автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ и совершенствование продольных дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор

На правах рукописи УДК 621.316.9:621.313/314

НАУМОВ Владимир Александрович

АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ГЕНЕРАТОРОВ И БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР

Специальность 05.14.02 - «Электростанции и электроэнергетические системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в отделе станционного оборудования ООО «Научно-производственное предприятие «ЭКРА», г.Чебоксары, совместно с лабораторией релейной защиты ОАО «Научни-иеследова1ельский институт электроэнергетики» (ОАО «ВНИИЭ»), г.Москва.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Левиуш Александр Ильич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Овчаренко Николай Ильич

кандидат технических наук Белотелое Алексей Константинович

Ведущая организация-

Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС»-«Фирма ОРГРЭС» (Фирма по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей), г.Москва

Защита состоится «7» июня 2005 г. в 1400 часов на заседании Диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО «Научно-исследовательский институт электроэнергетики» (ОАО «ВНИИЭ») по адресу: 115201, Москва, Каширское шоссе, д. 22, корп. 3.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря Диссертационного совета Д 512.002.01 по адресу: 115201, Москва, Каширское шоссе, д. 22, корп. 3, ОАО «ВНИИЭ».

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИЭ».

Автореферат разослан « мая 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 512.002.01, доктор технических наук, профессор

Воротницкий В.Э.

з Ь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Генераторы и трансформаторы являются одними из наиболее ответственных компонентов энергосистем, поэтому к системам их зашиты предъявляются особо жесткие требования по быстродействию, селективности, надежности функционирования и чувствительности в условиях интенсивных переходных процессов, возникающих при различных коммутациях в энергосистемах.

Особо тяжелые повреждения генераторов и трансформаторов образуются при междуфазных коротких замыканиях (КЗ). В качестве основной релейной защиты (РЗ) от междуфазных КЗ в генераторах и трансформаторах применяется быстродействующая продольная дифференциальная защита.

В свое время в СССР было разработано значительное количество различных модификаций устройств дифференциальной защиты генераторов и трансформаторов. Исследованиями в этой области занимались М.И.Царев (ВНИИЭ), А.Д.Дроздов (НПИ), А.М.Дмитриенко (ЧГУ) и др. На основе их исследований были созданы реле типов РНТ и ДЗТ, нашедшие широкое применение в отечественных энергосистемах. Однако, как показал опыт эксплуатации, надежность функционирования упомянутых реле является недостаточной. Статистические данные показывают, что процент правильного действия находящихся в настоящее время в эксплуатации дифференциальных защит, в том числе выполненных на микроэлектронной и на микропроцессорной базе, находится в пределах 90-95%.

Учитывая изложенное, создание высокоэффективной дифференциальной защиты, удовлетворяющей предъявляемым требованиям, представляет собой актуальную научно-техническую задачу. В то же время, в связи с тем, что в настоящее время не накоплено достаточной базы осциллограмм реальных повреждений в генераторах и трансформаторах, необходим анализ переходных процессов в силовых цепях трансформаторов тока и цепях самой защиты с помощью правильно выбранных математических методов.

Результаты такого анализа должны быть основой для последующих разработок более совершенных, отвечающих современным требованиям дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор.

Цель и задачи работы

Целью работы является исследование и разработка чувствительной, быстродействующей дифференциальной защиты генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор, а также внедрение этой защиты в серийное производство.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

а- анализ факторов, влияющих на устойчивость функционирования дифзащиты в установившихся и переходных режимах;

б- разработка математических методов моделирования переходных процессов, влияющих на устойчивость работы дифференциальных защит;

в- аналитические и эксперименталыА1^о^<сд^|дздщ|^|^^1>йчивости функционирования дифференциальных защит при БЗДклмаТЕМ !

! уз&до

г - аналитические и экспериментальные исследования устойчивости функционирования дифзащит в установившихся и переходных режимах КЗ;

д - разработка способов постросник более совершенных продольных дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор.

Меюды исследования

При решении поставленных задач в работе использованы системный подход к проблеме, современные методы моделирования, теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория основ электротехники (ТОЭ), аналитические и экспериментальные методы исследований продольных дифференциальных защит.

Научная новизна работы

1. Анализ и классификация факторов, влияющих на устойчивость функционирования дифзащит в установившихся и переходных режимах.

2. Математическая модель нелинейного ТТ на основе гистерезисной модели ферромагнитного сердечника Джайлса-Эсетона и методы моделирования переходных процессов, влияющих на устойчивость работы дифференциальных защит, с учетом нелинейности ТТ и силовых трансформаторов.

3. Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа в режиме БТН дифзащит на основе время-импульсного (ВИ) принципа и принципа с направленным торможением, для которого дифференциальный /д и тормозной /т токи определяются из выражений:

и =U. +и<

_ J Va ' 'COSflr при coso^O

IJ л

[О при cosflrcO

где /) - векторы фазных токов первой гармоники первой группы ТТ; /2 - векторы фазных токов первой гармоники второй группы ТТ. а - угол сдвига фаз между токами /, и /2.

4. Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа защит па время-импульсном принципе и принципе с направленным торможением при внешних и внутренних КЗ.

5. Способ с дополнительным динамическим торможением от производной средней величины тормозного тока, обеспечивающий высокую устойчивость функционирования дифференциальной защиты на основе принципа с направленным торможением в различных режимах работы, и выбор оптимальных параметров этой защиты.

Достоверность резулыатв, полученных в диссертационной работе,

подтверждается._щюверкой .адекватности разработанных математических

моделей, »ввр^ЛМ^ЖЛФЛм**^ результатов моделирования и реальных

» w (К

электромагнитных переходных процессов, а также положительным опытом эксплуатации в энергосистемах России разработанного алгоритма дифференциальной защиты в составе терминалов защит генераторов и блоков генератор-трансформатор.

Практическая значимое 1Ь работы

Определены и сформулированы основные требования к дифференциальным защитам генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор. Разработан способ их построения, а основной алгоритм дифзащиты защищен па1ентом.

Разработана полная математическая модель дифзащиты для проверки работоспособности предложенных алгоритмов в различных режимах, в том числе и для анализа в условиях реальных режимов на электростанциях.

Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы при разработке микропроцессорной чувствительной, быстродействующей дифференциальной защиты генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор. Разработанный алгоритм внедрен в виде базовых программных модулей аппаратно-программного комплекса микропроцессорных защит производства ООО НПП «ЭКРА» в составе серийно выпускаемых шкафов ШЭ1110...ШЭ1113. Шкафы защит в 2003 году были приняты межведомственной комиссией под председательством представителя Департамента научно-технической политики и развития ОАО РАО «ЕЭС России» и рекомендованы к широкому применению на электростанциях всех типов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Классификация принципов выполнения дифзащит, обеспечивающих необходимое быстродействие, селективность и чувствительность.

2. Выбор модели нелинейного трансформатора, на основе гистерезисной модели ферромагнитного сердечника Джайлса-Эсетона для расчета переходных процессов.

3. Обоснование целесообразности применения дополнительного торможения от второй гармонической составляющей с использованием информации всех фаз и ограничением действия алгоритма отстройки токами /кз < 6/ном для отстройки от БТН.

4. Использование более совершенного алгоритма дифференциальной защиты с органами, реагирующими на величину и фазу токов, а также дополнительным динамическим торможением от производной средней величины специально сформированного тормозного тока для повышения устойчивости функционирования в условиях интенсивных переходных процессов.

5. Разработанная структурная схема дифзащиты.

Апробация работы

Материалы диссертациониой работы докладывались на третьей всероссийской научно-технической конференции ИТЭЭ-2000 ЧГУ (2000г.), на XXII- XXIV сессиях семинара «Диагностика энергооборудования» ЮРГТУ (НПИ) (2000-2002 г.), на XI международной научно технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» МЭИ (2005 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 публикации в центральных журналах, получен патент на полезную модель и решение о выдаче патента на изобретение «Способ дифференциальной защиты электроустановки». Статья «Исследование алгоритмов дифференциальных защит генераторов и трансформаторов» принята к печати в журнал «Электрические станции».

Ст рук I ура и объем работ ы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 70 наименований, содержит 48 рисунков и 2 приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 182 страницы

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, очерчен круг вопросов, выполняемых в диссертации

В первой главе рассмотрена общая структура и основной состав программного обеспечения современных микропроцессорных зашит генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор. Показано, что использование микропроцессоров улучшает все характеристики системы защит- повышается готовность - благодаря непрерывному самоконтролю, достигается высокая гибкость, и приобретаются новые дополнительные функции в уменьшенном объеме стандартных технических средств, что также повышает аппаратную и функциональную надежность.

В качестве основной РЗ от междуфазных КЗ в генераторах и трансформаторах применяется быстродействующая продольная дифференциальная защита, к которой предъявляются очень высокие требования по быстродействию, селективности, надежности функционирования и чувствительности во всех режимах работы. Дифзашита генераторов и блоков генератор-трансформатор подключается к фазным ТТ, установленным со стороны линейных выводов и со стороны нулевой точки генератора, в зону ее действия входят обмотки, выводы статора, а для генераторов, работающих на сборные шины, - кабели или шипы, соединяющие генератор с его выключателем; для блоков генератор-трансформатор в зону действия также включаются блочный трансформатор и, при его наличии, трансформатор собственных нужд.

К настоящему времени в энергосистемах эксплуатируется значительное количество различных модификаций устройств дифференциальных защит. Большинство этих защит основано на применении четырех основных принципов: торможения апериодической слагающей в дифференциальном токе, торможения второй и высшими гармониками в дифференциальном токе, время-импульсного (ВИ) принципа и принципа с направленным торможением.

Проведен анализ алгоритмов защит с торможением от апериодической составляющей (типов РНТ и ДЗТ) и с торможением от высших гармоник. Выявлены режимы, в которых, из-за принципиальных недостатков этих алгоритмов, зашиты не всегда обеспечивают необходимое быстродействие и чувствительность. Показано, что высокую чувствительность и быстродействие обеспечивают дифзащиты на базе время-импульсного принципа и принципа с направленным торможением, однако основные алгоритмы этих защит в режиме броска тока намагничивания (БТН) не обеспечивают селективную работу защиты, а при интенсивных переходных режимах не всегда обеспечивают требуемое быстродействие.

Сформулированы основные требования к защитам на основе ВИ принципа и принципа с направленным торможением и указаны основные режимы, при которых возможна их ложная работа Обоснована необходимость правильного выбора математических моделей объектов энергосистемы для анализа переходных процессов в дифзащитах.

Во второй главе разработаны полные математические модели ТТ и дифзащит на основе ВИ принципа и принципа с направленным торможением, рассмотрены основные типы БТН. Проанализированы известные методы расчета переходных процессов с учетом насыщения ТТ.

Практический интерес представляют следующие основные виды моделей кривой намагничивания В = /(Н):

1. Кусочно-линейная аппроксимация (число участков 2-10).

2. Аналитическая нелинейная функция (однозначная кривая намагничивания).

3. Гистерезисная кривая (модель Джайлса-Эсетона, модель Джона Чена).

Показано, что наиболее удобной, вследствие относительной простоты

математической формулировки, и обеспечивающей полный учет физических свойств ферромагнетика, является гистерезисная модель Джайлса-Эсетона.

Прохождение броска тока намагничивания. Анализ влияния БТН на поведение дифференциальных защит требует определения действующих значений токов, их моментов перехода через ноль, а также относительных значений второй и пятой гармоник.

Исследование БТН с приемлемой точностью моделирования (5%-10% по всем вышеприведенным критериям) возможно проводить как с помощью кусочно-линейной модели ТТ, так и с помощью гистерезисной модели Джайлса-Эсетона. Однако для кусочно-линейной модели необходимо правильно выбрать рабочий участок кривой намагничивания ТТ, состоящего не менее чем из 3-4 линейных отрезков, с учетом максимальных значений БТН.

Дифференциальный ток небаланса. Исследовался ток небаланса при различных вторичных нагрузках ТТ. Нагрузка одного из ТТ принята равной

номинальной (?110Ы), а второго >3сшш Для малых первичных токов (0.2 - 0.5 /1ШМ), при ненасыщенном ТТ (режим квазилинеаризации), кусочно-линейная модель работает на линейном участке, поэтому при качественной схожести формы токов небаланса, уровень высших гармоник в несколько раз ниже, чем для нелинейной безгистерезисной модели (рис.1). На этом участке гистерезисная модель существенно отличается от других, из-за существенного влияния гистерезиса на форму кривой намагничивания, а, следовательно, и величину (1В!с1Н. Режим малых токов является одним из критических для дифференциальных защит (вблизи уставки, как правило, торможение либо отсутствует, либо весьма мало), поэтому для его моделирования необходимо использовать гистерезиспую модель ТТ.

1

/, А

йШи А 2

0 2 0 25 0 3 С

Рис.1 Ток небаланса и ею 1армонический сос1ав. нолучснпыс на различных моделях ТТ: 1 - гисгерезисной модели ТТ: 2 - линейной модели ТТ с 4 мя участками.

На рис.1 показаны кривые тока небаланса, их производные, а также относительный уровень 2-й гармоники для гистерезисной и кусочно-линейной модели ТТ. Периодическая составляющая первичного тока принята равной номиналу, апериодическая составляющая - максимальна, а ее постоянная времени равна 100 мс. Кривая 1 построена для гистерезисной модели, криваяТ - для кусочно-линейной.

Для исследования алгоритмов дифференциальных защит в условиях БТН проведен анализ математических моделей для БТН, в том числе и для трехфазной модели силового трансформатора. Показано, что расчеты БТН необходимо выполнять с обязательным учетом нелинейности вебер-амперной характеристики (кривой намагничивания) трансформатора. Допустимую погрешность для целей релейной защиты обеспечивает применение аппроксимации в виде ломаной из трех прямолинейных участков: вертикального (от -у/5 до у/г) и двух наклонных.

Установлено, что переходные процессы в условиях БТН различных типов (однофазный, двухфазный в трансформаторе с заземленной и изолированной нейтралью, трехфазный и т.д.), по разному влияют на работу алгоритмов дифзахцит. В результате анализа всех типов БТН показано, что основными расчетными условиями для исследования работы дифференциальных защит в режиме БТН являются: ток однофазного включения, токи в фазах при трехфазном включении в момент прохождения напряжения одной из фаз через максимум (БТН I типа), токи в фазах при трехфазном включении в момент прохождения напряжением одной из фаз через нулевое значение (БТН П типа).

В третьей главе проведен анализ устойчивости функционирования дифференциальных защит в режиме БТН.

Показано, что для защит с направленным торможением, в режиме БТН

0, 12 = 0, значения 1Т—0,1А^0, следовательно, защита не отстроена от БТН, поэтому для исключения ложного срабатывания требуются дополнительные алгоритмы отстройки от БТН.

Защита на основе ВИ принципа может ложно работать в случаях появления во вторичном токе ТТ отрицательных полуволн. Кроме того, быстродействующий канал ВИ алгоритма вообще не отстроен от БТН и работает в течение 2-5 мс после его возникновения. Поэтому защита на ВИ принципе должна блокироваться с помощью дополнительного алгоритма от всех типов БТН с учетом насыщения ТТ.

В настоящее время в аналоговых дифференциальных защитах трансформаторов и блоков генератор-трансформатор применяется ряд алгоритмов, различающих БТН и ток КЗ по форме кривой дифференциального тока (ДТ). Одним из распространенных способов отстройки дифференциальной защиты трансформаторов от БТН является использование торможения составляющими двойной промышленной частоты (ДПЧ) ДТ. Менее распространен способ отстройки от БТН, использующий для торможения составляющую про-

мышленпой частоты (ПЧ) выпрямленного ДТ. Практика показывает, что хотя использование подобных блокировок и предотвращает ложную работу защиты в условиях БТН, однако ло приводи! к увеличению времени срабатывания и в режимах серьезных внутренних повреждений, вызывающих насыщение измерительных трансформаторов тока.

В результате исследований выведены зависимости отношений тормозного сигнала к рабочему для различных типов БТН, и определены параметры БТН, при которых отношение тормозного сигнала к рабочему минимально. В этом режиме форма кривой БТН в наибольшей степени приближается к синусоиде, сдвинутой относительно оси времени, при минимальном содержании второй гармоники, а модуль ее производной наиболее симметричен по полупериодам. Это предопределяет для БТН указанной формы минимальное значение тормозного сигнала для всех рассматриваемых алгоритмов ИО. В условиях КЗ в зоне действия защиты из-за погрешностей ТТ. вызванных насыщением магнитопровода апериодической составляющей тока, входной сигнал ИО искажается и так же, как при БТН, содержит высшие гармоники, в том числе вторую. Таким образом, если принять за величину уставки значение, необходимое для отстройки от подобных БТН, возможно недопустимое загрубление дифференциальной защиты до момента выхода ТТ из насыщения. Поэтому необходимо использовать информацию всех фаз, при этом определяется максимальное значение алгоритма в фазах.

Для определения наиболее оптимального алгоритма отстройки от БТН с учетом КЗ проведен анализ этих алгоритмов в условиях изменения первичного тока и нагрузки ТТ. В режиме внутреннего КЗ для установившеюся режима расчетные величины для всех алгоритмов невелики и основной алгоритм дифференциальной защиты не блокируется.

В результате анализа работы алгоритмов отстройки дифзащит от БТН с учетом режимов глубокого насыщения ТТ при КЗ установлено, что для обеспечения правильной работы основного алгоритма дифференциальной защиты, необходимо ограничить действие алгоритма отстройки токами Как показали проведенные исследования для 1щ<6/„ш и Та < 300 мс, для существования промежутка времени, достаточного для работы основного канала необходимо, чтобы нагрузка ТТ была не более 3;|ЮМ Это соответствует полной токовой погрешности до 60%, что достаточно для выполнения требований. Как показали исследования для различных переходных режимов, с учетом рассмотренных ограничений, поведение алгоритмов аналогично. Для микропроцессорной техники целесообразно использовать наиболее простой в реализации алгоритм, использующий составляющие ДПЧ ДТ и ПЧ ДТ, поскольку данный алгоритм использует только типовые функции выделения гармонических составляющих.

В четверти 1лаве проведен анализ устойчивости функционирования дифзащиты в установившихся и переходных режимах КЗ. Анализ алгоритмов

работы защиты производился в предположении линейности тормозной характеристики во всем диапазоне изменения входного тока и без учета ограничения при больших кратностях, поскольку такое ограничение одинаково повышает эффективность отстройки защиты от внешних КЗ независимо от алгоритма выполнения. Исследование производилось на математических моделях ТТ в широком диапазоне искажений их вторичных токов. Работа алгоритмов анализируется для двух основных режимов: внешнего и внутреннего КЗ. Множество режимов внешнего КЗ определяет граничный коэффициент торможения к.г ипс1М, обеспечивающий селективную работу, а множество режимов внутреннего КЗ определяет граничный коэффициент торможения кл внут, при котором зашита работает надежно. Соотношение этих

двух коэффициентов и определяет характеристику срабатывания алгоритма.

Внешнее КЗ моделировалось с нулевыми начальными значениями по току и максимальной апериодической составляющей, затухающей с заданной постоянной времени. Было рассмотрено поведение зашит для постоянной времени затухания апериодической составляющей равной 50 и 300 мс. Принималось, что один из ТТ работает с номинальной нагрузкой, равной 1.5 Ом, нагрузка второго ТТ меняется от 0.3 до 10 сном, при этом возникает ток небаланса.

Для режима внутреннего КЗ характерен сдвиг токов плеч менее 180°, например, для трансформатора и шин максимальный угол между токами плеч при двухфазном КЗ на землю может достигать 120°. Поэтому рассматривались различные величины токов КЗ при угле сдвига фаз фазных токов от 0 до 120°. Поскольку при введенных упрощениях для дифференциальных защит величина тока не имеет значения, а принципиально лишь искажения токов, то рассматривались следующие основные режимы: токи плеч не искажены, токи обоих плеч искажены, насыщен один ТТ.

Находился максимальный коэффициент торможения к, впу,, при котором защита работает в режиме внутреннего короткого замыкания. Принимая максимальную величину коэффициента £ТВ1(С,М, найденного для внешнего КЗ, за значение, необходимое для селективной работы, можно получить характеристику срабатывания при внутреннем КЗ, в зависимости от угла

включения КЗ ($>вкл) и угла сдвига между токами плеч (^слв). На рис.2 представлены необходимые кт для установившегося режима внешнего КЗ в зависимости от относительной полной погрешности ТТ (е), возникающей вследствие его насыщения. Для алгоритма с направленным торможением и кт =0.5 предельная относительная полная погрешность ТТ £ = 55%, а для Д.', =1, £-75.1%. Согласно техническим требованиям, работа защит регламентируется для относительной полной погрешности не более 50%, поэтому как ВИ алгоритм, так и алгоритм с направленным торможением удовлетворяют этому условию.

Рис 2 Зависимость необходимого коэффициента торможения для отстройки от внешнего КЗ от полной погрешности ТТ (£): 1 - зависимость для алгоритма с направленным торможением; 2 - для ВИ принципа с гичм tp = 2.5 мс; 3 - для ВИ принципа с /И1Ш ср = 5 мс.

В переходных режимах работа алгоритмов защит на ВИ принципе и принципе с направленным торможением исследовалась на математических моделях Наиболее тяжелые условия для защиты при внешнем КЗ создаются, как правило, при максимальном токе небаланса, i.e. при наибольшем первичном токе и максимальной нагрузке ТТ, причем для ТТ с чисто активной нагрузкой коэффициент торможения дифзащиты, необходимый для отстройки от внешнего КЗ, несколько меньший, чем для активно-реактивной. В данных условиях максимальный внсш, необходимый для отстройки зашиты на ВИ принципе, составил 0.4 для величины нагрузки гИ|=Згноч (с величиной относительной токовой погрешности £<50%) и 0.7 для гнг = ЮгН0Ч1 (для £ < 95%) при / = 20/ноч, Та = 50 мс.

В результате исследований работы в режимах внутреннею КЗ выявились следующие особенности алгоритмов.

Наличие апериодической составляющей в юках внутреннего КЗ для ВИ принципа приводит к замедлению основного канала и его быстродействие оказывается недостаточным для работы за 30 мс, при этом быстродействующий канал работает за 2-5 мс. Однако в некоторых случаях сигнал срабатывания длится недостаточно долго для надежной работы зашиты на ВИ принципе. К

примеру, если кт =0.5, /, =20/ноч, zm=zH0V, <patJi =-30°, =50°, в учение

первых 30 ме возникает импульс срабатывания основного канала длительностью около 1 мс, а быстродействующего - 0.7 мс. С учетом того, что для обеспечения надежной работы необходимо, чтобы сигнал подтвердился хотя бы 2-мя выборками, получаем, что период дискретизации должен быть менее 0.5 мс, т.е необходимо работать с частотой дискретизации 2000 Гц и более. Анализ защиты на основе ВИ алгоритма показал, что при величине токов внутреннего КЗ близкой к уставке срабатывания (/ус1), время срабатывания

может значительно превосходить 30 мс. Исследование алгоритма в режиме дифференциальных токов, больших 5/ном (что существенно превосходит 2/

для которых и требуется быстродействие менее 30 мс), позволило построить для пего итоговую характеристику срабатывания (рис.3). Здесь по оси абсцисс отложен угол сдвига между токами плеч, а по оси ординат - угол включения при внутреннем КЗ.

Рис 3 Характеристика срабатывания ашортма наВИ принципе.

Для улучшения характеристики срабатывания, необходимо либо увеличивать частоту дискретизации до 2000 Гц и более, либо работать по одной выборке. При увеличении частоты дискретизации ВИ принцип обеспечивает надежную работу защиты практически во всех режимах, но даже при этом существуют условия тяжелые для обоих каналов ВИ принципа (быстродействующего и основного). К примеру, для /, ~ 5/,|пм. г„г = г,шм, угле сдвига между токами плеч 30е (что вполне реально, поскольку обычно генератор работает с углом сдвига между собственной э.д.с. и э.д.с. системы порядка 30°) и угле включения -30°, сигнал на срабатывание быстродействующего канала появляется лишь при кт <0.25, что недостаточно

для отстройки от всех режимов внешнего КЗ. Таким образом, даже при увеличении частоты дискретизации существует вероятность ненадежной работы ВИ принципа, в некоторых режимах внутреннего КЗ. Поэтому для достижения необходимой надежности ВИ принципа необходимо использовать дополнительные алгоритмы.

Алгоритм с направленным торможением в режимах внутреннего КЗ работает ненадежно только при углах сдвига между токами плеч более 60°. Характеристика срабатывания алгоритма приведена на рис.4, причем в данном случае, она практически не зависит от выбора критических условий нагрузки ТТ при внешнем КЗ в пределах от Зг„„м до 10гном и искажениях вторичного гока до 95%.

к д„> град

Рис.4. Характеристика срабатывания алгоршма с направленным торможением.

Максимально возможный коэффициент торможения, при котором работа защиты не блокируется при любых режимах внутреннего КЗ, равен 1.1. Однако, для этого алгоритма вследствие переходных процессов, в том числе и в цифровых фильтрах, наблюдаются режимы, для которых тормозной ток становится равным нулю на достаточное для срабатывания время, в связи с чем от рассматриваемых режимов невозможно отстроится. Поскольку эти режимы являются следствием переходных процессов, то для падежной работы принципа с направленным торможением в этих условиях необходимо использовать дополнительное динамическое торможение, с сохранением основного алгоритма по (1). В качестве надежной тормозной функции автором предложено динамическое торможение от производной среднего значения специально сформированного тормозного тока. В этом случае величина коэффициента торможения к7 основного алгоритма определяет поведение

дифференциальной защиты в установившихся режимах Проведенный анализ позволил определить оптимальное значение коэффициента торможения кт основного алгоритма, равное 0.5.

Величина коэффициента функции дополнительного торможения клоп, определяет степень отстройки от режимов внешнею КЗ, однако с увеличением кмп, защита загрубляе1ся, что может приводить к увеличению времени работы в условиях внутреннего КЗ. В результате анализа было установлено, что максимальный клоп для отстройки от внешнего КЗ должен быть равным 2.7 и 5 при погрешностях 50% и 95% соответственно Как следует из самого принципа, данный алгоритм работает только на время переходного процесса, а при наступлении установившегося режима дополнительное торможение отсутствует. Поэтому отстройка от установившегося режима внешнего КЗ определяется исключи 1елыю величиной к1.

Принимая к30П > 2.7, можно отстроиться от всех режимов внешних КЗ, включая режим установившегося КЗ с искажениями вторичных токов более 50%. Характеристика срабатывания данного алгоритма для к№пгрт =2.7 и

*допгран =5 приведена на рис.5.

Рсдв- ^ад

£ = 50%

Рис.5 Характеристика срабатывания алгоритма с направленным торможением с дополнительным динамическим юрможением от производной средней величины специально сформированного тормозно! о тока.

Таким образом, для принятых условий срабатывания алгоритм с направленным торможением с дополнительным динамическим торможением от производной средней величины специально сформированного тормозного тока надежно работает во всех режимах.

Пятая глава посвящена разработке дифференциальной защиты генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор, а также ее экспериментальному исследованию. На основании положений, выдвинутых в главе 3, в части выбора алгоритма дополнительной отстройки от БТН и его граничных условий, а также в результате исследований в главе 4, был разработан улучшенный алгоритм дифзащиты генераторов и трансформаторов, обладающий, как показали исследования, высокими эксплуатационными характеристиками и синтезирована общая структурная схема алгоритма работы дифференциальной защиты (рис.6).

Рис.6. Общая структурная схема алгоритма работы микропроцессорной дифференциальной защиты генераторов и блоков генератор-трансформатор.

Работа алгоритма дифференциальной защиты в составе комплекса защит генератора и блока генератор трансформатор содержит следующие операции:

• Для каждой фазы вычисляются величины основной гармонической составляющей токов /,, /2, /д = /, - /2 , а также величина второй

гармонической составляющей /¿2>.

• Величины токов I1АС сравниваются с уставкой 6/ном. Если величина хотя бы одного из токов превышает уставку, основной алгоритм не блокируется вне зависимости от значения расчетных величин алгоритма отстройки. Это сделано для предотвращения блокировки защиты при больших токах и насыщении ТТ, приводящих к появлению во вторичном токе высших

гармонических составляющих. Сравнение производится по дифференциальному току, для уменьшения вероятности блокировки основного алгоритма при внутреннем КЗ.

• Для каждой фазы величина /^р' //л, сравнивается с граничной величиной алгоритма отстройки. Если хотя бы в одной фазе коэффициент второй гармоники превышает граничную величину, и /Д<6/П(Ш для всех фаз, делается вывод о наличии БТН и основной алгоритм защиты блокируется. Вычисления по основному алгоритму производятся только в том случае, если разрешена его работа.

• Для реализации тормозной характеристики величина /д сравнивается с /)СГ и при дифференциальном токе /д < /уст дифзащита не работает.

• Вычисляется величина /, = /2 сояог, если со%а < 0, принимается

Л=о.

• Для реализации тормозной характеристики вычисляется к]!1.

• Определяется дополнительный тормозной ток /доп. Для этого сначала вычисляют мгновенные значения /лсп по выражению:

'юл 1 + 1'2 1 -1 -'21-Полученные значения /10П используют для формирования величины /доп. Этот ток формируется как разность текущих значений двух интегралов от дополнительного тока, один из которых вычисляют с усреднением на первой половине, а другой - на всей длительности периода промышленной частоты.

2 ' 1 ' ^п =7 ¡'лоА-- 1'Л0А<

' г-Т/2 1 1-1

где Г - период промышленной частоты.

После достижения максимума ток /доп начинает убывать. При этом его спад формируется так, чтобы затягиванием спада предотвратить срабатывание защиты в режимах внешних КЗ в виде экспоненты с постоянной времени, выбранной в соответствии с максимальным временем затухания первичного тока короткого замыкания.

• Реализуется полная тормозная величина /ТПШ!„ =к111 +£до|]/ |1)п.

• При /д > /тпшш, происходит срабатывание защиты.

С целью проверки селективности и устойчивости функционирования алгоритмов дифференциальной защиты при БТН, повреждениях и коммутациях были проведены экспериментальные исследования алгоритмов на реальных осциллограммах переходных процессов в энергосистемах. Рассмотрено

поведение защиты в условиях реальных режимов при БТН (на Бурейской ГЭС), а также при наложении внешнего БТН на нормальный режим (ЮжноКузбасская ГРЭС).

На основании приведенных осциллограмм подтверждены сформулированные автором положения по надежной отстройке разработанного алгоритма дифзащиты от всех видов БТН.

Проанализировано поведение дифференциальной защиты при включении генератора в сеть. Наиболее тяжелым случаем для защиты является режим переходного процесса с глубоким насыщением ТТ. Для оценки поведения алгоритмов в этом режиме рассматривалась осциллограмма включения генератора на параллельную работу (Кемеровская ГРЭС) (рис.7). Приведенная осциллограмма характеризует токи и расчетные величины для фазы Л. Результаты испытаний показали, что алгоритм с направленным торможением без дополнительного торможения недостаточно отстроен от переходных процессов, а селективность разработанной защиты обеспечивается во всех случаях, что согласуется с результатами, полученными в главах 3 и 4.

Рис 7 Токи и расчетные величины работы дифференциальной зашиты в фазе А при включении на параллельную работу генератора

Алгоритм дифференциальной защиты в соответствии со структурной схемой на рис.6 реализован в микропроцессорных терминалах защит генераторов и блоков генератор-трансформатор типов ШЭ1110 .ШЭ1113, выпускаемых НПП «ЭКРА», и хорошо зарекомендовал себя в различных режимах работы энергообъектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного анализа работы дифференциальных защит на основе различных принципов и исследования влияний воздействующих факторов сформулированы основные выводы по работе'

1. При исследовании алгоритмов работы современных дифференциальных защит в условиях переходных процессов в качестве математической модели ТТ целесообразно использовать гистерезисную модель ферромагнитного сердечника Джайлса-Эсетона. В этом случае достигается достаточная точность моделирования переходных режимов этих защит.

2. Для отстройки дифференциальных защит на базе время-импульсного принципа и принципа с направленным торможением от БТН необходимо применять дополнительные алгоритмы, основанные на соотношениях гармонических составляющих и использовать информацию о форме кривой по всем трем фазам для обеспечения селективной работы.

3. В результате анализа различных алгоритмов на основе математического моделирования и экспериментальных данных получены граничные параметры алгоритмов, позволяющие отстроиться от БТН всех типов, а действие а.н оритмов отстройки от БТН 01раничить диапазоном токов до 5-б/нцм

4. В качестве алгоритма отстройки дифзащиты от БТН целесообразно использовать алгоритм по соотношению второй и основной гармонических составляющих. Граничную расчетную величину для этого соотношения необходимо принимать порядка 0.1.

5. Для выполнения требований к современным МП дифференциальным защитам, в которых использован ВИ принцип, необходимо использовать частоту дискретизации ВИ алгоритма не менее 2000 Гц. Однако и в этом случае при величине токов внутреннего КЗ, близкой к уставке срабатывания (/УС1), время срабатывания может значительно превосходить 30 мс.

6. Алюритм с направленным торможением обеспечивает повышенную чувствительность по сравнению с ВИ алгоритмом в режимах внутренних КЗ, включая режимы с наложением, однако в некоторых режимах внешних КЗ, из-за принципиальных особенностей, имеет пониженную селективность.

7. Использование дополнительного динамического торможения от производной средней величины специально сформированного тормозного тока повышает устойчивость функционирования защиты на базе принципа с направленным торможением в переходных режимах. Проведенный анализ поведения алгоритма с направленным торможением с дополнительным динамическим торможением при внешних и внутренних КЗ позволил определить оптимальное значение коэффициента функции дополнительного торможения равное 2.7.

8. Разработанный алгоритм дифференциальной защиты генераторов и трансформаторов, обладает высокими эксплуатационными характеристиками, что подтвердил анализ его поведения в различных режимах, в том числе и па реальных осциллограммах, полученных в энергосистемах.

9. Результаты проведенных исследований положены в основу алгоритма дифзащиты, используемого в серийно выпускаемых в ООО НПП «ЭКРА» шкафов защит генератора и блока генератор-трансформатор типов ШЭ1110...ШЭ1113.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Наумов В А. Восстановление первичной кривой трансформатора тока по

форме вторичного тока // Информационные технологии в электротехнике и '

электроэнергетике. ИТЭЭ-2000: Материалы III всерос. науч.-техн. конф. -Чебоксары, 2000,- с. 291-292.

2. Шевцов В.М., Наумов В.А. Сравнение нелинейных моделей трансформатора тока при интенсивных переходных процессах // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике. ИТЭЭ-2000: Материалы III всерос. науч.-тсхн. конф. Чебоксары, 2000.- с. 293-294.

3. Шевцов В.М., Наумов В.А. Аналитическое моделирование измерительного преобразователя тока в среде MAPLE V // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике. ИТЭЭ-2000: Материалы III всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары, 2000.- с. 295-297.

4. Наумов В.А., Шевцов В.М. Компьютерные нелинейные модели ферромагнитных измерительных преобразователей // Кибернетика электрических систем. Материалы XXII сессии семинара «Диагностика энергооборудования». Новочеркасск, 2000.- с. 54-55.

5. Левиуш А.И., Наумов В.А. Повышение устойчивости функционирования дифференциальной защиты на времяимпульсном принципе. / Кибернетика электрических систем. Материалы XXIV сессии семинара «Диагностика энергооборудования». Новочеркасск, 2002. с. 54-55.

6. Наумов В.А., Шевцов В.М. Математические модели трансформатора тока в исследованиях алгоритмов дифференциальных защит// Электрические станции 2003, №3,- с. 51-56.

7. Naumov V.A. and Shevtsov V.M. Mathematical models of current transformers in algorithms of differential protection// Power Technology and Engineering, Vol. 37, No. 2, 2003, c. 123-128.

8. Левиуш А.И., Наумов В.А. Сравнительный анализ алгоритмов работы дифференциальных защит / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XI междунар. науч.-техн. конф: Тез. Докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2005, Т.З. с.363-364.

9. Пат. на полезную модель № 40545. Микропроцессорный терминал дифференциальной защиты генераторов и трансформаторов / Левиуш А. И., Наумов A.M., Наумов В.А. - БИ, 2004, № 25.

Подписано к печати 19.04.05. Тираж 80 экз.; заказ №32. Формат 1/16.

ОАО «ВНИИЭ», 115201, Москва, Каширское шоссе, д.22, корп.З.

I

J

\

-8686

РНБ Русский фонд

2006-4 16208

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ГЕНЕРАТОРОВ И БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР.

1.1. Общая структура и основной состав программного обеспечения цифровых защит генераторов и блоков генератор-трансформатор.

1.2. Основные принципы построения дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор и требования, предъявляемые к ним.

1.3. Дифференциальные защиты с торможением от апериодической составляющей.

1.4. Дифференциальные защиты с торможением от высших гармоник.

1.5. Дифференциальные защиты на основе время-импульсного принципа.

1.6. Дифференциальные защиты на основе принципа с направленным торможением.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ.

2.1. Расчет переходных процессов в ТТ.

2.1.1. Анализ известных методов расчета переходных процессов с учетом насыщения ТТ.

2.1.2. Расчет токов намагничивания методом численного решения дифференциального уравнения трансформатора.

2.1.3. Гистерезисная модель Джайлса-Эсетона.

2.2. Математическое моделирование броска тока намагничивания.48 2.2.1. Сравнительный анализ типов моделей для БТН.

2.2.2. Анализ режимов БТН для исследования алгоритмов дифференциальных защит.

2.3. Выбор математической модели ТТ с целью исследования алгоритмов дифференциальных защит.

2.3.1. Сравнительный анализ моделей ТТ при БТН.

2.3.2. Сравнительный анализ моделей ТТ для исследования дифференциального тока небаланса.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ПРИ БТН.

3.1. Предотвращение ложных срабатываний защит при броске тока намагничивания силовых трансформаторов.

3.2. Анализ алгоритмов отстройки от БТН.

3.2.1. Расчетные величины для алгоритмов отстройки от БТН.

3.2.2. Выбор граничных условий для отстройки от БТН всех типов.

3.3. Повышение устойчивости функционирования алгоритмов отстройки от БТН с учетом КЗ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ В СТАТИЧЕСКИХ И ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ КЗ.

4.1. Анализ алгоритмов в статических режимах работы.

4.1.1. Исследование алгоритмов в режимах внешнего КЗ.

4.1.2. Исследование алгоритмов в режимах внутреннего КЗ.

4.1.3. Исследование алгоритмов в режимах наложения внутреннего КЗ на внешнее.

4.2. Анализ алгоритмов в переходных режимах КЗ.

4.2.1. Выбор граничных условий моделирования переходных процессов при КЗ.

4.2.2. Анализ защиты на основе ВИ принципа.

4.2.3. Работа алгоритма с направленным торможением.

4.3. Повышение устойчивости функционирования алгоритма с направленным торможением в переходных режимах.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ГЕНЕРАТОРОВ, ТРАНСФОРМАТОРОВ И БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР.

5.1. Синтез структурной схемы и анализ поведения защиты в различных режимах работы.

5.2. Экспериментальное исследование дифференциальных защит.

5.2.1. Исследование поведения защит при БТН.

5.2.2. Исследование поведения защит при наложении внешнего БТН на нормальный режим.

5.2.3. Исследование поведения защит при включении генератора в сеть.

5.3. Конструктивное выполнение и основные технические данные шкафов защит типов ШЭ 1110.ШЭ1113.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы

Генераторы и трансформаторы являются одними из наиболее ответственных компонентов энергосистем, поэтому к системам их защиты предъявляются особо жесткие требования по быстродействию, селективности, надежности функционирования и чувствительности в условиях интенсивных переходных процессов, возникающих при различных коммутациях в энергосистемах.

Особо тяжелые повреждения генераторов и трансформаторов образуются при междуфазных коротких замыканиях (КЗ). В качестве основной релейной защиты (РЗ) от междуфазных КЗ в генераторах и трансформаторах применяется быстродействующая продольная дифференциальная защита.

В свое время в СССР было разработано значительное количество различных модификаций устройств дифференциальной защиты генераторов и трансформаторов. Исследованиями в этой области занимались М.И.Царев (ВНИИЭ), А.Д.Дроздов (НПИ), А.М.Дмитриенко (ЧТУ) и др. На основе их исследований были созданы реле типов РНТ и ДЗТ, нашедшие широкое применение в отечественных энергосистемах. Однако, как показал опыт эксплуатации, надежность функционирования упомянутых реле является недостаточной. Статистические данные показывают, что процент правильного действия находящихся в настоящее время в эксплуатации дифференциальных защит, в том числе выполненных на микроэлектронной и на микропроцессорной базе, находится в пределах 90-95%.

Основной причиной излишних срабатываний дифференциальных защит при отсутствии неисправностей и ошибок в выборе их параметров срабатывания, является насыщение магнитопроводов измерительных трансформаторов тока (ТТ) в силовых цепях генератора или трансформатора. Указанное явление в наибольшей степени проявляется в переходных режимах, сопровождающимися бросками токов намагничивания (БТН), а также при наличии значительных апериодических составляющих в токах внешних КЗ и при неточной синхронизации генератора.

В России за последнее время появилось много устройств РЗА разных изготовителей, применяющих различные алгоритмы дифференциальных защит. И если принципы работы традиционных защит изучены весьма досконально, то многие алгоритмы цифровых защит имеют весьма слабое теоретическое обоснование и недостаточно полно изучены. Как правило, техническая документация фирм либо носит рекламный характер, либо описывает лишь эксплуатационные характеристики. >

Учитывая изложенное, исследование наиболее распространенных алгоритмов дифзащит, а также дальнейшее совершенствование и разработка новых, обладающих лучшей селективностью, чувствительностью и быстродействием алгоритмов работы этих защит, представляет собой актуальную научно-техническую задачу. В то же время, в связи с тем, что в настоящее время не накоплено достаточной базы осциллограмм реальных повреждений в генераторах и трансформаторах, необходим анализ переходных процессов в силовых цепях трансформаторов тока и цепях самой защиты с помощью правильно выбранных математических методов.

Результаты такого анализа должны быть основой для последующих разработок более совершенных, отвечающих современным требованиям дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор.

Цель и задачи работы. Целью работы является исследование и разработка чувствительной, быстродействующей дифференциальной защиты генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор, а также внедрение этой защиты в серийное производство.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: а- анализ факторов, влияющих на устойчивость функционирования дифзащиты в установившихся и переходных режимах; б - разработка математических методов моделирования переходных процессов, влияющих на устойчивость работы дифференциальных защит; в — аналитические и экспериментальные исследования устойчивости функционирования дифференциальных защит при БТН; г - аналитические и экспериментальные исследования устойчивости функционирования дифзащит в установившихся и переходных режимах КЗ; д— разработка способов построения более совершенных продольных дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы системный подход к проблеме, современные методы моделирования, теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория основ электротехники (ТОЭ), аналитические и экспериментальные методы исследований продольных дифференциальных защит.

Научная новизна работы

1. Анализ и классификация факторов, влияющих на устойчивость функционирования дифзащит в условиях установившихся режимов и переходных процессов.

2. Математическая модель нелинейного ТТ на основе гистерезисной модели ферромагнитного сердечника Джайлса-Эсетона и методы моделирования переходных процессов, влияющих на устойчивость работы дифференциальных защит, с учетом нелинейности ТТ и силовых трансформаторов.

3. Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа в режиме БТН дифзащит на основе время-импульсного (ВИ) принципа и принципа с направленным торможением, для которого дифференциальный /д и тормозной /т токи определяются из выражений: при cosa>0 при cosacO где h - векторы фазных токов первой гармоники первой группы ТТ; /2 - векторы фазных токов первой гармоники второй группы ТТ. а - угол сдвига фаз между токами /, и -/2.

4. Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа защит на время-импульсном принципе и принципе с направленным торможением при внешних и внутренних КЗ.

5. Способ с дополнительным динамическим торможением от производной средней величины тормозного тока, обеспечивающий высокую устойчивость функционирования дифференциальной защиты на основе принципа с направленным торможением в различных режимах работы, и выбор оптимальных параметров этой защиты.

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 разработанного алгоритма дифференциальной защиты в составе терминалов защит генераторов и блоков генератор-трансформатор.

Практическая значимость работы

Определены и сформулированы основные требования к дифференциальным защитам генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор. Разработан способ их построения, а основной алгоритм работы дифзащиты защищен патентом.

Разработана полная математическая модель дифзащиты для проверки работоспособности предложенных алгоритмов в различных режимах, в том числе и для анализа в условиях реальных режимов на электростанциях. д//, -I2 -COSC6 О

Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы при разработке микропроцессорной чувствительной, быстродействующей дифференциальной защиты генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор. Разработанный алгоритм внедрен в виде базовых программных модулей аппаратно-программного комплекса микропроцессорных защит производства ООО НЛП «ЭКРА» в составе серийно выпускаемых шкафов ШЭ1110.ШЭ1113. Шкафы защит в 2003 году были приняты межведомственной комиссией под председательством представителя Департамента научно-технической политики и развития ОАО РАО «ЕЭС России» и рекомендованы к широкому применению на электростанциях всех типов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Классификация принципов выполнения дифзащит, обеспечивающих необходимое быстродействие, селективность и чувствительность.

2. Выбор модели нелинейного трансформатора, на основе гистерезисной модели ферромагнитного сердечника Джайлса-Эсетона для расчета переходных процессов.

3. Обоснование целесообразности применения дополнительного торможения от второй гармонической составляющей с использованием информации всех фаз и ограничением действия алгоритма отстройки токами /кз < 6/ном для отстройки от БТН.

4. Использование более совершенного алгоритма дифференциальной защиты с органами, реагирующими на абсолютное значение и фазу токов, а также дополнительным динамическим торможением от производной средней величины специально сформированного тормозного тока для повышения устойчивости функционирования в условиях интенсивных переходных процессов.

5. Разработанная структурная схема дифзащиты.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на третьей всероссийской научно-технической конференции ИТЭЭ-2000 ЧТУ (2000г.), на XXII- XXIV сессиях семинара «Диагностика энергооборудования» ЮРГТУ (НПИ) (2000-2002 г.), на XI международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» МЭИ (2005 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 публикации в центральных журналах, получен патент на полезную модель и решение о выдаче патента на изобретение «Способ дифференциальной защиты электроустановки». Статья «Исследование алгоритмов дифференциальных защит генераторов и трансформаторов» принята к печати в журнал «Электрические станции».

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 70 наименований, содержит 48 рисунков и 2 приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 182 страницы.

Основные результаты теоретических исследований и разработок автора, связанные с решением проблемы повышения технического совершенства продольных дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор, состоят в следующем:

1. Показано, что для исследования алгоритмов работы дифференциальных защит в условиях переходных процессов в качестве математической модели ТТ целесообразно использовать гистерезисную модель ферромагнитного сердечника Джайлса-Эсетона, что подтверждено экспериментальными исследованиями. При этом достигается достаточная точность моделирования параметров переходных режимов, необходимых для всестороннего анализа алгоритмов современных дифференциальных защит.

2. Исследованы режимы и определены параметры БТН, необходимые для исследования устойчивости функционирования дифференциальных защит, и обоснована необходимость применения дополнительных алгоритмов для отстройки дифференциальных защит на время-импульсном принципе и принципе с направленным торможением от БТН. Выделены основные алгоритмы отстройки от режима БТН и определены аналитические зависимости расчетных величин для этих алгоритмов от параметров БТН.

3. Для отстройки от БТН всех типов с помощью алгоритмов, основанных на соотношениях гармонических составляющих, необходимо использовать информацию о форме кривой по всем трем фазам. Получены граничные значения расчетных величин для алгоритмов, позволяющие отстроиться от БТН всех типов, и проанализировано поведение этих алгоритмов с учетом режимов

• внутреннего КЗ.

4. На основании результатов анализа показана необходимость ограничения действия алгоритмов отстройки от БТН диапазоном токов до 5-6/ном и целесообразность использования отстройки от БТН по соотношению второй и основной гармонических составляющих. Граничную величину этого соотношения необходимо принимать порядка 0.1.

5. Исследовано поведение время-импульсного алгоритма в установившихся и переходных режимах. Показана хорошая надежность и быстродействие ВИ принципа. Однако для надлежащего выполнения современных требований, для цифровых дифференциальных защит на основе ВИ принципа необходимо использование частоты дискретизации более 2000 Гц, или существенная переработка ВИ алгоритма. При токах внутреннего КЗ близких к уставке срабатывания (/уст), быстродействия ВИ принципа недостаточно для работы в первые ЗОмс. Построена характеристика срабатывания защиты на основе ВИ принципа при различных режимах внутреннего КЗ.

6. Проведен анализ алгоритма с направленным торможением в установившихся и переходных режимах. Алгоритм обеспечивает повышенную чувствительность по сравнению с ВИ алгоритмом в режиме наложения внутреннего КЗ на внешнее, или при наложении внутреннего КЗ с малым током на нормальный режим. Показана невозможность отстройки защиты на основе алгоритма с направленным торможением от всех режимов внешних КЗ. Построена характеристика срабатывания защиты при внутренних КЗ.

7. Предложен алгоритм, повышающий устойчивость функционирования алгоритма с направленным торможением в переходных режимах. Для этого используется дополнительное динамическое торможение от производной средней величины тормозного тока. Проведен анализ поведения алгоритма с дополнительным динамическим торможением при внешних и внутренних КЗ, и определены его оптимальные параметры для надежного функционирования. Построена характеристика срабатывания алгоритма при внутренних КЗ.

8. Разработан алгоритм дифференциальной защиты генераторов и трансформаторов, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками, и проведен анализ его поведения в различных режимах, в том числе на реальных осциллограммах, полученных в энергосистемах. Полученные результаты показали правильность его функционирования и подтвердили основные теоретические положения, выдвинутые автором. Результаты проведенных исследований положены в основу алгоритма дифференциальной защиты, используемого в серийно выпускаемых на Hill 1 «ЭКРА» шкафов защит генератора и блока генератор-трансформатор типов ШЭ 1110.ШЭ1113.

166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. -М.: Энергоатомиздат, 1998. -800 с.

2. Ilar,M. Advanced Numerical Protection System for Generators and Generator-Transformator Units, including Communication with Station Control. ESCOM, Sept.1991, 196 c.

3. Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная релейная защита и автоматика электроэнергетических систем. — М.: Издательство МЭИ, 2000. 199 с.

4. Овчаренко Н.И. Элементы автоматических устройств энергосистем. В 2-х кн. М.: Энергоатомиздат, 1995.

5. Алексеев О.П., Казанский В.Е., Козис В.Л. и др.; под ред. Козиса В.Л. и Овчаренко Н.И. Автоматика электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1981, -480 с.

6. Цифровая защита генератора. Техническое описание. ЭКРА.656116.166 ТО, 2004,408 с.

7. Техническое описание REG 216, 1995, 392 с.

8. Phadke, Arun G. Computer relaying for power systems, RSP Ltd, Taunton, Somerset, England, 293 c.

9. Вавин B.H. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор. -М.: Энергоатомиздат, 1982. 256 с.

10. Руководящие указания по релейной защите. Защита генераторов, работающих на сборные шины. Выпуск 1. М-Л., Госэнергоиздат, 1961. - 68 с.

11. Кужеков С.Л., Чмыхалов Г.Н. и др. Влияние переходных процессов на поведение дифференциальной защиты трансформаторов // Электричество, 1993, №7, с. 9-16.

12. Дроздов А.Д. Электрические цепи с ферромагнитными сердечниками в релейной защите. М.-Л.: Энергия, 1965, 240 с.

13. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. М.: Энергия, 1976.-559 с.

14. Дмитриенко A.M. Дифференциальная защита трансформаторов и автотрансформаторов//Электричество, 1975, №2, с. 1-9.

15. Подгорный Э.В., Хлебников С. Д. Моделирование и расчеты переходных режимов в цепях релейной защиты. М.: Энергия, 1974, - 206 с.

16. Алексеев В.Г., Зихерман М.Х. Оценка вероятности насыщения трансформаторов тока в сети 500 кВ // Электричество, 1979, №2, с. 53-56.

17. Дроздов А.Д., Платонов В.В. Реле дифференциальных защит элементов энергосистем. М.: Энергия, 1968, - 110 с.

18. Богдан А.В., Кургузов Н.Н. Анализ переходного тока небаланса дифференциальной защиты электродвигателя // Электрические станции, 1982, №6, с. 59-61.

19. Засыпкин А.С., Аллилуев В.А., Гармаш В.А., Ильиничнин В.В., Апарченок И.П. Дифференциальное реле для защиты автотрансформаторов 500-750 кВ с трансформаторами тока нового типа // Изв. Вузов СССР. — Электромеханика, 1976, №7, с. 774-779.

20. SPAD 346С. Дифференциальное реле с торможением. Руководство пользователя и техническое описание. АББ Реле-Чебоксары, 1995, 128 с.

21. Transformer differential relay type RADSE, фирма ASEA, Catalogue RK62-10E, Edition 3, August 1977, file R, part 1.

22. Дмитриенко A.M., Линт M. Г. Дифференциальная защита трансформаторов ДЗТ-21 // Электротехническая промышленность, Сер. аппараты низкого напряжения, 1979, вып.З (79), с. 7-10.

23. Дмитриенко A.M. Об использовании пауз для отстройки дифференциальных защит от переходных токов небаланса // Электричество, 1979, №1, с. 55-58.

24. Дмитриенко A.M. Принципы выполнения измерительных органов дифференциальной защиты шин // Электричество, 1991, №1, с. 18-24.

25. Кужеков C.JL, Синельников В.Я. Защита шин электростанций и подстанций. — М. Энергоатомиздат, 1983, 185 с.

26. Дмитриенко А. М. Влияние переходных процессов на поведение времяимпульсных дифференциальных реле при коротких замыканиях в зоне защиты // Труды ВНИИР, вып.5. Устройства релейной защиты и автоматики энергосистем, 1976, №10, с. 3-19.

27. Дмитриенко A.M., Линт М.Г. Влияние переходных процессов на быстродействие дифференциальной защиты ДЗТ-21 // Электрические станции, 1982, №6, с. 53-57.

28. Подгорный Э.В., Ульяницкий Е.М. Сравнение принципов отстройки дифференциальных реле от токов включения силовых трансформаторов // Электричество, 1969, №10, с. 26-32.

29. Левиуш А.И., Наумов В. А. Повышение устойчивости функционирования дифференциальной защиты на времяимпульсном принципе // Кибернетика электрических систем. Материалы XXIV сессии семинара «Диагностика энергооборудования». Новочеркасск, 2002. с. 54-55.

30. Дмитриенко A.M. Учет переходных процессов при выборе параметров времяимпульсных дифференциальных защит трансформаторов (автотрансформаторов) // Электричество, 1995, №1, с. 28-33.

31. Дроздов А.Д., Гармаш В.А., Беркович М.А., Ильиничнин В.В. Вероятность возникновения больших погрешностей трансформаторов тока в переходных режимах и оценка действия релейных защит // Электричество, 1978, №6, с. 45-51.

32. Jiles D.C., Atherton D.L. Theory of ferromagnetic hysteresis // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1986, 61, c. 48-60.

33. Поташов Н.П. Трансформаторы тока и реле для быстродействующей дифференциальной защиты с учетом переходных процессов. // Электрические станции, 1941, №6, с. 12-16.

34. Атабеков Г. И. Релейная защита высоковольтных сетей. Л.: Госэнергоиздат, 1949. - 424 с.

35. Сирота И. М. Переходные режимы работы трансформаторов тока. Киев: Изд-во АН УССР, 1961. 192 с.

36. Гловатская А.П. Методы и алгоритмы вычислительной математики.

37. М.: Радио и связь, 1999, 408 с.

38. М. Kersten. Problem der Technischer Magnetisierungskurve. Springer-Verlag. Berlin, 1938, 234 c.

39. Becker R. and Doring W. Ferromagnetismus. Springer-Verlag. Berlin, 1939, -112 c.

40. Наумов В.А., Шевцов B.M. Компьютерные нелинейные модели ферромагнитных измерительных преобразователей // Кибернетика электрических систем. Материалы XXII сессии семинара «Диагностика энергооборудования». Новочеркасск, 2000. с. 54 — 55.

41. Наумов В.А., Шевцов В.М. Математические модели трансформатора тока в исследованиях алгоритмов дифференциальных защит // Электрические станции, 2003, №3, с. 51-56.

42. Бессонов JI.A., Нелинейные электрические цепи. М.: Высш. школа,, 1977,-342 с.

43. Засыпкин А.С., Бердов Г.В., Синегубов А.П. Формирование бросков намагничивающего тока силовых трансформаторов для исследования релейной защиты // Изв.вузов СССР Электромеханика, 1973, №8, с. 877-883.

44. Зихерман М.Х. Характеристики намагничивания мощных трансформаторов // Электричество, 1972, №3, с. 79-82.

45. Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1989, - 240 с.

46. Засыпкин А.С. Остаточная индукция в ненагруженных силовых трансформаторах после отключения от сети // Изв. Вузов СССР, Электромеханика, 1977, №2, с. 168-172.

47. Беляков Н.Н., Волкова О.В., Рашкес B.C., Фотин В.П. Исследование внутренних перенапряжений при работе электрооборудования опытно-промышленной электропередачи 750 кВ // Электричество, 1970, №1, с. 8-15.

48. Рудный В.М. Вероятностные закономерности в работе высоковольтных выключателей при включении // Изв. Вузов СССР. Энергетика, 1965, №4, с. 1-5.

49. Линт М.Г. Поведение реле дифференциальной защитытрансформаторов большой мощности при бросках тока намагничивания // Изв. вузов СССР, Электромеханика, 1981, №11, с. 1238-1244.

50. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997, - 350 с.

51. Наумов В.А., Шевцов В.М. Аналитическое моделирование измерительного преобразователя тока в среде MAPLE V // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике. ИТЭЭ-2000: Материалы III всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары, 2000. с. 295-297.

52. John Н. Chan, Andrei Vladimirescu, Xiao-Chun Gao, Peter Liebmann, and John Valainis. Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation. IEEE Transactions on Computer-aided Design. Vol.10, No. 4, 1991, c. 476-481.

53. Naumov V.A. and Shevtsov V.M. Mathematical models of current transformers in algorithms of differential protection // Power Technology and Engineering, Vol. 37, No. 2, 2003, c. 123-128.

54. Наумов В.А. Восстановление первичной кривой трансформатора тока по форме вторичного тока // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике. ИТЭЭ-2000: Материалы III всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары, 2000. с. 291-292.

55. Дмитриенко A.M. Реле дифференциальной защиты высоковольтных двигателей и понижающих трансформаторов // Электрические станции, 1983, №12, с. 20-27.

56. Алексеев В.Г., Гельфанд Я.С. Сравнение алгоритмов отстройки дифференциальных защит трансформаторов от броска намагничивающего тока // Электричество, 1993, №11, с. 38-42.

57. Электротехнический справочник. Под общей редакцией П.П.Грудинского и др., т.1. М.: Энергия, 1974, - 775 с.

58. Лейтес. Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. -М.: Энергия, 1981,- 134 с.

59. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Жалалис Л.В., Сирота И.М., Стогний Б.С. Трансформаторы тока. Л.: Энергия, 1980, - 344 с.

60. Бронштейн И. Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959, 608 с.

61. Богуш А.Г. О БТН при включении трансформатора // Электричество, 1957, №2, с. 38-40.

62. Шмурьев В .Я. Цифровые реле защиты. — М.: НТФ «Энергопрогресс», 1999.-56 с.

63. Грек Г.Т., Петров С.Я. Дифференциальная защита шин с торможением // Электричество, 1970, №10, с. 42-48.

64. Дроздов А.Д., Засыпкин А.С., Кужеков С.Л. и др. Электрические цепи с ферромагнитными элементами в релейной защите. М.: Энергоатомиздат, 1986. -254 с.

65. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000. -504 с.

66. Андерсон П., Фуад А. Управление энергосистемами и устойчивость. -М.: Энергия, 1980. 568 с.

67. Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. -М.: Мир, 1990. -584 с.

68. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. 2-е изд., перераб. И доп. -СПб.: Политехника, 1999. - 592 с.

69. Левиуш А.И., Наумов В.А. Сравнительный анализ алгоритмов работы дифференциальных защит // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.

70. XI междунар. науч.-техн. конф: Тез. Докл. В 3-х т. М.: МЭИ, 2005, Т.З. с.363-364.

71. Пат. РФ № 40545. Микропроцессорный терминал дифференциальной защиты электроустановки // Левиуш А.И., Наумов A.M., Наумов В.А. — БИ, 2004, № 25.