трансформатору по цепям тока, так как используется одинаковая схема включения (звезда) независимо от группы соединения обмоток силового трансформатора (не требуются дополнительные ТТ). При этом компенсация коэффициента трансформации и фазового сдвига в трансформаторе производится цифровым способом. Указанный способ реализован и успешно используется в двух терминалах защит: устройстве защиты двухобмоточного трансформатора «Сириус-Т» и устройстве защиты трехобмоточного трансформатора «Сириус-ТЗ».

Следует отметить значительные трудности, возникающие при настройке цифровой сборки токовых цепей для конкретного трансформатора. Приходится учитывать как группу сборки обмоток защищаемого трансформатора, так и группы сборки первичных и вторичных обмоток измерительных ТТ на всех сторонах. В результате приходится решать специфическую и многовариантную задачу. Многие иностранные фирмы-производители для решения задачи приводят специальные таблицы, содержащие огромное число вариантов (порядка 70 для двухобмоточных и около 250 - для трехобмоточных) для различных типов трансформаторов. По таблицам определяются не сами группы, а коды программных перемычек, уловить электротехнический смысл которых весьма трудно.

В диссертации разработана методика выбора параметров внутренней цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора. Ее отличительной чертой является простота использования и наглядность результатов. Для этого разработаны специальные таблицы соответствия групп сборки обмоток силового трансформатора и групп цифровой сборки токовых цепей. Эти таблицы содержат лишь 8 вариантов сборки для двухобмоточных трансформаторов с четными группами соединения и 8 вариантов для двухобмоточных трансформаторов с нечетными группами. Результат — группа, которая должна быть собрана цифровым путем. Например, для силового трансформатора таблица рекомендует собирать: на цифровых трансформаторах, подключенных к ТТ со стороны звезды силового трансформатора группу 11, и на цифровых трансформаторах, подключенных со стороны треугольника силового трансформатора группу 0 (12). Данная рекомендация имеет вполне наглядный электротехнический смысл.

Выбор групп сборки для защит трехобмоточных трансформаторов рекомендуется производить в три этапа:

1. трехобмоточный трансформатор условно разбивается на два двухобмо-точных. Например, трансформатор 110/35/10 кВ Ynyd-0-l 1 разбивается на два 110/35 Yny-О и 110/10 Ynd-11;

2. выбор групп сборки внутренних цифровых ТТ производится как для пары двухобмоточных трансформаторов по уже упомянутым таблицам. Необходимо лишь следить, чтобы группа сборки цифровых ТТ для стороны 110 кВ совпала у обоих условных двухобмоточных трансформаторов;

3. таблицы специально составлены в предположении, что звезда измерительных ТТ на всех сторонах собрана «нейтралью в сторону защищаемого трансформатора». Если реально оказалось, что звезда вторичных обмоток ТТ на какой-либо стороне собрана «нейтралью в сторону шин», следует к номеру полученной на втором этапе группы на этой стороне прибавить или отнять 6.

Представляется, что разработанная методика определения групп сборки цифровых ТТ проста, наглядна и дает результат, легко интерпретируемый с электротехнической точки зрения.

В разделе 4.3 производится анализ возможности применения цифровых фильтров для выделения первой и второй гармоник из токов в цепях дифференциальной защиты.

Для реализации алгоритмов защиты необходимы действующие значения первой гармоники дифференциальных и тормозных токов. Кроме того, необходимо вычисление действующего значения второй гармоники дифференциальных токов для реализации алгоритма отстройки от бросков тока намагничивания в силовом трансформаторе.

Среди множества цифровых фильтров, применяемых для выделения необходимых гармоник, целесообразно использовать ортогональное разложение. Именно метод ортогонального разложения хорошо себя зарекомендовал в приборах определения места повреждения, выпускаемых фирмой ЗАО «РАДИУС Автоматика».

Однако, как показал анализ, для обеспечения правильного функционирования защит в условиях отклонения частоты в сети от номинальной следует обратить особое внимание на амплитудно-частотные характеристики фильтров первой и второй гармоник дифференциального тока. Для выделения первой гармоники вполне подходит классический метод ортогонального разложения. Для фильтрации второй гармоники требуются цифровые фильтры с усиленным подавлением первой гармоники.

Для пояснения на рис. 6,а показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра второй гармоники на основе классического ортогонального разложения. Видно, что составляющая с частотой 50 Гц подавляется фильтром полностью, но даже небольшое отклонение частоты от 50 Гц приводит к появлению на выходе фильтра довольно значительных токов (их можно считать токами небаланса фильтра). Следовательно, такой фильтр ложно выделит вторую гармонику, если КЗ произойдет в условиях, когда частота сети даже незначительно отклонилась от номинальной. В результате чувствительная ступень дифзащиты будет блокирована и защита откажет.

Для устранения этого недостатка применяется алгоритм фильтрации второй гармоники с усиленным подавлением первой и близких к ней. АЧХ полученного фильтра приведен на рис. 6,6. Вблизи 50 Гц АЧХ имеет провал, что должно гарантировать работу защиты в условиях отклонения частоты сети от номинальной. Правда, полное время фильтрации увеличилось (30 мс вместо 20 в классических фильтрах). Но на такое увеличение времени фильтрации решено пойти.

Указанные фильтры реализованы в ПО для микропроцессоров терминалов «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ».

Разделе 4.4 описывается новый способ уменьшения составляющей тока небаланса в дифференциальной цепи, вносимой изменением положения устройства РПН силового трансформатора. Данный способ основывается на контроле текущего положения РПН по балансу токов нагрузки на различных сторонах силового трансформатора. Эта особенность позволяет не подводит в

устройству защиты дополнительные сигналы о положении переключателя РГВД В разделе приводится блок-схема алгоритма, реализующего данный способ. Необходимо отметить, что алгоритм успешно реализован в микропроцессорных терминалах дифференциальной зашиты трансформаторов «Си-риус-Т» и «Сириус-ТЗ».

Рис. 6. АЧХ фильтров второй гармоники: а) с использованием классического ортогонального разложения; б) с усиленным подавлением первой гармоники

На двухобмоточном трансформаторе алгоритм производит балансировку вторичных токов двух сторон трансформатора. На трехобмоточном трансформаторе производится балансировка тока стороны, у которой первичная обмотка имеет переключения РПН, с суммой токов других сторон.

Описанный способ имеет естественный недостаток - появление погрешностей от влияния тока намагничивания при малых нагрузках силового трансформатора. Поэтому он вводится в действие только при нагрузках, превышающих 30% от номинальной. Недействие алгоритма при малых нагрузках учтено при выборе уставок защиты.

В разделе 4.5 рассматриваются два вопроса: выбор варианта блокировки по 2-й гармонике дифференциального тока при БНТ, а также использование нового способа ликвидации замедления действия чувствительной ступени ДЗТ при насыщении ТТ апериодической составляющей тока КЗ.

Показано, что более целесообразно контролировать гармонический состав именно дифференциального тока, а не содержание гармоник в первичном токе. Это объясняется наличием в первичной цепи нагрузочного тока, который не попадает в дифференциальный ток. Следовательно, при использовании дифференциального тока повышается относительное содержание второй гармоники, что приводит к повышению чувствительности органов блокировки.

Недостатком блокировки по второй гармонике всегда считалась возможность замедления защиты при КЗ, когда из-за насыщения ТТ появляется вторая гармоника. Сразу отметим, что это возможно только в переходном режиме, пока не затухнет апериодическая составляющая. Основным средством для обеспечения надежности и быстродействия защиты в этих режимах является дифференциальная отсечка. Но для повышения надежности лучше чтобы во всех режимах функционировали обе ступени дифференциальной защиты (ди-фотсечка и чувствительная ступень).

Для решения данной проблемы необходимо найти признаки, отличающие трансформированный бросок тока намагничивания от трансформированного апериодического тока и по этим признакам снять блокировку от второй гармоники при КЗ.

Разными авторами предлагалось достаточно большое количество способов выявления режима броска тока намагничивания. Некоторые из них проанализированы в данном разделе диссертации. Анализ показал, что есть способы (например, примененный в реле ДЗТ-21 время-импульсный), используя которые при старании можно отличить БНТ от КЗ даже при насыщении ТТ. Но следует признать, что все они требуют сложных вычислений и ни один не дает четкого и однозначного способа выбора уставки.

Предлагается новый способ различия БНТ и КЗ с насыщением ТТ основанный на контроле тенденции изменения первой гармоники тока. Рассмотрение многочисленных осциллограмм указывает на простую и естественную разницу тенденций изменения тока при БНТ и при КЗ: при БНТ ток с течением времени затухает, а при КЗ с насыщением ТТ имеются отрезки времени, когда ТТ начинает выходить из насыщения и ток растет.

Исследования показали, что метод контроля тенденции изменения первой гармоники работает достаточно надежно. Проблемы могут возникнуть только в первую пару периодов, где присутствует небольшой «дребезг». Некоторая неопределенность в первые периоды легко устраняется введением задержки на срабатывание критерия. Задержка может выбираться из интервала от 1,5 до 2 периодов промышленной частоты.

При разработке метода различия БНТ и КЗ с насыщением ТТ обязательно нужно учитывать режим ответного броска тока намагничивания. Данный режим описывается в третьей главе данной работы.

Первая гармоника в режиме ответного броска неуклонно растет. Поэтому способ контроля тенденции первой гармоники в данном режиме будет ложно определять режим КЗ с насыщением ТТ и пытаться снять блокировку по 2-й гармонике. Требуется дополнительный критерий.

Решено дополнить способ контроля тенденции изменения первой гармоники дополнительным критерием, основанным на контроле изменения нулевой последовательности в дифференциальном токе.

Таким образом разработан метод, который позволяет однозначно различать БНТ (с насыщением и без насыщения ТТ) от КЗ с насыщением измерительных трансформаторов тока. Оба критерия, входящие в метод, легко реализуются в программе микропроцессора устройства релейной защиты и не требуют значительных вычислительных ресурсов. Время срабатывания предлагаемого метода соизмеримо с временем работы цифровых фильтров заложенных в устройстве.

Подробно рассмотрены особенности процентного торможения чувствительной ступени и уточнена методика выбора уставок тормозной характеристики. Тормозная характеристика терминалов «Сириус-Т» и «Сириус-ТЗ» приведена на рис. 8.

Чт2 / 1ном

Рис. 8. Тормозная характеристика чувствительной ступени дифференциальной защиты

Характеристика имеет две точки перелома, разделяющие ее на три участка. Для упрощения выбора и выставления уставок в алгоритме защиты предусмотрены:

— подсчет внутри устройства положения первой точки перелома;

— жесткое задание наклона третьего участка характеристики.

Это позволило свести число уставок к минимуму. В результате выбору подлежат:

— минимальная уставка (ток срабатывания дифзащиты на первом участке характеристики);

— коэффициент торможения, определяющий наклон характеристики на втором участке;

— тормозной ток, соответствующий второй точке перелома.

Усовершенствована методика выбора уставок микропроцессорной дифференциальной защиты двух- и трехобмоточного трансформатора.

Коэффициент торможения определяется по формуле:

Кторм >100' Котс 1НБ р / (Кси т IТОРИ),

где Iнбр - расчетное значение тока небаланса в дифференциальной цепи при принятом значении тормозного тока 1jopm> Котс - коэффициент отстройки, Ко, т - коэффициент снижения тормозного тока, который для терминала «Си-риус-Т» определяется по выражению:

Кси т —1—0,5- (К„ер Км„ Е + A UpnH +Afou6ad-

Для терминала «Сириус-ТЗ»:

= V1 ~ (К^К^Е + д итн + д/^) •

Основные результаты работы

1. Разработано программное обеспечение современных микропроцессорных терминалов защит трансформаторов: «Сириус-УВ», «Сириус-Т» и «Си-риус-ТЗ». Данные устройства выпускаются серийно на предприятии ЗАО «РАДИУС Автоматика», г. Зеленоград. Терминалы используются для защиты трансформаторов в ряде энергосистем России.

2. Разработана структура комплекса микропроцессорных защит и устройств автоматики силового трансформатора для двухтрансформаторной подстанции средней мощности напряжением 35-110 кВ, распределены функции между отдельными терминалами с максимальным учетом требований ближнего резервирования и минимума стоимости системы РЗА.

3. Разработаны математические модели для анализа переходных процессов при коммутациях в цепях трехфазной группы однофазных и трехфазных трансформаторов. Данные модели позволяют выявить количественные и качественные характеристики процессов, влияющих на функционирование защит трансформаторов.

4. На основе результатов моделирования процессов в первичных цепях силовых трансформаторов, а также во вторичных цепях измерительных трансформаторов тока предложен ряд методов и алгоритмов, позволяющих

повысить эффективность функционирования релейной зашиты трансформаторов:

— новый способ уменьшения погрешности, вносимой изменением положения устройства регулирования напряжения под нагрузкой силового трансформатора, отличающийся отсутствием необходимости в информации о текущем положении переключателя устройства регулирования под нагрузкой;

— новый способ ликвидации замедления действия чувствительной ступени дифференциальной защиты при насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей тока короткого замыкания, основывающийся на качественном критерии различия броска тока намагничивания и короткого замыкания;

— способ цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов;

— основные принципы построения дифференциальной защиты трансформаторов.

5. Разработана методика выбора параметров внутренней цифровой сборки токовых цепей дифференциальной защиты трансформатора. Ее отличительной чертой является простота использования. Разработаны специальные таблицы соответствия групп сборки обмоток силового трансформатора и групп цифровой сборки токовых цепей. Кроме того, уточнена методика выбора уставок микропроцессорной дифференциальной защиты двух- и трехобмоточ-ного трансформатора.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Антонов Д.Б., Аржанников ЕА, Марков М.Г. Исследование электромагнитных переходных процессов в сетях с однофазными силовыми трансформаторами // Вестник ИГЭУ. Вып.2., 2004.— с. 122-130.

2. Антонов Д.Б., Аржанников Е.А. Дифференциальная защита трехобмо-точного трансформатора «Сириус-ТЗ» V Новости электротехники № 1 (25), 2004 г.-с. 63.

3. Антонов Д.Б., Аржанников ЕА., Лукоянов В.Ю. Состав и структура комплекса защит трансформатора на базе микропроцессорных терминалов //Повышение эффективности работы энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 6 /Под ред. В.А. Шуина., А.В. Мошкарина, М.Ш. Мисриханова.-М: Энергоатомиз-дат,2003.-с.373-378.

4. Аржанников ЕА, Антонов Д.Б. Цифровая сборка токовых цепей дифференциальной защиты трансформаторов //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2005.- Приложение № 1.- с. 40-45.

5 Антонов Д.Б., Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю. Сборка токовых цепей дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора //Повышение эффективности работы энергосистем Тр ИГЭУ Вып 6 /Под ред В А Шуина, А В Мошкарина, М.Ш Мисриханова-М Энергоатомиздат, 2003 - с 378-386

6 Антонов Д.Б Коррекция погрешности, вносимой в дифференциальную цепь защиты изменением положения устройства РПН силового трансформатора //XI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Тез докладов -М , 2005 - с 347-348

7 Антонов Д.Б., Аржанников Е.А. Современная микропроцессорная защита силовых трансформаторов //Энергетика и промышленность России № 12 (52), 2004 г-с 9

8 Антонов Д.Б., Аржанников Е.А., Марков М.Г. Исследование электромагнитных переходных процессов в сетях с трехфазными трансформаторами //Повышение эффективности работы энергосистем Тр ИГЭУ Вып 6 /Под ред В А Шуина А В Мошкарина, М Ш Мисриханова - М Энерго-атомиздат, 2003 - с 185-192

9 Аржанников Е.А., Антонов Д.Б., Аржанникова А.Е. Формирование токовых цепей дифференциальных защит трансформаторов, выполненных на основе микропроцессорных терминалов //Повышение эффективности работы энергосистем Тр ИГЭУ Вып 6 /Под ред В А Шуина, Мошкарина А В , М Ш Мисриханова - М Энергоатомиздат, 2003 - с 367-373

10 Антонов Д.Б., Аржанников Е.А., Марков М.Г. Моделирование бросков тока намагничивания в силовых трехфазных трансформаторах //Изв вузов Сев -Кавк регион Техн науки - 2005 - Приложение № 1 - с 45-48

11 Аганичев К.С, Антонов Д.Б., Лукоянов В.Ю. Принципы организации логической защиты шин на микропроцессорных терминалах //Повышение эффективности работы энергосистем Тр ИГЭУ Вып 6 /Под ред В А Шуина, А В Мошкарина, М Ш Мисриханова - М Энерго-атомиздат, 2004 - с 386-395

Формат 60x84 1/16 Печать плоская

Тираж 100 экз Заказ 0054

Отпечатано в ОМТ МИБИФ 153003, Иваново, ул Рабфаковская, 34, оф 101, тел (0932)~38^31«3£