автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Оценка технического совершенства релейной защиты силовых автотрансформаторов методом вычислительного эксперимента

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ__

УДК 621.316.925

Р Г Б ОД

л г" *" ' ~ '' "'.

ХУСАМЕЛДИН Ала Еддин Ахмед

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ МЕТОДОМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

05.14.02-Электрическиестанции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Автореферат диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1996

Работа выполнена на кафедре "Электрические станция" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель Официальные оппоненты;

доктор технических наук, профессор Новаш В.И.

доктор технических наук, профессор Сбродов Г.П., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сапъянт В.Х.

Оппонирующая организация - Белорусский научно-исследовательский и проектю-изыскательский энергетический институт "Бедзнергосетьпроект"

Защита состоится " / 1996 года р 40 часов на засе-

дании-Совета по защите диссертаций Д.02.05.0Я в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, пр-т ф. Скорины, 65, корп. 2, ауд. 201, Белорусская государственная политехническая академия.

С диссертацией панно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан "25" января 1996 г.

Учёный секретарь Совета по защите диссертаций

д. т.н. профессор М.А.Короткевич

@ хусдмелдин А., 1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Ответственными элементами энергосистем являются автотрансформаторы (АТ). Их релейная защита (РЗ) выполняется так же, как и защита силовых трансформаторов. Электромагнитные переходные процессы в АТ и их особенности, в значительной мере сказывающие влияние на поведение быстродействующих защит, вследствие недостаточной их изученности при проектировании и расчёте параметров защит, учитываются не в полной мере.

В связи с этим становятся веб более актуальными вопросы разработки и реализации на ЭВМ математических моделей АТ, измерительных трансформаторов тока и устройств релейной защиты, позволявших воспроизводить аварийные и послеаваришше режимы с высокой достоверностью с учётом всех факторов, оказывающих заметное влияние на функционирование РЗ. Учитывая оснащённость проектных, исследовательских и эксплуатационных организаций элекроэнергетики современными средствами вычислительной техники, открываются широкие возможности реализации математических моделей для оперативного и всестороннего исследования электромагнитных переходных процессов, анализа и оценки поведения современных электронных устройств РЗ с учётом конкретных условий эксплуатации.

Связь работы о крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в соответствии с темой научно-исследовательских работ кафедры "Электрические станции" БГПА ГБ- 91-72 "Создание научных принципов и методов анализа и синтеза проблем управления режимами и развития систем электроэнергетики в условиях ограничения резервов мощности".

Цель и задачи исследования. Разработка методики вычислительного эксперимента и исследования с его помощью электромагнитных переходных процессов, поведения устройств га силовых автотрансформаторов при коротких замыканиях (КЗ) и их отключении, оценки основных,- показателей технического совершенства защит и уточнения параметров их срабатывания.

Достижение этой цели связано с решением следующих задач: 1азработка и реализация на ПЭВМ комплексной математической модели узла энергосистемы, содержащего трёхфазный трёхобмоточный АТ, синхроннуи машину;

разработка методики выделения намагничивающих токов АТ из полных токов внешних КЗ;

выявление количественных и качественных особенностей изменения токов намагничивания силовых АТ в режимах внешних КЗ;

' разработка и реализация на ПЭВМ комплексной математической модели дифференциальной защиты силовых автотрансформаторов с полным описанием электромагнитных переходных процессов в трансформаторах тока и измерительном органе;

проведение исследования показателей технического совершенства защиты АТ типа ДЗГ-21 методом вычислительного эксперимента в различного рода переходных режимах .

Научная новизна полученных результатов.

Разработана комплексная математическая модель узла энергосистемы, содержащего трёхфазный трёхобмоточный автотрансформатор с многосторонним питанием и его дифференциальной защиты, учитывающая, в отличие от известных математических моделей, конструктивные особенности автотрансформатора и защиты типа ДЗТ-21.

Разработана методика вычислительного эксперимента, базирующаяся иа использовании комплексных математических моделей автотрансформатора и его дифференциальной защиты, позволякщая, в отличие от применяющихся методов исследования, более полно учесть влияние нелинейных свойств полупроводниковых и нелинейных элементов и других влиявших факторов и пригодная для исследования переходных процессов в режимах включения АТ, внешних и внутренних 123 с учётом влияния переходных процессов е АТ, трансформаторах тока и элементах защиты.

Предложена методика выделения намагничивающего тока автотрансформатора из полных токов КЗ, которая позволила выявить количественные и качественные особенности изменения токов намагничивания автотрансформатора при рсех видах КЗ.

Предложены и обоснованы мероприятия по совершенствованию дифференциальной защити АТ 'при её реконструкции, использование процентного торможения разностью мгновенных значений токов двух плеч защити и улучшение работы узла торможения второй гармоникой дифференциального тока. В отличие от принятого способа торможения полусуммой модулей токов плеч, предложенный способ значительно увеличивает уровень тормозного сигнала при внешних ИЗ.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработанные комплексные математические модели, методика вычислительного эксперимента и комплекс программ для ПЭВМ могут быть испольвованы для уточнённого исследования показателей технического совершенства, оптимизация конструктивных параметров диф-

ференциальных защит автотрансформаторов на стадиях проектирования и эксплуатации.

Намагничивающие токи автотрансформаторов при внешних КЗ могут достигать значений (1-3) амплитуды номинального тока и их следует учитывать при оценке токов небаланса, при разработке и выборе параметров дифференциальных запит. Неучёт этого фактора иожет явнтвся причиной южного срабатывания защит при внешних КЗ.

Процентное торможение зашиты тина ДЗТ-21, в отличие от принятого способа торможения полусуммой модулей токов плеч,рекомендуется выполнять разностью мгновенных значений токов двух, плеч на сторонах ВН и СН автотрансформатора, что позволяет повысить степень отстройки защиты от токов небаланса при внешних КЗ и быстродействие, при внутренних КЗ.

Для повышения степени отстройки защиты от бросков тока намагничивания (БТН), возникающих при включении автотрансформатора под напряжение и при отключении внешних КЗ, целесообразна разработка мероприятий, повывающйх эффективность работы узла торможения второй гармоникой дифференциального тока или исключение его с использованием других признаков БТН.

Экономическая значимость полученных результатов.

Математические модели и комплекс программ для ПЭВМ могут быть использованы как коммерческий продукт для заинтересованных потребителей.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Комплексная математическая модель угла энергосистемы, содержащего трёхфазный трёхобмоточный автотрансформатор с тремя генерирующими источниками, одним из которых является синхронная машина и алгоритм её воспроизведения на ЭВМ для исследования элект-. ромагнитных переходных процессов и оценки поведения устройств релейной защиты АТ.

Комплексная математическая модель трансформаторов тока, токовых цепей дифференциальной защиты, фазного модуля защиты и программы для ПЭВМ для исследования показателей технического совершенства в условиях интенсивных переходных процессов.

Методика выделения намагничивающих токов АТ из полных токов внешних КЗ, позволяющая выявить количественные и качественные особенности изменения токов намагничивания автотрансформатора при всех видах КЗ.

Результаты исследования намагничивающих токов силовых АТ в режимах внешних КЗ и после их отключения.

Алгоритм и программа спектрачыюго анализа намагничивающих токов и токов небаланса.

Результаты исследования показателей технического совершенства дифференциальной защиты силовых АТ.

Методика и результаты исследования способа процентного торможения разностью мгновенных значений токов плеч защиты, в отличие от принятого способа торможения полусуммой модулей токов плеч, предложенный способ значительно увеличивает уровень тормозного сигнала при внешних КЗ.

Личный вклад соискателя. Основные научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично соискателем' или при его непосредственном участии.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались автором на 50-51-й научно-технических конференциях Белорусской государственной политехнической академии в 1954 и 1995 гг.

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в двух'статьях в научном журнале "Энергетика" и Раисах докладов республиканских научно-технических конференций БГПА В 1994 И 1995 г Г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, двух приложений. Полный объём составляет 143 о., из них 51 иллюстрация, 1 таблица, 2 приложения, список использованных источников (70 наименований) занимают 53 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и общей характеристике работы обоснована актуальность теш диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования .

В первой главе рассмотрены особенности нормальных и аварийных режимов силовых АТ, основные виды повреждений и ненормальных режимов, которые учитываются при выполнении релейной защиты АТ. Выполнен краткий анализ принципов действия, требований и количественных параметров технического совершенства РЗ и методов оценки их поведения в сложных аварийных режимах .

Для оценки поведения быстродействующих устройств защиты и расчёта их параметров необходимо знать величину и характер изменения токов и напряжений в первичных цепях при включениях АТ под

напряжение, КЗ всех видов в защищаемой зоне и вне её, восстановлении напряжения после отключения внешних КЗ .

' При включении АТ на холостой ход возникали затухавшие броски тока намагничивания, величина которых у АТ меньше, чем у трансформаторов одной и той же мощности.

В переходных режимах КЗ считается, что магнитопроводы не насыщаются, намагничивающими токзми пренебрегают, что в полной мере справедливо для трансформаторов. У силовых АТ при КЗ, например,на стороне СН, общая обмотка замыкается накоротко, а полное напряжение сети высшего напряжения (ВН) оказывается приложенным к последовательной обмотке АТ. Напоялсение, приложенное к этой обмотке в режиме КЗ, внезапно увеличивается, и следует ожидать увеличения токов намагничивания АТ в режиме КЗ относительно режимов холостого хода и нормальной нагрузки. Однако качественная и количественная стороны этого явления не нашли должного отражения в технической литературе.

Для проектирования, расчёта и выбора параметров срабатывания устройств РЗ АТ необходимо решить следующие вопросы, а именно; виды и место расположения точек КЗ, которые сопровождаются увеличением намагничивающего тока, численные значения и характер изменения в течение времени КЗ тока намагничивания и его гармонический состав, влияние нредпествующего режима на величину и характер изменения тока намагничивания .

При восстановлении напряжения после отключения внешнего КЗ также возникают броски намагничивающего тока. Однако теоретические и экспериментальные исследования данного переходного процесса выполнялись применительно к силовым трансформаторам с односторонним питанием и трансформаторам блока генератор-трансформатор.

Для оценки поведений РЗ в различных режимах могут использоваться различные методы, а именно: натурные испытания образцов РЗ в энергосистемах при искусственно создогных аварийных режимах, испытания образцов ПЗ на электродинамических моделях и в лабораторных условиях при искусственно созданных режимах, расчётные способы, основанные на использовании математических зависимостей и др.

Мощным средством качественного и количественного анализа, позволявшим произвести оценку поведения РЗ в конкретных условиях при разных повреждений с учётом большого числа влилюзшх

Факторов, является математическое моделирование. Комплексные математические модели, включающие в себя подробное математическое описание измерительных трансформаторов, устройств РЗ и самого за-

щицаемого объекта, позволяют проследить поведение устройств защиты и её отдельных элементов в режимах, которые трудно воспроизвести экспериментально и влияние которых выявляется только в результате длительной эксплуатации.

В первой главе также сформулированы цель и задачи исследования .

Во второй главе рассмотрены достаточно полные математические модели для воспроизведения и исследования с помощью ЭВМ электромагнитных переходных процессов в силовых АТ электрических станций и подстанций при КЗ и при восстановлении напряжения после их отключения.

Расчётная схема для исследования электромагнитных переходных процессов в АТ с многосторонним питанием при КЗ и их отключении приведена на рис. 1.

Силовой АТ представлен моделью,.пригодной для расчёта электромагнитных переход- ' ных процессов при различных коммутационных режимах без изменения структуры.модели. В этой модели'выделены магнитные потоки стержней, элементов ярма, междуобдаточного пространства, не накладывающиеся друг на друга, а также потоки отдельных фаз, замыкающиеся через стенки бака и окружающее пространство. Такая модель не содержит индук-тивностей рассеяния отдельных обмоток, которые не могут быть однозначно определены для всех возможных режимов работы АТ.

Математическое описание АТ содержит дифференциальные уравнения электрических контуров обмоток, алгебраические уравнения ЩС в контурах магнитопровода и нелинейные характеристики намагничивания Н - Г(В) стержней и элементов ярма магнитопровода, которые задавались с учётом соответствующих потоков в стали и околостержневом пространстве.

Рис.1

Математическое описание синхронной машины включает уравнения обмотки возбуждения и двух эквивалентных демпферных контуров в продольной и поперечной осях ротора, уравнения контуров статора в « и р координатах, в которых аир составляющие токов и напряже ний статора заменены фазными величинами, уравнения движения ротора. Уравнения движения решаются при постоянном значении момента первичного двигателя. Напряжение возбуждения определяется с учётом форсировки возбуждения. Дифференциальные уравнения ЭДС контуров статора синхронной машины и обмоток НН АТ объединены в единые дифференциальные уравнения.

Дифференциальные уравнения комплексной математической модели приводятся к виду, удобному для численного интегрирования,

<* ^ - С (¿ = 1.2.....19).

(Л 1

Величины У1....,У12 по своему физическому смыслу представляют потокосцепления соответствующих контуров на стороне ВН. СН, НИ автотрансформатсроа; У1з,... Л15-соответственно потокосцепления контура возбуждения и эквивалентных демпферных контуров по продольной и поперечной осям; Ую, скольжение и угол положения ротора относительно оси фазы А обмотки статора; У^.^д- потокосцепления статора при КЗ на выводах синхронной машины.

Численное решение дифференциальных уравнений производится методом Рунге-Кутта второго порядка с определением токов и пото-косцеплений V« , ¥р на втором такте путём их линейной экстраполяции на конец шага.

Уравнения потокосцеплений контуров статора и ротора синхронной машины, обмоток АТ, характеристики намагничивания элементов магнитопровода АТ и дополнительные соотношения, определяющие баланс токов в узлах схемы (рис.1), образуют замкнутую нелинейную систему алгебраических уравнений с 44 неизвестными.

Решения нелинейной системы алгебраических уравнений производится методом итераций. Алгоритм их решения содержит двойной итерационный цикл: внутренний по напряжённости магнитного поля Н и наружный по параметру насыщения синхронной машины .

Для постановки вычислительного эксперимента составлена программа на алгоритмическом языке ФОРТРАН-77. Программой предусмотрена возможность исследования развивающихся КЗ с- неодновременным замыканием фаз ветви КЗ. Результаты расчёта выводятся на дисплей и печатающее устройство в виде таблиц или графиков. Длительность

расчёта переходного процесса длительностью 0.1 с на ПЭВМ АТ-286 составляет порядка ,3-3.Ь"мин.

По разработанным программам для выявления особенностей переходных процессов в силовых АТ было проведено исследование намагничивающих токов для ЛТ разных мощностей и напряжений при всех видах КЗ на сторонах ВН, СН, НН и при восстановлении напряжения после отключения КЗ.

Для выделения намагничивающих токов АТ из полных токов КЗ рагработала методика, базирующаяся на использовании математической модели токовых цепей дифференциальной запита, в которой ТТ представлены бее учёта своих намагничивающих токов.

Проведенные исследования показали, что наибольшие значения намагничивающих . токов при прочих равных условиях оказались у АТ напряжением 330/220 кВ при внешнем трёхфазном КЗ на стороне СН АТ. Так, у АТ мощностью 240 КВА при питании от системы 3000 МВА, Хс - 0.5 - 1.0 амплитуды намагничивающих токов при трёхфазных КЗ составили (1.3-3.2)1Ном.мах. Наибольшие значения шали место при напряжениях на стороне ВН в исходном режиме, на 5X превышающих уровень, соответствующий значениям рабочей индукций 1.65 Тл. При совпадении этих уровней амплитуда тока намагничивания снижались на 10-201. .Примерно такое же влияние оказывает изменение сопротивлений питающих систем, изменение мощности, передаваемой ' из системы ВН в систему СН в предшествующем режиме.Наибольшие значения намагничивающих токов имеют место при отсутствии подпитки со стороны 1Ш. При двухфазных и однофазных КЗ намагничивающие токи были на 25-ЗОХ меньше. ' '

Намагничивающие токи АТ напряжением 220/110.кВ мощностью • 63,125 МВА при тех же условиях оказались в пределах (1.0-2.0) Iнон.мах. а уАГ. 330/110 КВ (0.1-0.4) 1ном.мах.

Намагничивающие .токи при КЗ на'стороне ВН и НН фиксировались на уровне, соответствующем их значениям у силовых трансформаторов и меньше, чем в нормальных режимах работы.

Повышенные значения намагничивающих токов при ИЗ нв стороне СИ связаны с глубоким насыщением ярма магнитопровода. Индукции в стержнях при КЗ изменяются так ¡ке< как и у силовых трансформаторов, т.е. содержат медленно затухающие постоянные составляющие и небольшие составляющие основной частоты. Индукции в элементах ярма при КЗ значительно возрастают, их форма искажается, обусловливая повышенные значения намагничивающих токов .

Следует отметить, что форма кривой намагничивающего тока при

1(3 на стороне СН имеет биполярный характер (рис.2), в ней относительно слабо выражена" вторая гармоника. При величине намагничивающих токов такой формы до (2-3)1Ном.мах можно опасаться излишних срабатываний даже так»: типов защиты. Это обстоятельство следует учитывать при проектирований релейной защиты АТ.

После отключения внешнего КЗ (10тк - 0.11 с на рис.2.а) намагничивающие токи достигаю? 'значений (1-2) Iном.мах в зависимости от фазы напряжения в момент КЗ и момента прохождения токов КЗ через нулевые значения. Наибольшие значения намагничивающих токов после отключения КЗ имеют однололярный характер. Намагничивающие токи биполярной формы не превышают (О.5-1)1ном.мах-

В третьей главе рассматривается комплексное математическое моделирование дифференциальной защиты силовых - АТ, использование разработанной модели для исследования и выбора алгоритма процентного торможения, приводятся алгоритмы и описание программ, предназначенных для реализации комплексной математической модели защити на ПЭВМ.

а. А

Г I

и

.9» ,и .м !,„ л: и

«> »--»

РИС.2

А 1 _!__ 1

¡1 г. |

-Н- 11 ,1 -ц I 11" ""Г....... —

Г 1 1 ! 1 ЧП I I! ,

1 1 1 1 ! !П 1 I Т ' I > > 1 1 1 / 1 ! \

1

-т-И 1

( 1 1

Г 1

Комплексная математическая модель включает в себя математическое описание трех трёхфазных групп ТТ, фазного модуля защиты.

Математическая модель токовых цепей дифференциальной защиты содержит дифференциальные уравнения равновесия ЗДС вторичных цепей, уравнения равновесия ВДС магнитных цепей, характеристики намагничивания ыагнитоправода ТТ и некоторые дополнительные соотно-яения .

Математическое описание измерительного органа состоит из уравнений электрических и магнитных контуров промежуточного трансформатора тока, трансреактора и содержит 8 дифференциальных и 20 линейных алгебраических уравнений, решаемых совместно численными методами.

Реагирующий орган моделируется с использованием приёмов имитационного моделирования. -

Дифферевдиальные уравнения решаются методом Рунге-Кутта второго порядка, который требует однократного решения алгебраических уравнений на каждом шаге численного интегрирования, а алгебраические уравнения- методом итераций.

В соответствии с разработанным алгоритмом составлена программа, состоящая из главной программы и подпрограммы.

Разработанная комплексная математическая модель использовалась для исследования и выбора.алгоритма процентного торможения. Используемый в реле ДЗГ-21 принцип процентного: торможения не учи- . тывает фазовые сдвиги между токами плеч и приводит к формированию тормозного сигнала большой величины не только при внешних, но и при внутренних КЗ. Кроме' того, при неблагоприятных условиях (большие кратности токов КЗ, большие и медленно затухающие апериодические составляющие и т.д.) ТГ зашиты могут работать с большими токовыми и полными погрешностями, что сникает эффективность процентного торможения.

Для повышения эффективности процентного торможения дифференциальных защит АТ в данной работе предлагается использовать процентное торможение разностью мгновенных значений токов плеч защиты на сторонах БН и СН автотрансформатора.

Проведенные на базе комплексной математической модели исследования рабочих и тормозных сигналов дифференциальной защиты АТ разных мощностей и напряжений при всех учитываемых видах внешних V внутренних КЗ и различных режимах насыщения ТТ показали более высокую эффективность применения процентного торможения разностью мгновенных значений токов плеч защиты на сторонах ВН и СН АТ. Ап-

паратная реализация этого способа торможения не встречает затруднений и оказывается проще торможения полусуммой модулей токов плеч защиты.

В четвёртой главе излагаются вопросы разработки методики вычислительного эксперимента на базе предложенных комллегашых математических моделей и программ. Методика позволяет выполнять исследования переходных процессов как для каждого элемента системы в отдельности, так и для исследования технического совершенства защиты и оценки её поведения в • режимах включения АТ, внешвих и внутренних КЗ с учётом влияния переходных процессов в А'Г, трансформаторах тага и элементах защиты. Приводятся результаты анализа устойчивости быстроты срабатывания дифференциальной защиты при внутренних КЗ, а таске отстроенности зашиты от бросков тока намагничивания и токов небаланса в режимах включения АТ на полное напряжение сети, при всех учитываемых видах КЗ и при восстановлении напряжения после их отключения.

Исследование отстроенности защиты от бросков тока намагничивания выполнялось для АТ равных мощностей и напряжений в шнрсюы диапазоне изменения параметров питающих систем, остаточных индукций в магнитопроводах АТ и ТТ и при различных значениях начальной фазы включения питающего напряжения. Для всестороннего анализа поведения заэдты в указанных режимах воспроизводились различные режима насыщения измерительных ТТ ,

Во всех режимах максимальные значения БИТ у АТ равные (1.5-2.5) 1амп.ном, меньше, чем у трансформаторов одной и той же мощности. При включениях АТ со стороны СН максимальные значения БНТ не превышают максимальных значения БНТ при включениях со стороны ВН. При восстановлении напряжения после отключения внешнего КЗ возникают БНТ; амплитудные значения которых не превышают половши амплитуды БНТ при включении АГ на холостой ход. Защита ДЗТ-21 надёжно отстроена от БНТ такой величины.

Для качественной оценки подводимых к защите сигналов использовался метод спектрального анализа в соответствии с прямым преобразованием Фурье.

На рис.3 приведены графики амплитудных частотных спектров для X - 0.2 с и X - 0.04 с мгновенных значений МДС первичной обмотки трансреактора защиты при включении АТ 330/220 кВ мощностью 240 ИВА на холостой ход со стороны ВН и отсутствии подпитки со стороны НН. Трансформаторы тока защиты в этом опыте насыщаются на третьем (четвертом) периоде переходного процесса.

Следует отметить, что в спектрах, построенных для интервалов^ близких ко времени срабатывания защиты tC3. отсутствуют пики, соответствующие чётко выргосенным гармоникам с частотами 100, 150 Гц и др. Они появляются лшь при времени наблюдения сигналов, значительно превосходящих tC3- Это обстоятельство даст основание предполагать о недостаточной эффегаивности Слога торадожекия второй гармоникой дифференциального тс«а защиты в течение 2-3 периодов после включения AT па холостой ход. Кроме того, выходной сигнал узла торможения второй гармоникой содержит большую неременную составляющую, что объясняется особенностями выполнения фильтра второй гармонией.

В результате анализа амплитудных частотных спектров для равных значений х к характера изменения тормозного сигнала от угла торможения второй- гармоникой для АТ разных мощностей и напряжении в режимах их включения ка холостой ход и при восстановлении нап-рякения после отключения внешних КЗ можно сделать вывод о том, что для повышения степени отстроенностн от БНТ целесообразна разработка мероприятий, повывающих эффективность работы уэла торможения второй гармоникой дифференциального тока или исключение зтого узла с использованием других признаков БИТ, как это, например, сделано в реле РСТ-15, РСТ-1В.

Исследовалось поведение всех фазных модулей защиты при внеш-

S1

Рис.3

них трёхфазных, всех видов двухфазных КЗ и КЗ на землю яа сторонах ВН и СН А'Г различных мощностей и напряжений.

В результате проведенных исследований установлено, что при КЗ на стороне СН АТ. при прочих равных условиях, токи небаланса увеличиваются. Их увеличение обусловлено появлением токов намагничивания значительной величины в силовых АГ при ¡<3 только со стороны СИ. При условии, что токи плеч защиты равны, а ТТ не насыщаются, ток небаланса, протекающий по первичной обмотке трансреактора рабочей цени фазного модуля и ЩС рабочей цепи 1« обусловлены только током намагничивания АТ и имеют биполярный характер. Гаршничеажй анализ ЩС (1ч) показал, что я спектрах, построенных для интерзалов наблюдения X - 0.2 сих - 0.04 с, отсутствуют пики, соетветсв:ующие чётко выраженной гармонике с частотой 100 Гц. Тормозной сигнал на выходе узла процентного торможения значительно больше тормозного сигнала от узла торможения второй гармоникой.

Установлено, что время-импульсный РС защиты с током срабатывания 0.3 1иом при изменении коэффициента торможения в дианагсне 0.3 - 0.9 ложно не срабатывает при всех видах °нешш КЗ независимо от режима насыщения ТТ плеч защиты. Поведение реле отсечки зависит от кратности тока КЗ и режима насыщения ТТ. При больжих кратностях тока КЗ и при отсутствии сильного насыщения ТТ только одного плеча защиты отсечка может ложно срабатывать независимо от уставки тска срабатывания (рис,4). При одновременном и сильном насыщении ТТ плеч защиты- отсечка, к&ч правило, ложно не срабатывает.

Исследование устойчивости быстроты срабатывания дифференциальной защиты АТ выполнялось з установившихся и переходных режимах симметричных и всех видах несимметричных КЗ, при различном характере насыщения измерительных ГТ. Исследования проводились для двух вариантов процентного торможения, а именно: арифметической полусуммой выпрямленных токов деух плеч, разностью мгновенных значений токов плеч.

Построены зависимости времени срабатывания чувствительного Ж) и отсечки от кратности синусоидального входного тока без апериодической составляющей. В переходных режимах КЗ, когда во входных токах содержатся не только периодические, но и апериодические составляющие и высшие гармоники, время срабатывания чувствительного ИО может увеличиваться. Это увеличение в первую очередь определяется величиной и форш тормозного сигнала, т.е. зависят от

1

14

принятого способа торможения, а также от режима работы измерительных ТТ. При глубоком насыщении ТТ и при увеличении уровня тормозного сигнала создаётся возможность существенного замедления ИО.

<1-3 Л

П

<00 г

; | /-.¿у* ! • •; ;

•¡/ \ 1 / Г\ А А ЛЧ.А <л''\!

Л/!\/т\Л ^л^тт^

..... . V I.

'"•Сух. ]

Ща^ЛЛАААЛ/1

\/У\А/1\А/

>.г ! V/ ! V ! ^ ! ^ '[Л |

ЛАЛМА

Рис. 4

Следует отметить, что при всех многофазных КЗ возникновение условий, вызывающих одновременное значительное замедление чувствительных Ш модулей разных фаз, маловероятно вследствие различного характера насыщения ТТ в тр&хфаэкой группе, а также из-за различия уровней и форм тормозных сигналов разных фаз. В результате время отключения повреждения определяется ИО, имеющим меньшее время срабатывания. При несимметричных КЗ время срабатывания высокочувствительных время-импульсных ИО может существенно увеличиваться. Время отключения повреждения оависит от способа торможения защиты. При торможении арифметической полусуммой токов плеч в сочетании с торможением второй гармоникой дифференциального тока время ликвидации повреждения может увеличиваться по сравнению с вариантом торможения разностью мгновенных значений токов плеч.

Проведенные исследования для АТ разных мощностей и напряжений при различных видах КЗ с изменением кратности тока КЗ в широком диапазоне и при различных режимах работы трехфазных групп ТТ показали, что время срабатывания время-импульсного ИО при неблагоприятном сочетании условий функционирования защиты может достигать значений 215-40 мс- при торможении разностью мгновенных значений токов плеч и 35-45 мс и более при торможении арифметической

полусуммой токов плеч. При больших кратностях токов КЗ повреждения ликвидируются отсечкой со временем порядка 15-25 мс.

ВЫВОДЫ-

1. Релейная защита силовых автотрансформаторов выполняется в настоящее время практически так же^сак и защита трансформаторов, при этом особенности режимов работы автотрансформаторов вследствие недостаточной изученности учитываются не в полной мере, . Представляется необходимым учитывать особенности переходных процессов в автотрансформаторах при проектировании и расчёте параметров релейной защиты .

2. Разработана комплексная математическая модель узла энергосистемы, содержащего трёхфазный трёхобмоточный автотрансформатор с многосторонним питанием и синхронную машину, пригодная для исследования электромагнитных переходных процессов в режимах включения автотрансформатора на полное напряжение сети, установившихся и переходных режимах КЗ, при восстановлении напряжений после отключения КЗ .

3. Предложена методика выделения намагничивающего тока АТ из полных токов КЗ на стороне СН, основанная на использовании математических моделей АТ и токовых цепей дифференциальной защиты . Выявлены количественные и качественные особенности изменения токов намагничивания силовых автотрансформаторов при всех учитываемых видах КЗ. Установлено, что при КЗ на стороне среднего напряжения АТ намагничивающие токи достигают (1-3) амплитуды номинального тока, имеют биполярный характер и их следует учитывать при разработке, выборе параметров срабатывания и оценке поведения дифференциальных зашит .

4. Комплексная математическая модель дифференциальной Бащиты силовых АТ с полным описанием электромагнитных переходных процессов в защищаемом объекте, трёхфазных группах ТТ, измерительных органах фазного модуля реле и разработанные на базе этой модели методика вычислительного эксперимента и комплекс программ могут быть использованы для уточнённого исследования с помощью ПЭВМ показателей технического совершенства, оптимизации конструктивных параметров, способов торможения дифференциальной защиты на стадиях проектирования и эксплуатации .

5. Для повышения степени отстройки защиты от токов небаланса предложено выполнять процентное'торможение разностью мгновенных значений токов плеч. Детальные исследования селективности, быст-

родействкя и чувствительности с учётом различного характера насыщения групп ТТ и ряда других факторов подтвердили более высокую эффективность функционирования дифференциальной эащиты при внешних и внутренних КЗ по сравнению с вариантом процентного торможения полусуммой модулей токов плеч .

б. Определены максимальные значения однополярных и биполярных БНТ при включении ненагруженного АТ под напряжение и при восстановлении напряжения после отключения внешних КЗ. Показано, что в амплитудных частотных спектрах., построенных для интервалов, блиаких к времени срабатывания зашиты, отсутствуют пики, соответствующие^ чётко выраженным гармоникам с частотами 100, 150 Гц и др., а выходной сигнал узла торможения второй гармоникой дифференциального тока содержит большую переменную составляющую. Для повышения степени отстройки защиты от БНТ целесообразна разработка мероприятий, повышающих эффективность работы этого узла или исключение его с использованием других признаков БНТ .

?. Чувствительный время-импульсный измерительный орган ложно не срабатывает при всех видах внешних КЗ независимо от режима насыщения ТТ плеч защиты. При больших кратностях тока КЗ и различном характере насыщения ТТ плеч защиты возможны ложные срабатывания отсечки даке с максимальной уставкой по току срабатывания .

8. Апериодические составляющие и высшие гармоники в токе повреждения, насыщение измерительных ТТ, большие уровни и сложный характер изменения тормозных сигналов являются причиной замедления во времени срабатывания дифференциальной защиты при внутренних ИЗ, которое может быть больше при несимметричных КЗ, чем при симметричных. Время срабатывания отсечки мало зависит от вида КЗ и с уменьшением кратности тока повреждения увеличивается .

СГМСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТИ1Е ДИССЕРТДШ

1. НовашВ.И., Хусамелдин А. Намагничивающие токи в силовых автотрансформаторах ' при коротких . замыканиях и их отключении// Энергетика. (Изв. вып. учеб. заведений и энерг. обгед. СНГ).-1995. № 1-2.- С.9-13.

2. Новаш В.И., Хусамолдин А. Вычислительный эксперимент в оценке технического совершенства дифференциальной защиты силовых автотрансформаторов. Материалы 51-ой научнЬ-техничес-кой конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА. - Мн.: БГПА,1995.- С.38.

. РЭЗЮМЕ

Хусамелдз!я Ала ЕддзЗн Ахмед

"Ацзнка тэхн!чнай даскалаласц! рэлейнай засцярог! сзлавых аутатраксфарматарау метадам вил1чаиьнага эксперименту"

Аутатрансфарматар, трансфарматар току, дыферэицыйная засця-рога, селектыунасць, хуткадзеяине, адчувальнасць, тармажэнне, переходный працэсы, кароткае замыкание, намагн1чвалышя ток!, час-тотныя спектры, матэматычная мадэль, прагра!,1ы, ПЭВМ.

Мэтай працы з'я?ляецца распрацоука методы«! вшИчальнага эксперименту 1 даследавання з яго дапамогай злектрамапНтных пе-раходннх працзсау, устройства? рэлейнай засцярог! с!лавых аутат-раисфарматарау (АТ) пры каротк!х замыканиях (КЗ) 1 1х еыключэкШ, ацэнк! асно?ных паказчыкау тэхн!чнай дасканадасц1 засцярог! 1 удакладкення параметра? яе спрацоук!. Гэтая мэта найОолъш апера-тиуна 1 поуна моха будь дадягкута шляхам распрацоук! 1 рэал!гацы! на ПЭВМ матзматычных мадэляу.

Раслрацаваны комплексный матэматичния мадэл!, методика выл1чальлага эксперименту 1 комплекс праграм для ПЭВМ, як1я ул1чваюць канструктыуныя асаСл!васц1 АТ 1 засдярог1 1 дазваляюць выкаиаць даследйняннэ пераходных працзсау у рзэшмах укиочэння АТ, знеяг.пх 1 унутраных КЗ а ул1кам уплыву пераходных працзсау у АТ, трансфарматарах току .1 элементах засцярог!. Прапанавана методика выдзялення намагн!чвальных тока? АТ з поуных тока? КЗ, высветлены колькасныя I якасныя асабя1васщ змянення токау намагн1чвання АТ пры ус!х в1дах КЗ. Выявлена, што гэтыя ток! йогуць дасягаць зна-чэнняу 1-3 ампл1туд нам!нальнага току, маиць С1палярны харак-тар 1 1х неабходна ул1чваць пры распрацоуцы 1 выбары параметра? дыферэнцыйнай засцярог!. Прапанавана працэнтнае тармажэнне эасця-рог! выконваць рознасцю 1мгнешшх значэнняу токау даух плеч засцярог!, якая дазваляе узняць эфектыунасць функцыянавання засцярог! пры знепм!х 1 унутраных КЗ. Выкананы дасдедаванн! паказчыкау тзхнхчкай дасканаласц!, вызначаны умовы ! мерапрыемствы, укара-ненне як1х дазвол!ць уаняць узровень тэхн!чнай дасканаласц1 дыфе-рэнцыйнай засцярог! АТ.

РЕЗЮМЕ

Хусамелдин Ала Еддин Ахмед "Оценка технического совершенства релейной ващиты силовых автотрансформаторов методом вычислительного эксперимента"

Автотрансформатор, трансформатор тока, дифференциальная защита, селективность, быстродействие, чувствительность, торможение, переходные процессы, короткое замыкание, намагничивающие токи, частотные спектры, математическая модель, программы, ПЭВМ.

Целью диссертации является разработка методики вычислительного эксперимента и исследование с его помощью электромагнитных переходных процессов, поведения устройств релейной защиты автот- , рансформаторов при КЗ и их отключении, оценки основных показате- . лей технического совершенства гадит и уточнения параметров их срабатывания. Эта цель наиболее оперативно и полно может быть достигнута путём разработки и реализации на ПЭВМ математических моделей.

Разработаны комплексные математические модели, методика вычислительного эксперимента и комплекс программ для ПЭВМ, учитывающие конструктивные особенности АТ и защиты, и позволяющие выполнять исследования переходных процессов в режимач включения АТ, внешних и внутренних КЗ с учётом влияния переходных процессов в АТ, трансформаторах тока и элементах защиты. Предложена методика выделения намагничивающих токов АТ из полных токов КЗ, выявлены количественные и качественные особенности изменения токов намагничивания АТ при всех видах КЗ. Установлено, что эти токи могут достигать значений (1-3) .амплитуды.номинального тока, имеют биполярный характер и их следует учитывать при разработке и выборе параметров дифференциальных защит. Предложено процентное торможение защиты выполнять разностью мгновенных значений токов двух плеч защиты, позволяющее повысить эффективность функционирования защиты при внешних и внутренних КЗ. Выполнены исследования показателей технического совершенства, определены условия и мероприятия, внедрение которых повысит уровень технического совершенства дифференциальных защит' АТ.

SUMMARY

Husameldln Ala Eddin Ahmed Quantitye valuation on technical confermation of cut-out force protection of autotransformers by experimental calculation method

Autotransforrner, current transformer, differential protector, selectivity, fast-action, respons, praking, exchanging process, short circuit, magTieting currents, frequency current, mathematical model, programmes. PECM.

The purpose of the work Is to find cut the method of experimental calculation and recerch with the help of electromagnetic exchanging processes, mode of cut-out contraction protect "AT" by "SC" and their putting-off, evaluation of the main harateristlcs of technical protect confermâtion and claratification of their working abilities. This process is the main operational and can fully be realised on researches on PECM -mathematical models.

Research on complex mathematical models, method on experimental calculations and complex programmes for PECM, considering-construction "peculiarities "AT" and protectors, and/ allowing the use of exchange processes while the "AT" is on, internal and external "SC" considering the presence of exchange process in "AT", current transformers and the protectiue elements. Showing method or seperating magnetic current "AT" from fully current "SC", showing quantitative and qualitative peculiarity of current changes raagnefying "AT" by all types of "SC", Confirmin that, these currents can reach a value of 1-3 amplitude of a normal current, they have by-polar character and they should be considered by constructing and choosing differential a protectiue parameters. Proving percentage of braking protectors, allowing the increase on the effectiveness of protective functions by external and internal "SC". Concluded research on technical confirmâtives, defining conditions, that can allow the increase level of technical confirmation on differential protectors "AT".