автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Развитие теории и реализация релейной защиты подстанций с электродвигателями

УДК На правах рукописи

.» ДО «•

КЛЕЦЕЛЬ МАРК ЯКОВЛЕВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 05.14.02. - Электрические станции (электрическая

часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических паук

Республика Казахстан Павлодар 1998

Работа выполнена в Павлодарском Государственном университете им. С.Торайгырова

Официальные оппоненты:

д-р техн.наук, проф. Кужеков С.Л. д-р техн.наук, проф. Сивокобыленко В.Ф. д-р техн.наук, проф. Тамадаев А-Х.Ы.

Ведущая организация Уральский Государственный технический

Защита состоится на заседании диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского научно исследовательского института энергетики.

университет

" 30 " м&л г. в_час. шифр совета_

Казахского научно-исследовательского института энергетики. Адрес: 480012, г. Алматы, ул.Байтурсынова, 12

Автореферат разослан " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук, доц. Ерекеев O.K.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большинство устройств релейной защиты (РЗ) электроэнергетических систем составляют автономные устройства подстанций распределительных сетей, питающих электродвигатели (ЭД) переменного тока. Многие проблемы, стоявшие перед РЗ распределительных сетей, уже решены. Их решением занималось большое количество организаций как дальнего и ближнего зарубежья, так и Казахстана. Однако бурное развитие энергетики в семидесятые - девяностые годы привело к тому, что РЗ подстанций с ЭД не всегда удовлетворяет требованиям в плане обеспечения технического совершенства и экономии материальных ресурсов. Например, традиционные защиты ЭД не выявляют витковые замыкания, развитие которых в междуфазные сопровождается большими разрушениями. Иногда они не реагируют и на ыеждуфазные замыкания (на электростанциях имели место отказы дифференциальных защит ЭД из-за малой чувствительности). Резервные защиты линий часто нечувствительны к коротким замыканиям (КЗ) за маломощными трансформаторами ответвлений. В результате при отказе защиты или коммутационного аппарата трансформатора он выходит из строя, а линия отключается на длительное время. В некоторых случаях несовершенство РЗ приводит к очень, крупным авариям. Так при отказе выключателей в открытом распределительном устройстве, сопровождающемся переводом ЭД собственных нужд нескольких блоков электростанции на резервный трансформатор, из-за его отключения максимальной защитой возможно полное прекращение выдачи энергии.

В части удовлетворения требований чувствительности и быстродействия широкие возможности имеют централизованные устройства релейной защиты (ЦУЗ), так как используют более обширную информацию, чем автономные. При этом, несмотря на то, что для повышения надежности часто необходимо резервировать ЦУЗ, или блоки их составляющие, они позволяют облегчить обслуживание за счет применения для всего объекта унифицированных измери -тельных органов и общего блока питания. Что касается эконо -мии ресурсов, то большие возможности таятся в создании защит, не использующих для получения информации трансформаторы тока • (ТТ), поскольку на один ТТ в сети 6-10 кВ расходуется 2 кг меди и I кг высококачественной стали,и.б ростом напряжения эти цифры возрастают почти пропорционально.

Разработка защит без ТГ представляется важной и потому, что дает возможность повысить надежность РЗ дублируя защиты с ТТ защитами без ТТ.

В связи с изложенным работа по совершенствованию РЗ подстанции с ЭД актуальна, и её следует вести в направлениях разработки как ЦУЗ, так и автономных защит с лучшими, чем у традиционных, характеристиками, а также защит, не использующих ТГ. При этом во всех случаях, когда это возможно, будем придерживаться считаемого перспективным принципа построения защит на типовых блоках и синтезировать стационарные системы, так как они вполне конкурентоспособны и проще адаптивных.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с целевой программой Госкоыобр СССР по проблеме "Разработка методов и средств экономии всех видов ресурсов (Экономия электроэнергии, направление 2), Минвуза РСФСР - по проблеме "Энергетика" (раздел "Энергосистемы") и отраслевыми планами Минэнерго СССР, Каз.ССР.

Цель работы - повышение технического совершенства РЗ подстанций с ЭД путем разработки новых устройств на основе развития теории централизованных и резервных защит и теории построения ресурсосберегающей системы РЗ, не использующей высоковольтные ТТ.

Задачи исследований:

- построение ЦУЗ для подстанций с ЭД, обладающих лучшими чувствительностью и быстродействием, чем традиционные защиты;

- разработка высокочувствительных и простых защит ЭД от витковых и ыеадуфазных замыканий с самодиагностикой неисправностей, имеющих повышенную надежность функционирования;

- синтез устройств АБР для подстанций с ЭД, действующих в зависимости от степени аварийной ситуации;

- разработка резервных защит линий, способных выявить КЗ за трансформаторами ответвлений при токах КЗ, меньших номинального тока нагрузки линии, и метода сопоставления их по чувствительности;

- создание для подстанций с ЭД новой системы РЗ на гер-конах и встроенных в ЭД индукционных датчиках, позволяющей экономить медь и сталь за счет значительного уменьшения количества используемых ТТ.

|!етоды_иссле,цо_в£ший. При решении поставленных задач использовались методы логического анализа и синтеза схем и аналитических исследований (метод зеркальных отображений, симметричных составляющих и др.), физическое моделирование и натурный эксперимент. Работа велась, опираясь на фундаментальные положения теории РЗ, теоретических основ электротехники, электрических машин и теории релейных схем.

Научная новизна работы^

1. Развиты теоретические основы построения 1^3 подстанций с ЭД: обосновала возможность использования токов подпитки от ЭД для построения защит; развит метод их логического синтеза [ 1,3,5,7, 13]; созданы алгоритмы функционирования [ 15,17] ; сформулированы и доказаны теоремы о соотношениях между логическими функциями их описывающими [к] ; предложен метод минимизации групп таких функций [2,4] , заключающийся в выделении из них общей части, и способ унификации 1^3 и устройств автоматического включения резерва (УАВР), основанный на представлении алгоритмов функционирования с помощью функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ [14,15] . Разработаны модели ЦУЗ [1,3,5,7,13,16 ] . Предложен способ выявления потери питания, при котором сравнивают фазы токов электродвигателей.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность построения ресурсосберегающей системы релейной защиты подстанций с ЭД на герконах и встраиваемых в ЭД преобразователях тока без использования высоковольтных ТТ» Разработаны принципы построения и уоде'ли токовых, дифференциальных, дифференциально-фазных и токовых направленных защит на герконах [ 21,25,26,32 ] , [46-47 , 51-52 , 55,59 , 65-68 ]. Предложены: способ повышения чувствительности и коэффициента возврата геркона путем снятия под-

магничивания в момент срабатывания; метод расчета токов в шинах высоковольтных установок, при котором геркон, закрепленный на безопасном от них расстоянии, срабатывает; и способ отстройки его от помех [33,21,25].

3. Предложен способ построения защит от витковых замыканий обмотки статора, при котором измеряют сумму магнитных потоков внутри ЭД с помощью кольцевых и,точечных преобразователей, устанавливаемых против лобовых частей обмотки статора ЭД. Разработаны методики расчета ЭДС на их выходе, основанные на современных методах расчета магнитных полей. Уточнен метод расчета токов при ВЗ [19,20,22,29,30,35] .

4. Развита теория резервных защит путем расширения признаков используемых для выявления КЗ, и предложенной методологии сопоставления защит по чувствительности [24,28,31 ].

5. Разработан ряд новых защит для подстанций с ЭД и методы •расчета их параметров. Определены соотношения параметров, обеспечивающих устойчивость функционирования. Получены формулы для выбора уставок и оценки чувствительности [1,8,11,18,19,24,26,27, 28,34] . — -

Практическая ценность работы:

1. Созданные ЦУЗ позволяют значительно улучшить защиту подстанций с двигателями переменного тока за счет высокого быстродействия и чувствительности. Разработанные теоремы и следствия упрощают математические операции, а предложенный метод минимизации позволяет получить значительную экономию элементов при реализации ЦУЗ. Представление алгоритмов ЦУЗ и УАВР с помощью функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ открывает возможности для унификации устройст;

2. Защина ЭД от междуфазных КЗ с мажоритарной схемой при высокой чувствительности не критична к насыщению трансформаторов тока, работоспособна при неисправностях в любом из блоков её составляющих и проста в обслуживании. Защита ЗД от ВЗ и эксцентриситета ротора проста, не требует трансформаторов тока, является наиболее чувствительной из известных, а защита от потери питания -. наиболее быстродействующей.

3. Централизованное УАВР собственных нужд электростанции предотвращает крупные аварии, обусловленные отключением резервного трансформатора при переводе на него нагрузки рабочих трансформаторов.

4. Исследования созданных моделей широкой номенклатуры защит на герконах покадали, что в системах электроснабжения эти защиты будут удовлетворять предъявляемым требованиям при сравнительной простоте исполнения и малой металлоемкости.

5. Разработаны резервные токовые защиты линий с ответвлениями, которые решают задачу отключения КЗ за трансформаторами ответвлений при токах КЗ, значительно меньших номинального.

К защите представляются: упомянутые в двух предыдущих разделах обоснование использования токов подпитки от ЭД для построения защит, алгоритмы, теоремы, метод минимизации, способ выявления потери питания, способ унификации, принципы построения разработанных защит, метод сопоставления резервных защит по чувствительности, способ повышения чувствительности и коэффициента возврата геркона, метод расчета тока, при котором он срабатывает, и метод отстройки его ст помех, модели ЦУЗ и защит на герконах, защита ЭД с мажоритарной схемой, защиты на кольцевом и точечных преобразователях,

защита линий, реагирующая на разность модулей токов фаз, и адаптирующаяся защита, централизованное устройство АВР, методы расчета параметров разработанных защит и результаты их исследования.

Реализация результатов работы. Завод Сибэлектротяжмаш в 19901994 г.г. выпускал АД мощностью 8 МВт с индукционными точечными датчиками защиты от витковых замыканий. Защита от ВЗ на кольцевом преобразователе внедрена на ЭД дымососов Эхибастузской ГРЭС-1 в 1989 г. Дифференциально-фазная защита ЭД с мажоритарной схемой и функциональным диагностированием- на Конаковской и Экибастузской ГРЭС-1 в 1988 г. Дифференциальная защита преобразовательной установки на герконах без ТТ - на кране Кировоградского металлургического комбината в 1990 г. Адаптирующаяся токовая защита внедрена на восьми вдольтра&вых линиях нефтепроводов Тюменской и Сургутской областей; она включена в проекты вдольтрассовых линий новых нефтепроводов Западной и Северо-Западной Сибири, на электродвигателях многих действующих насосных которой и ТЭЦ-3 г.Павлодара в 1993 - 1997 г.г. внедрена защита от эксцентриситета ротора. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составил 334 тыс.руб. (в ценах 1989 года).

Результаты работы используются в учебном процессе Павлодаре -кого Государственного университета им.С.Торайгырова в дисциплинах по релейной защите, при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Содержание диссертации нашло отражение в 49 статьях, 72 авторских свидетельствах СССР и 8 патентах США, ФРГ, Франции, России и Казахстана. Основные положения работы докладывались на шести Всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях:"Специальные коммутационные элементы" (Рязань, 1984), "Проблемы нелинейной электротехники" (Киев, 1984), "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1985), "Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение" (Ленинград, 1987), "Опыт разработки, внедрения и эксплуатации устройств защиты и автоматики на микроэлектронной основе и с использованием микропроцессорной техники" (Москва, 1989), "Диагностика - 90" (Мариуполь, 1990).

Доклад по полному объему диссертации был представлен и рассмотрен на Всесоюзной научно-технической конференции "Современная релейная защита электроэнергетических объектов" (Чебоксары, 1991), на заседаниях кафедр "Электрические станции" Новочеркасского политехнического, Новосибирского электротехнического институтов, Павлодарского Государственного университета им.С.Торайгырова и в Казахском научно-исследовательском институте энергетики.

Три разработанных устройства экспонировались на пяти Всесо-

юзных и трех международных выставках (1984 - 1988 г.г.) и награждены серебряной и двумя бронзовыми медалями ВДНХ.

При научной консультации и руководстве автора защищены пять кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, которые изложены на 234 страницах машинописного текста и иллюстрируются 74 рисунками и 10 таблицами на 67 страницах, списка литературы из 179 наименований и пяти приложений на 60 страницах, содержащих материалы, относящиеся к практической реализации и внедрению результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и цель работы. Отражены научная новизна и практическая ценность. Указаны методы исследований и положения, выносимые на защиту.

Сделан вывод о необходимости разработки новых защит подстанций с ЭД, в частности ЦУЗ и защит, не использующих ТТ для получения информации.

В первой главе "Анализ состояния защит подстанций с ЭД, требования к ним и пути их совершенствования" рассмотрены недостатки современных защит подстанций с ЭД.

Показано, что чувствительность защит асинхронных двигателей (АД) от витковых замыканий должна быть очень высокой. Для АД мощностью свыше 40 кВт они должны выявлять замыкание менее (0,02 - 0,04)\лУ, где число витков в фазе).

На основе использования теории игр делается вывод о не- -обходимости уделять максимальное внимание разработке защит ЭД от БЗ (действие РЗ электродвигателя рассматривается как поведение игрока I, отыскивающего повреждение, а сам ЭД, как игрок 2, который прячет эти повреждения ценностью О/).Обосновываются способы построения защиты от ВЗ путем измерения магнитных

потоков лобовых частей обмотки статора и защиты от меасдуфазных замыканий на дифференциально-фазном принципе с использованием мажорирования и самодиагностики.

Приведены результаты анализа ЦУЗ, в том числе разработанных автором устройства резервирования отказа выключателей и защит линий электропередач. Отмечено, что построение ЦУЗ целесообразно вести с помощью теории релейных схем и методологии, созданной при участии автора. На основе анализа исследований, проведенных в МЭИ, ВНИЙЭ и других организациях, обосновано использование токов подпитки от ЭД для создания ЦУЗ подстанций с ЭД.•Изложены теоретические основы построения на геркоиах - магнитоуправляеыых контактах (МК) F3 высоковольтных электроустановок без трансформаторов тока. Шина электроустановки, на безопасном расстоянии ■ от которой устанавливается МК без управляющей обмотки, например от фазы В. (рис.1), рассматривается как бесконечно длинный и тонкий проводник с током. Магнитное поле (МП), воздействующее на МК, принимается однородным и плоским, а размеры МК пренебрежимо малыми. Тогда минимальное значение тока в проводнике Í , при котором МК срабатывает, определяется по следующей формуле

т zt\. Ftok

где F^p -'МДС срабатывания МК в катушке с током; L к - длина этой катушки; у - угол между горизонтальной плоскостью и продольной осью МК.

Формула (I) получена в результате приравнивания индукции срабатывания МП одного и того же МК, расположенного, как показано на _рис.1 ,и.в центре катушки соленоида с длиной Этой формулой можно пользоваться в установках постоянного и однофазного переменного тока. Для установок трехфазного тока при горизонтальном расположении фаз получены следующие формулы

т <-0 _ Wtp -г СО Н tp Т i¿) = Н ьр (2) .

где 1 ( I ^ & ) и 1 тшси срабатывания МК при КЗ фа-

зы Ас В) на землю и двухфазном замыкании АВ; CjA и С] в выражаются через coi у , х и d ; Нф- напряженность МП в точке расположения МК, при которой он. срабатывает (напряженность срабатывания). Аналогичные выраяения выведены для других видов КЗ. Результаты расчетов J и экспериментальных данных отличаются не

,-с

Рис.3. Схема питания потребителей узла нагрузки

более, чем на 6%. Принципиальная возможность создания защит на МК определяется их чувствительностью. Последняя зависит от HLp и координат МК. Максимальная чувствительность будет при тех координатах МК, при которых соответствующая функция из (2) минимальна. Координаты находятся из выражений для частных производных токов по X и у . На рис.2 приведены построенные по (2) зависимости I min= 4 ( н^) при Ь = где-ЬП1— допустимое по технике безопасности расстояние от МК до шин.

Расчеты показали, что в сети с изолированной нейтралью ■ =

TU) - Т I СО II Ф.пип.

4 ' • , а с заземленной X . = I ■ . рассчитывало-

-icp,min Р- tp,и) 1 rv -^op.mni Фс

сь по (I), причем г-^р измерялось в катушке с переменным током,

у которой I мк~ длина геРК0На)' Участки, показанные

сплошными линиями, соответствуют значениям Н^ДЛяМК, выпускаемых промышленностью в настоящее время (I - для сети 3 кВ, 2 -- 6 кВ, 3 - 10 кВ и т.д.). Точки а,б,в,г характеризуют минимальные значения Н для герконов КЭМ-I, КЭМ-6, №{-27-1-101, мК-Ю--3. Из рис.2 видно, что МК обладают достаточной чувствительностью для построения токовых защит электроустановок напряжением 3-10 кВ и некоторых электроустановок напряжением 35-220 кВ.

Показано, что путем выбора координат МК нельзя создать защиту, реагирующую только на -J или I , или , но можно отстроиться от токов в земле и в соседних электроустановках.

Во второй главе "Теоретические основы построения централизованных защит от междуфазных замыканий для подстанций с ЗД" строятся алгоритмы централизованных защит, основанных на использовании токов подпитки от ЭД и принципов сравнения фаз токов и знака мощности, и алгоритмы устройств автоматического- включения резерва. Дается анализ ряда моделей, построенных по этим алгоритмам. Рассматриваются симметричные логические функции, их свойства и минимизация.

Доказаны следующие теоремы относительно функций вида F ( Х- ): I. Сумма равновесных пороговых функций, имеющих одинаковое число нходных переменных, равна той из этих функций, которая имеет наибольшее суммарное число переменных. 2. Произведение любого числа равновесных пороговых функций, имеющих одинаковое число нходных переменных, равно той из этих функций, которая имеет наименьшее суммарное число переменных. 3. Сумма равновесных пороговых функций, имеющих одинаковое суммарное число переменных, равна той из этих функций, которая имеет на-

именьшее число входных переменных. 4. Произведение равновесных пороговых функций, имеющих одинаковое суммарное число переменных, равно той из этих функций, которая имеет наибольшее число входных переменных. Их аналитическая запись:

п=т п=т—

р= т р = уи

3.1 п>т>Г, 4. ПРпЧх->1=пт<>,),

Р=9 " ' Р=Ч

где р - число входных переменных-; п - суммарное число переменных.

Из этих теорем получено 8 следствий.

Предложен метод минимального представления группы симметричных логических функций, описывающих работу конечного автомата без памяти с \1 входами и т выходами, в частности ЦУЗ. Идея метода - отыскание общей части в функциях, описывающих зависимость каждого выходного переменного от входных переменных. Выходные переменные записываются в виде дизъюнкции простых конъюнкций, каждая из которых представляется в виде конс-титуента единицы. В формуле каждого выходного переменного одинаковые конъюнкции'заменяются одной. Отыскиваются конъюнкции, общие для всех формул выходных переменных, и выписываются отдельно, в виде дизъюнкции. Определяется минимальная скобочная форма общей части. Каждая выходная переменная представляется в виде общей части и необщих членов.

Алгоритмы защит на сравнении фаз токов разработаны на ос. нове следующего подхода. Сигналы о наличии мгновенных токов, направленных к точке К1 короткого замыкания (рис.3) на 1-ом, 2-ом,..., М -ом ответвлениях, обозначены через Х^ Х2

а на вводах линии через Хп + 1 » + 2 соответственно ^положительные полуволны тока всех ответвлений и вводов нахо-дятся_в фазе), а от точки К1 - их логическим отрицанием Х4 , ..., X п (отрицательные полуволны тока находятся в фазе). Аналогичные обозначения приняты для всех присоединений (рис.3).

Любая из переменных X , Т. принимает значение I, когда ток в соответствующей первичной цепи направлен к К1, и значение 0, когда он направлен от К1. Тогда условно можно считать, что в промежутки времени, равные времени совпадения фаз (в

один полупериод переменного тока), в режиме нагрузки мгновенные токи на всех ответвлениях и других присоединениях направлены к потребителю, а в другой полупериод - наоборот. Для учета отключенного состояния какого-либо присоединения введен сигнал "в" о включенном положении выключателя этого присоединения, например Ь; причем Ь;- I, если [ -й выключатель включен, и Ь | = 0, если отключен.

Анализ направлений мгновенных токов во всех реаимах на линии, ответвлениях и присоединениях РП позволяет сформулировать условия действия ЦУЗ, выполняющего функции защиты всех элементов рассматриваемого узла нагрузки, которые затем записываются аналитически в виде функций алгебры логики.' Например условия отключения токогровода (рис.3) при "КЗ на нем, если й из П. ответвлений несут чисто активную нагрузку, записываются следующим образом:

стр, <з,

где 0Т- сигнал на отключение токопровода, - логическая функция "хотя бы один из \г "; Т^ - сигнал о запуске резервной защиты -го ответвления; I = 1,2,..., П-а.; } = 1>2, Ц I с - 1,2,..., К у ^х ~ 1,2,..., 1Т1 ; = 1,2,.»., С1 ; оператор задержки на время- совпадения сигналов,

оператор задержки исчезновения сигнала на время -¿^ = =0,1 с. Для упрощения в (3) буква "в" при всех X а 2 опущена.

Алгоритмы, основанные на сравнении знака мощности на разных присоединениях, строятся аналогично. При построении использованы результаты исследований поведения реле направления мощности (РН;Л), включенных на ток фазы ЭД и мендуфазное напряжение по 90-градусной схеме (для АД) или 30-градусной (для СД), показавшие, что РИМ отличает безаварийные режимы от внешних мекдуфазных КЗ, фиксируя направление активной мощности. Даются алгоритмы действия многофункциональной централизованной защиты подстанций с мощными ЭД при КЗ на ЭД и шинах, потере пи-

тания, при обеспечении самозапуска ЭД и их технологического процесса, асинхронном ходе СД и обрыве фаз, а также примеры её реализации. Так условия действия при КЗ на ЭД и шинах секции, к которым подключены ЭД, записываются в виде

V м[(м;4 Л.хм, + й2)...(мп + +

где 0К и 0В - сигналы на отключение К-го двигателя и ввода секции, М и М • - сигналы о направлении активной мощности к потребителю на вводе и I -ом двигателе," М ; - от потребителя;

С1 ^- сигнал об отключенном положении • I -го двигателя; 1=1, 2,... ,К,..., \\ ; 0, > О."--. О - сигналы о подаче защитой импульса без ввдержки времени на отключение 1-го, 2-го, I -го двигателей, соответственно; и - операторы задержки на 0,5 с и 0,3 с, Ц - оператор„ПАЖП^'

На том же принципе основана защита токопровода, которая фиксирует потерю питания потребителей • хотя бы одного из ответвлений при КЗ на нем. При КЗ на любом ответвлении её действие блокируется по запуску резервной защиты ответвления, при КЗ в питающей сети - по изменению знака мощности на вводах токопровода. Исследования моделей многофункциональной защиты и защиты токопроводов показали: Первая при междуфазных КЗ на шинах и потере питания обладает более высоким быстродействием ( ^ 0,1 с), чем применяемые в настоящее время, вторая имеет простои контроль исправности соединительных проводов и работоспособна при обрыве одного из них. Обе не отстраиваются от токов нагрузки и самозапуска и выполняются на выпускаемых промышленностью достаточно дешевых и надежных реле. Но многофункциональная не реагирует на потерю питания и КЗ в ЭД, если он работает один, не чувствительна к асинхронному ходу, вызванному понижением питающего напряжения при повышенном напряжении возбуждения.

Проанализированы алгоритмы действия известных устройств автоматического включения резерва (УАБР). Выявлено, что логическая часть.большинства из них описывается на основе функции НЕ-

РАВНОЗНАЧНОСТЬ. С помощью этой функции описываются алгоритмы действия пусковых органов УАВР, сравнивающих или фазы токов ЭД между собой, или положения полуволн напряжений взаиморе-зервируемых секций, или их напряжения прямой и нулевой последовательностей. Первые позволяют очень быстро выявить потерю питания, вторые можно применять при любом характере нагрузки и при необходимости перестройки выдержки времени, третьи - значительно упростить УАВР.

Дополнение УАВР собственных нужд электрических станций блоком логики, использующим информацию о ^работе защит минимального напряжения и положении секционных выключателей, обеспечивает самозапуск важнейших ЭД при аварийных ситуациях в рас-предустройстве высшего напряжения, когда нагрузка рабочих трансформаторов переводится на резервный. Даны примеры реализации алгоритмов действия блока на промежуточных реле и на ЭВМ.

В третьей главе "Дифференциально-фазные защиты подстанций с ЭД" решаются'задачи реализации логических функций, описывающих алгоритмы действия ЦУЗ, выбора фазосравнивающей схемы (©С) для построения защит подстанций с ЭД, синтеза чувствительной и высоконадежной защиты ЭД от мевдуфазных замыканий, защиты группы ЭД и защиты от исчезновения напряжения.

Рассматривается реализация алгоритмов главы 2 на магнитных и интегральных логических элементах при использовании нескольких функциональных наборов, диодных сетках и программируемых логических матрицах. Делается вывод о предпочтительности последних, особенно при построении ЦУЗ с использованием излояенно-го ранее метода выделения общей-части. По каждому из необщих членов и общей части строится скобочная однополюсная диодная сетка единичного выхода. Единичный выход сетки, реализующей общую часть, соединяется через разделительные диоды со всеми выходами сеток необщих членов. Обосновано применение простых диодных '1С для построения защит с мажоритарными схемами и самодиагностикой, и на основе сопоставления характеристик трех простейших из них выбрана схема (рис.4,б). Относительный, уровень сигнала и коэффициент преобразования у неё такой же, как у лучшей из схем этого класса. В отличие от аналогичных, она работоспособна при Ц) = % /Z, а с двумя резисторами ( ) - и при одной подводимой величине. При пробое диодов - у и обрыве в цепях V - V, напряжение на выходе схемы М > N ,

\ Ц К Л

ТА 1-ТАЗ

4-Н вк1 нк|нк|—-

15) |1б П7

+— ВО |—-

а)

ВО 13 18

б)

Рис.4. Функциональная схема защиты (а) и схемы ее блоков (б)

где и ф - напряжение срабатывания реагирующего элемента. При мажорировании это легко использовать как признак неисправности. Защита ЭД, основой которой является рассмотренная схема, кроме нее, содержит (рис.4,а) преобразователи тока 11Т , блоки контроля исправности НК и выходной орган БО, выполняющий ещё и роль мажоритарного элемента. Для обеспечения устойчивости • функционирования защиты необходимо, чтобы

к' ип^ и ¿и7к"" (4)

ОТС ^ цэ ^ к' 14 ото * 4 >

где и" ( и ) - максимальное (минимальное) напряжение на обмотке реле К1 при пуске ЭД с учетом насыщения ТТ (при КЗ в зоне работы); КдТ, » ~ коэффициенты отстройки. Защита с

параметрами, удовлетворяющими (4) ( щ ^ 0,6/ ^^

■^0,1 К к ), срабатывает при токах КЗ 0,4 X ( Тн - ток

номинальной-нагрузки ЭД, К,п„ - коэффициент запуска ЭД), а

Т )

при насыщении ТТ, если ток трехфазного КЗ на выводах ЭД 1 5.

55 1»8ТП > и двухфазного I г 1,25 I < I п - пусковой ток ЭД). Эти условия обычно имеют место на практике. Бремя её действия не превышает 0,04 ,с. Результаты испытаний (КЗ между двумя и тремя фазами внутри ЭД устраивались в лобовой части статора трехфазного ЭД мощностью 4,2 кВт) и опыта эксплуатации на Конаковской и Экибастузской ГРЭС и ТЭЦ-3. (Павлодар) показали правильность теоретических предпосылок, положенных в основу её построения, и методов расчета параметров, "и подтвердили высокую чувствительность и работоспособность при повреждениях в любом из блоков. Однако утроение блоков делает её сравнительно громоздкой и тяжелой (12 кг). Использование тех яе блоков без утроения позволяет получить простую (в габаритах одного реле типа РНГ) и чувствительную защиту, но не обладающую способностью диагностировать неисправности. В некоторых случаях это решение вполне приемлемо для практики.

Рассмотренная схема сравнения фаз служит основой и для построения защиты группы из П ЭД от мехдуфазных замыканий и защиты от исчезновения напрякения. В первой она дополняется двумя диодами, подключенными такасе, как и У2 > и превращается в схему сравнения трех величин по фазе (защита содержит С„ таких схем). Согласно алгоритмам построения, каждая ветвь диодной сетки управляется сигналами от ТТ ввода, ТТ поврежден-

ного ЭД и ТТ только одного из подпитывающих ЭД. Выбор напряжения постоянного тока, подаваемого на схему = 1,5 и™ , где и"-1- амплитуда сигнала, поступающего от ЭД с номинальной нагрузкой, обеспечивает правильную работу защиты во всех режимах, в том числе и при насыщении ТГ. При совместном самозапуске АД и СД не исключено ее ложное срабатывание. Поэтому возможность использования защиты при таком сочетании ЭД должна быть тщательно проанализирована.

Для того, чтобы защиты, использующие токи подпитки, были работоспособны необходимо выполнение неравенства ( и 0. - остаточное напряжение на шинах при КЗ на отходящих присоединениях, и,. - номинальное). Оно выполняется при За ==0,1

■ - о

( 1. д - сопротивление обмотки статора от выводов ЭД до точки междуфазного КЗ). Считая, что граничные условия срабатывания токовых защит определяются равенством I т-ьп = 1 и > и представляя эти токи через соответствующие напряжения й"сопротивления, находим, что вЭДс К 1аПг = 3- 9 максимальные токовые защиты защищают не более 0,06 - 0,2 обмотки статора. К КЗ на выводах токовые защиты при наличии подпитывающих КЗ ЭД более чувствительны, чем принято считать. В работе выведены формулы для определения К ц отсечки с учетом токов подпитки при однорелейной и двух-релейной схемах, и приведены соотношения сопротивлений ЭД, при которых её можно устанавливать без проверки чувствительности к КЗ на выводах.

Защита от исчезновения напряжения, кроме ФС по рис.4, содержит токовое реле, фиксирующее отсутствие нагрузки на вводе. Время действия устройства менее О, I с и определяется временем срабатывания используемых реле (при выбеге ЭД переходит в генераторный режим за миллисекунды). Порог срабатывания ФС по току необходимо определять при натурных испытаниях. Он колеблется в широких пределах и мокет быть очень мал (0,02 ' Гц), если все ЭД имеют одинаковую мощность и загрузку. Результаты исследований, проведенных на насосных канала Иртыш-Караганда (СД мощностью 5 МВт), подтвердили, что устройство обладает более высоким быстродействием, чем известные. По применять его нужно вместе с защитой минимального напряжения, т.к. оно может-не сработать при отказе быстродействующей защиты питающего элемента, когда ЭД выдадут в точку трехфазного КЗ всю запасённую энергию или подпитывают нагрузку со стороны среднего напрякения трансформатора.

В четвертой главе "Релейная защита асинхронных электродвигателей с встроенными измерительными преобразователями" описываются ноше защиты АД от внутренних повреждений. Принцип выявления повреждений заключается в измерении суммы аксиальных составляющих магнитных штоков - Ф, созданных токами лобовых частей обмоток всех фаз статора. В безаварийных режимах и при внешних КЗ Ф^ = О, т.к. пропорциональная Ф сумма намагничивающих сил Рх = О (количество витков в фазах одинаково, а I + I + Гс= 0). При Вз, замыканиях обмотки на землю (33) и междуфазных замыканиях (.когда замкнуто неодинаковое число витков в фазах) Ф^ / 0. Измерение ф> осуществляется при помощи кольцевых измерительных преобразователей (КИП): металлического кольца, проходящего чере отверстие тороидального сердечника из ферромагнитного материала с равномерно намотанными витками изолированного провода, или металлического кольца, в рассечку которого включен низковольтный трансформатор тока, или плоской катушки с витками изолированного провода (при мощности АД , меньшей 100-200 кВт). Кольцо или витки закрепляются против лобовых частей обмотки статора в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора так, "чтобы их геометрический центр находился на этой оси. ЭДС Еп на выходе преобразователя определяется на основе методики расчета МП лобовых частей обмоток электрических машин, разработанной Вольдеком А.И. и Да-нилевичем Я.Б., или на основе принципа взаимоиндукции при учете, влияния ферромагнитных поверхностей сердечника статора по методу зеркальных отображений. Погрешности методов составляют соответственно 15 и 26%, но второй проще. Трк в короткозамкну-тых витках, рассчитывался на основе представления обмотки поврежденной фазы в виде двухобмоточного трансформатора с учетом влияния неповрежденных фаз. Отклонения от экспериментальных данных.при замыкании витков в пределах одной секции не превышают 25%. С уменьшением числа замкнувшихся витков они уменьшаются.

Напряжение и ьр реагирующего органа должно быть отстроено от напряжения небаланса при пуске, самозапуске и внеш-

ин о

Н(3 рассчитывалось с использованием упомянутой методики Вольдека и принципа суперпозиции

Ун«=!|цн5и <-УЬь1П,

где иЬьш и ин(? - напряжения, создаваеше выпаиванием МП из магнитного зазора и соответствующим током в витках ^ -ой секции. Оказалось, что небаланс от исключения одной сек- . ции из обмотки, к которому часто может быть сведен ремонт после ВЗ, на два порядка больше, чем от отклонения параметров, ха- ' рактеризуюцих изменение положения плоскости КИП, и почти на порядок, чем от отклонения параметров обмотки статора. На ДЦ с рз= 5 2 эти отклонения и МП выпучивания ограничивают чувствительность защиты к ВЗ {проверено экспериментально) до (0,005--0,02)У/ ( \У - число витков в фазе). Методика определения \Л/Й следующая. Рассчитываются напряжения Ыр на входе реагирующего органа при различном числе .замкнутых витков \Л/К» строится зависимость Ур= | ( ) > определяется максимальное и^ (например, экспериментально), на оси ир откладывается значение иср,- от которого проводится прямая, параллельная оси абсцисс, из точки пересечения прямой с кривой Ур= \ ( \л/к ) опускается перпендикуляр на ось абсцисс. Основание перпендикуляра указывает значение' Чувствительность защиты к 33 оценивается по' Л» = W}/ \л/ ( число витков обмотки фазы от нейтрали ЭД до точки 33). X находится из равенства = = К _,р « где К „^ 1,2-1,3, и учитывает погрешности расче-

отй 63 от I,

тов; р^ и - намагничиващие силы, создающие при

33 \уз витков и при ВЗ \л/а витков. выражается через и ток 13 33, а Рвз - через токи в поврежденных витках \ма и токи фаз. Затем токи представляются через номинальное напряжение фазы и комплексные сопротивления. Установлено, что = = (0,1 - 0,9) в зависимости от и^*, мощности ДЦ и тока 1 ■

но С

на землю в сети. Возможности защиты с КИП расширяются, если дополнить её фильтром соответствующих гармоник для выявления эксцентриситета ротора. При этом, сравнивая напряжения на входе и выходе фильтра, диагностируется исправность и преобразо-. вателя, и фильтра. Для определения аварийного эксцентриситета целесообразно контролировать субгармоники, а для сигнализации его возникновения - гармошки порядка V + 1 ( У = р -г \ ;

число зубцов статора), причем необходимо, чтобы где + - интервал времени наблюдения гармоники после её появления, ± - время пуска ЭД. На ЭД с р >. 2 ВЗ можно выявить при помощи простых катушек индуктивности (НИ), расположенных вблизи лобовых частей обмотки статора равномерно по. окружности

на расстоянии '¿1 ( Т - полюсное деление), включив реагирующий орган на разность их ЭДС. Тогда ЭДС, создаваемые намагничивающими силами обмотки статора всех фаз при БЗ (рис.5, например, Fa ), компенсируются, а от замкнутых витков ( FK) складываются. F^F^ к tos (lA)++ lpK) ( í2 '' Где Fm - амплитуда Fk »' lj>K- угол сдвига токов короткозамкнуто-го контура по отношению к току поврежденной фазы (А), У( и Yz " углы между осью максимума (проходящей через центр её ка-

тушечной группы) и осями максимума F. и максимума £ •

м

Ось F

— ь

а)

Рис.5, а)-распределение НС вдоль воздушного зазора при ВЗ для ЭД с р = 2; б)-расположение катушечных групп обмотки статора (.вид с торца машины)

Необходимо использовать минимум два датчика на фазу, т.к. меньшее количество ведет к появлению мертвых зон, которые расположены симметрично относительно каждых двух датчиков (рис.5, точки 1,2).

лри расчете ЭДС применяются те же методы, что и для кольцевых преобразователей. В качестве реагирующего органа во многих случаях целесообразно использовать известную схему сравнения абсолютных величин с•выпрямителями. Исследования с помощью метода Монте-Карло показали, что чувствительность защиты (определяется током небаланса в цепи нуль-индикатора, небаланс на-

пряжений на выходах КИ в безаварийных режимах почти полностью компенсируется при настройке) в значительной мере зависит от выполнения КИ и регулировочных резисторов. Защита выявляет Wft= 0,005 W . Если №1 расположить на шпильках бандажного кольца, та они будут выявлять выкручивание этих шпилек.. Для того, чтобы определять повредившуюся секцию достаточно установить КИ против каждой секции и фиксировать затухание ЭДС на их выходе после отключения ЭД защитой от ВЗ. Рассмотренные преобразователи моясно использовать и для дублирующей системы выявления замыканий обмотки с помощью токов высокой частоты, посылаемых, например,в открытый треугольник трансформатора напряжения, автоматически перестраивая на принятой частоте и мощность высокочастотного генератора и уставку защиты каждого ЭД в зависимости от числа включенных ЭД.

В пятой главе "Дальнее резервирование при повреждениях трансформаторов подстанций" синтезируются новые резервные защиты линий с ответвлениями. Адаптирующаяся токовая защита тупиковых линий' с ответвлениями, питающими нагрузку без мощных ЭД, имеет ток срабатывания, изменяющийся при изменении нагрузки линии. Нагрузку фиксируют пусковые органы ПО, причем Хп ^ | I.Hq.| 5 I п i '* Где нд~ ток нагРУЗки линии до аварийного режима; J - ток срабатывания ПО L -й ступени; i -= 1 п ПО осуществляет и переключение уставок сраба-

тывания защиты, которые выставляются на измерительных органах (ИО), имеющих,как и ПО, П ступеней. Ступень выполняет функции, пока не выводится из работы своим ПО, что происходит при 1 п j = j I нgif ' где I , j ~ ток нагрузки линии доаварийного режима, фиксируемый ПО. Время j ^ действия защиты и время i переключения" с одной уставки на другую выбираются большими времени "j; пуска и самозапуска ЭД ответвлений. Чтобы' защита не срабатывала при подключении к линии нагруженного трансформатора необходимо выполнение следующего условия

1н^Ктс/К6, "... (5).

I 0 ток срабатывания ИО I -ой ступени защиты; I - номинальный ток наиболее мощного трансформатора; Кот, » Ка - коэффициенты отстройки и возврата токовых реле, реализующих ИО.

При КЗ за одним из трансформаторов, когда ¡1ю mir> | ^ *|Ip,mwJ. потребители неповрежденных ответвлений продолжают

получать питание. Поэтому ток через ТТ защиты 1ТА= 1н +.1 » где Т = Т • - Т • ; Т • - минимальный ток со Стороны высшего напряжения трансформатора наименьшей мощности при КЗ за ним; 1_Л - номинальный ток этого трансформатора.

Тр 7 1 ГУ

Чувствительность защиты обеспечивается, если

^ ТА ^ю.тт" ^ тр,тт1Ач'

где 1СЧ - коэффициент чувствительности.

Из изложенного выше и формулы (Ь) следует

Т = т \с /\с -Т

■•■п,! Н(},{ в' «тс •

Расчет токов срабатывания ИО и ПО продолжается до тех пор, пока у последней \\ -ой ступени 1_ .1. Для ИО пер-

II -р I . П,П I Р,1Т>0)£ '

.= 1 и, / <м • Чувствительность защиты

] ■ "Ч^ » П) »111 Ч _

одинакова для всех ступеней, т.к. 1 ,, каждой ступени определяется исходя из = 1,2. Защита применима, когда > (0,5 4- 1,4) 1р т£)х . Область

применения можно расширить, если не отстраивать т ступеней, оставшихся в работе при

ид р.тах от тока тр,) "

Принцип действия другой защиты основан на измерении разности модулей токов фаз (РМТФ) для выявления двухфазных КЗ и приращения тока - для трехфазных. В режиме симметричной нагрузки РМТФ равна нулю. Поэтому / к- , где

I Ь V н О ОТ С £

- ток небаланса при максимальном рабочем токе нагрузки линии или её самозапуске. С запасом принято X -= (0,1-0,2)-• Хр тах- Для несрабатывания защит неповрежденных линий при отказе основной защиты поврежденной линии, отходящей от тех же шин, необходимо иметь »('0,55-0,6) Хр1ГПНгХ> т.к. при двухфазном КЗ вблизи шин на любой из линий в остальных РТМФ'мокет достигать 0,5 . Чтобы не считаться с последним условием,

Р* ' П И*

предлагается блокировать резервные защиты всех линий, кроме поврежденной, при срабатывании её основной защиты.

Из выражения К" для ИО, измеряющих три возможные РМТФ, можно записать

IIt.I-HT.I- «.

I 1т5|-|1ТсЬ "Ь |1ТД|-|1ТЬ|- т,

где IJA , I , 1тс~ токи, протекающие через ТТ фаз А,В,С линии. Рассматривая каждое из равенств (6) как уравнение относи' теяьно IKJ например при КЗ ВС за трансформатором с соединением \ / А «а затем и соединением J^ / J^ ) при фиксированных угле КЗ Ц)^ и угле нагрузки 1рн , получим

C0,i7-0,37)Ipiniex.

Для органов, действующих на приращение тока, выбирается наибольший из токов I , рассчитанных по формулам

Т -к ГТ -Т \ Т =кг Т Т I (7)

ьз 0Тйчх п,л Hq ' 1 х ск отс и,тр> ~Чз »тс i>

где In J. 1П ) - ток самозапуска нагрузки линии (трансформатора ответвления).

Если мощность нагрузки одного из ответвлений в 2 и более раз выше, чем других, или имеется всего 3-4 ответвления, то можно существенно повысить чувствительность защиты на приращение путем изменения I . в зависимости от 1нп . Чтобы вы-

1-т-

их «.-»Г5 0,2 jL предлагается измерять реактивную

isj | гп v п р} п1 и л

составляющую тока (тогда для определения J. t в формулах (7) каждый из -токов в правой части равенства умножается на синус угла между вектором 'этого тока и его активной составляющей), а также использовать её в самонастраивающейся защите и реагирующей на FTMJ?. Максимальная чувствительность достигается при "t" fn или при выводе защит на i > f или при использовании блокировки, отличающей самозапуск от трехфазного КЗ на основе измерения токов через -jr = 0,06 с после запуска приставки от трехфазных КЗ, не отстроенной от I , и через = Д s 0,02-0,03 с). Расчеты показали, что при выборе J всех предложении защит необходимо считаться с броском тока намагничивания трансформаторов ответвлений, при необходимости блокируя защиты с помощью устройств, применяемых для этих целей в дифференциальных защитах трансформаторов.

Сравнение по чувствительности разработанных и традиционных защит осуществляется по минимальному току КЗ Ikj ^который еще может выявить защита), представленному в долях максимального рабочего тока I тахзащищаемой линии. Параметр срабатывания защиты выражается через I Р)№ах(например для дистан-

ционных - 2 )I значение параметра,' которое она еще может выявить ( 7. „___) - через X у..:,,, а последний - из формулы

'для определения кГц , при Кц= 1,2. Оказалось, что защиты, реагирующие на приращение модуля тока, и дистанционные имеют примерно одинаковую чувствительность и являются наиболее чувствительными из известных. В большинстве случаев они могут отключать X „, ^ 0,6X • Если резервную защиту можно выводить из работы на время или увеличить до Тез = Тп + + то наиболее чувствительной является защита, реагирующая на приращение реактивной составляющей тока. Она способна отключать ^э.т;^0'1"1^*- йри^ы.тт^О'^р.тс* пРеД~ почтительней самонастраивающаяся или ДЗ. Когда -\г п велико и

следует использовать защиту

блокировкой при КЗ на линиях, отходящих от общих шин.

В шестой главе "Принципы построения и модели защит на гер-конах, не нуждающихся в трансформаторах тока" рассматриваются специфические свойства герконив ^МК) при использовании их в РЗ; предлагаются токовая, дифференциальные токовые и направленные защиты'на МК. Показывается,что параметры МК при воздействии на них магнитных полей, созданных токами КЗ, находятся в пределах, позволяющих использовать их для построения токовых защит, а с подмагничиванием и дифференциальных. Рекомендуется снимать подмагничивание в момент замыкания контактов МК. Это позволяет не только повысить чувствительность МК почти в 2 раза в сравнении с обычным подмагничиванием, но и значительно увеличить его коэффициент возврата. Дана методика выбора тока I срабатывания и координат МК максимальной токовой защиты. В общем случае

тройки, учитывающий погрешности расчета, неточность установки МК и влияние поля Земли; & и - зависят от К , У и X ; и от ^ » а от ."Формулы для них

,- защиту

приводятся в диссертации.

I получен из условия & „ ^ Bw, + Bw„ + Bjt где Bwj , Bw£, Вt , Bsj- действующие вдоль оси МК составляющие индукции МП соответственно от токов WI (рис.1) в режиме самозапуска, от соседней линии VJ2 при КЗ на ней, от токов в земле и при срабатывании МК. Если МК установлен под углом У= V = ciKtqCh,/ (.0+ (i - X)j , то (£wn = 0. Исследования показали, что величина К0Тй зависит от координат МК, погрешностей их установки и особенно от кратности К = I [1' 0 /I р*тах > и при Qwo = 0 м0®61 вычисляться по выражению ,= 1,5 + 0, II К . Чтобы МТЗ имела одинаковую чувствительность ко всем видам мекдуфазных КЗ должно выполняться равенство G /Д 9=1. Рассматривая его и выражение Cjw = 0 как систему уравнений относительно X и у , легко найти координаты МК. Для упрощения определения типа и координат мК .разработаны номограммы. Выведены формулы и для тока

X t срабатывания отсечки. X,, оказываются значительно боль-о сз о

шими, чем у традиционных защит. Показано, что МТЗ на МК должно иметь К ц ^ 2 при КЗ в конце защищаемого участка и 1,6 в

конце смежного. Кроме того, должно выполняться условие I 5 I • , где J.^*, ■ - минимальный тбк в шинах защищаемой установки, при котором Mil еще срабатывает при п- -ом виде КЗ. Указываются пути повышения чувствительности МТЗ за счет усложнения логической части. Упоминается о конструкциях для крепления и регулировки МК (подробно описано в приложении). Предлагается способ настроики, позволяющий осуществить её путём подачи в шины токов,значительно меньших номинального.

Дифференциальные защиты на Ж строятся следующим образом. Два геркона с двумя обмотками, одна из которых используется как управляющая, а вторая как источник ЗДС, устанавливаются вблизи шины фазы- по концам защищаемой установки. Вторая обмотка через усилитель соединяется с управляющей обмоткой другого МК. Для правильной работы защиты необходимо, чтобы (рис.6)

К-К* b^jx-^i Вп+ВГВ2-ВСр) где вп,в<

( Bi ) И В2( в„' ) - продольные составляющие индукций Mil помех (например от соседней установки и земли), тока, действующего в режиме внешнего КЗ (КЗ на защищаемой установке) на МК с одной стороны установки и на МК с другой её стороны. В ряде случаев можно использовать и один МК на фазу. Тогда в его управляющую обмотку подается ток от ТТ с другой стороны установки. Рассматриваются дифференциальные защиты параллельных

линий и преобразовательной установки.

Принцип построения дифференциально-фазных защит на МК основан на фиксации полярности переменного тока с помощью подмагничивания МК постоянным током. Размыкание контактов МК, замкнутых под действием постоянного тока дополнительной обмотки, происходит лишь в одну полуволну управляющего МП, если (рис.7) Н^Нп-Нйи Нп=КвТ6Нн+К3На, гдеНп. - на-пряясенность МП подмагничивания; Нн~ напряженность управляющего мП в режиме максимальной, нагрузки защищаемого присоединения; Н^ - в режиме КЗ; К отс и К} - коэффициент»! отстройки и запаса. выбирается с учетом обеспечения селективности и чувствительности защиты конкретного объекта, причем всегда Котс=~1; учитывает нестабильность срабатывания и возврата МК.

ных пластин герконов в ре- геркона.

жимах нагрузки и КЗ.

Сравнение фаз осуществляется сопоставлением полуволн тока одной или разной полярности. Отпадание одного МК запоминается на время 1Гд = / Ш (для первой из сравниваемых величин), а

другого на время Ш (для второй), где и -

заданные области изменения токов. При построении защит необходимо иметь в виду, что разность углов между точками перехода через О соответствующих кривых тока и началом областей 11 Уй зависит от амплитуд сравниваемых величин, а также, что при Ну (3-8)1^ МК отпадает дважды за полупериод промышленной частоты (рис.7, точки I и 2) . Для исключения влияния второго отпадания и чтобы =7Г> сигнал о первом отпадании запоминается на 0,01 с. Влияние соседних фаз можно исключить с помощью дополнительных обмоток, используя рассмотренный выше дифференциальный принцип.

Токовые направленные защиты строятся на основе МТЗ и того же принципа, что и диффазные (сравниваются фазы токов присоединений, подключенных к шинам), или с помощью реле направления мощности на МК, которое устанавливается вблизи соответствующей фазы присоединения, и, кроме обмотки подмагничивания, снабжается обмоткой, подключенной к трансформатору напряжения. Хотя чувствительность его ниже, а погрешности выше, чем у современных реле, получающих информацию от ТТ, в ряде случаев оно приемлемо для практики.

Проведен анализ ряда разработанных моделей МТЗ, дифференциальных и диффазных защит ЭД, шин, линий, преобразовательных установок который дает основания полагать, что эти защиты бу,вут удовлетворять предъявляемым требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации выполнены исследования по разработке двух направлений решения важной для народного хозяйства научно-технической проблемы повышения технического совершенства РЗ подстанций с ЭД'.

1. Разработка новых защит с традиционными первичными преобразователями.

2. Создание ресурсосберегающей системы РЗ без таких преобразователей.

Краткая характеристика этих исследований сводится к следующему:

I. Разработаны алгоритмы и модели ЦУЗ для подстанций с ЭД. Сформулированы и доказаны теоремы о соотношениях между логическими функциями, описывающими эти алгоритмы. Предложен метод их миними-' зации. Теоремы позволяют упрощать математические операции, метод -получить значительную экономию элементов при реализации ЦУЗ. Показано, что: защиты группы ЭД от междуфазных КЗ и от потери питания, использующие токи подпитки и сравнение фаз токов, обладают более высоким быстродействием и чувствительностью, чем применяемые для

тех же целей в настоящее время; защита одного ЭД с мажоритарной схемой и функциональным диагностированием, имея порог срабатывания 1сз=0,4 1н, не критична к насыщению трансформаторов тока и работоспособна при неисправностях в блоках ее составляющих; защиты подстанций с ЭД и токопроводов промышленных предприятий, основанные на сравнении знака мощности,не отстраиваются от токов нагрузки и не требуют разработки новых реле, причем многофункциональная заЩиы аетЭД от понижения напряжения, несинхронной работы и обрыва фаз, шины и ЭД - от межруфазных КЗ, питающую линию и трансформатор -от токов подпитки.

2. Синтезировано централизованное УАБР для собственных нужд электрических станций, позволяющее при аварийных ситуациях в рас-предустройстве высшего напряжения, при переводе нагрузки рабочих трансформаторов на резервный, сохранить в работе наиболее ответственные ЭД. Установлено, что алгоритмы функционирования многих УАБР и некоторых ЦУЗ описываются с помощью функции НЕРАВНОЗНАЧНОМ! что облегчает унификацию.

3. Предложено для построения защит от витковых замыканиий обмотки статора ЭД измерять сумму магнитных потоков внутри ЭД с помощью кольцевого и точечных преобразователей, что позволяет выявлять замыкание 0,5-2$ витнов фазы. Разработаны инженерные методы расчета токов при витковых замыканиях, ЭДС на выходе преобразователей, их погрешностей и чувствительности защиты. Показано, что при замыканиях на землю в обмотках статоров ЭД напряжением 6-10кВ защита охватывает 10-90% витков фазы в зависимости от мощности ЭД и величины тока замыкания. Дополнение защит на кольцевом преобразователе фильтрами соответствующих гармоник дает возможность выявлять эксцентриситет ротора и контролировать исправность преобразователя, установка дополнительных точечных преобразователей напротив секций обмотки статора - определить повредившуюся секцию, а наложение токов высокой частоты - повысить надежность.

4. Предложены новые алгоритмы построения токовых защит линий с ответвлениями. Они послужили основой для создания резервных за- ' щит, обладающих (при наличии разработанных блокировок, а в ряде случаев и без них) более высокой чувствительностью к КЗ за трансформаторами ответвлений, чем известные, и не превосходящих по сложности дистанционную. Разработан метод сопоставления защит по чувствительности, с помощью которого выявлены области использования традиционных и предложенных резервных защит.

5. Установлено, что магнитоуправляемые контакты (МК), выпус-

каемые промышленностью, могут быть применены для построения в сетях 3-10 кБ, а с подмагничиванием и в сетях 35-110 кВ, защит, не использующих ТТ для получения информации. Предложены: способ повышения чувствительности и коэффициента возврата МК; метод расчета токов в шинах высоковольтной установки, при которых Ж, закрепленный на безопасном от них расстоянии, срабатывает; метод отстройки от токов в земле и в соседних установках; методика выбора уставок ШЗ с учетом погрешностей установки МК; конструкции для его крепления и экранирования и способ настройки. Разработаны способы построения, алгоритмы и модели дифференциальных и дифференциально-фазных защит на МК, которые, как и МТЗ, будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к защитам элементов систем электроснабжения, при сравнительной простоте исполнения и малой металло емкости. Показана возможность создания направленных токовых защит на МК.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Клецель М.Я. Комплексная защита группы мощных двигателей // Электрические станции. - 1973.- № 6. -С.63-66.

2. Клецель М.Я. Об одном алгоритме построения диодных сеток для некоторых логических функций // Электромеханика... (Изв.высш. учбн.заведений) .-1973. -КЗ.-С .1158-1160.

3. УРОВ на диодной сетке / М.Я.Клецель, И.М.Ламонов, В.Е.Поляков // Электрические станции. -1975,~№9.-С.60-63.

4. Поляков В.Е., Клецель М.Я. Построение общей части некоторых логических функций // Электромеханика... (Изв.высш.учебн.заведений) . -1976. -}?6. -С. 687-688.

5. Поляков В.Е., Клецель М.Я. Логический синтез схем централизованных защит электродвигателей //Электромеханика...(Изв.высш. учебн .заведений).-1976. -П8.-С.751-756.

6. Поляков В.Е., Клецель М.Я. О реализации некоторых логических функций централизованных релейных защит на магнитных логичес- ' ких элементах // Энергетика...(Изв.высш.учебн.заведений).-1976.- . Ш 8. -С.117-120.

7. Поляков В.Е., Клецель М.Я. Централизованная токовая направленная защита // Энергетика... (Иав.высш.учебн.заведений). -1977. - № 3. - С.9-14.

8. Усовершенствование защиты минимального напряжения /С.В. Каплан, М.Я.Клецель, В.Е.Поляков // Промышленная энергетика. -1977. - |Р6- . - С.23-24.

9. Клецель М.Я., Поляков В.Е. О чувствительности токовых за-

щит электродвигателей // Электрические станции. - 1978. - Н. - С. 66-68.

10. Работа реле направления мощности на токах подпитки от электродвигателей / А.В.Богдан, М.Я.Клецель, В.Е.Поляков //Энергетика... (Изв.высш.учебн.заведений). - 1978. - № II. - С.19-23.

11. Дифференциально-фазная защита электродвигателя /А.В.Богдан, И.А.Воронич, М.Я.Клецель, В.П.Нелюбин // Электрические станции. - 1979. - № 2. - С. 63-65.

12. Поляков В.Е., Клецель М.Я. Алгоритмы некоторых централизованных устройств релейной защиты подстанций и соотношения между функциями, их описывающими // Энергетика... (Изв.высш.учебн.заведений). - 1979. - № 9. - С. 90-93.

13. Поляков В.Е., Клецель М.Я. Алгоритм действия и реализация на диодной сетке схемы дифференциальной направленной защиты повышенной чувствительности // Электромеханика... (Изв.высш.учебн. за' ведений). - 1979. - № 9. - С. 806-808.

14. Централизованное устройство блокировки АВР / В.А.Бороден-ко, М.Я.Клецель, В.Е.Поляков // Электрические станции. - 1980. -

1Г- 4. - С. 46-47.

15. Синтез информационно-логической части устройств АВР / В.А.Бороденко, М.Я.Клецель, В:Е.Поляков // Энергетика... (Изв.высш. учебн. заведений). - 1980. - № 12. № С. 28-33'.

16. Бороденко В.А., Клецель М.Я. Использование герконов защиты от КЗ для контроля нагрузки // Энергетика... (Изв. высш.учебн. заведений). - 1984. - !? 8. - С.51-52.

17. Клецель М.Я. Синтез алгоритмов централизованных защит узлов нагрузки // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1985. -

I? 4. - С. 64-70.

18. Клецель М.Я. Защита со сравнением знака мощности для то-копроводов с ответвлениями // Энергетика... (Изв.высш.учебн.заведений). - 1985. - № II. - С.7-11.

19. Защита двигателей от витковых замыканий на кольцевом преобразователе / М.Я.Клецель, А.Н.Новожилов, В.Е.Поляков // Электромеханика___ (Изв.высш.учебн.заведений). - 1986.- 0.118-115.

20. Клецель М.Я., Новожилов А.Н. Способ выявления витковых замыканий в трехфазных асинхронных двигателях // Энергетика... (Изв.высш.учебн.заведений). - 1986. - № II. - С.46-48.

21. Клецель М.Я., Мусин В.В. 0 построении на герконах защит высоковольтных установок без трансформаторов тока // (Электротехника. - 1987.- - 1? 4. - С. Ц-13.

22. Клецель М.Я., Новожилов А.Н. Погрешности измерительных ппя-

образователен, используемых для защит, встроенных в электродвигатели // Электромеханика... (Изв.высш.учебн.заведений). - 1989. -I. - С. 105-110.

23. Клецель М.Я., Солодухин И.Н. Автоматика для предотвращения крупных аварий на электростанциях // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1989. - № 2. - С. 149-154.

24. Самонастраивающаяся токовая защита / В.Е.Поляков, М.Я.Кле цель, К.И.Никитин // Энергетика... (Изв.висш.учебн.заведений). -1989. - $ II. - С. 44-45.

25. Клецель М.Я., Мусин В.В. Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты без трансформаторов тока на герконах // Промышленная энергетика. - 1990. - и 4. - С. 32-36.

26. Клецель М.Я., Мусин В.В. Конструкции для регулирования тока срабатывания защит на герконах // Электротехническое производ ство (Отраслевой информационный сборник). - 1990. - {? 5. - С.9-10.

27. Защита электродвигателей с фазочувствительной мажоритарной схемой и функциональным диагностированием / М.Я.Клецель,В.В.Му син, С.Н.Симонов, Ё.Е.Поляков // Электричество. - 1990. - № 10. -С. 27-32.

28. Адаптивная резервная токовая защита тупиковых линий с •ответвлениями / А.В.Богдан, М.Я.Клецель, К.И.Никитин // Электричество. - 1991. 2. - С. 51-54.

29. Чувствительность защит, встроенных в электродвигатели, к замыканиям обмотки статора на землю // М.Я.Клецель, А.В.Мануковс-кий, А.Н.Новожилов // Электромеханика... (Изв.высш.учебн.заведений!

- 1991. - № 2. - С. 95-97.

30. Расчет ЭДС на выходе кольцевого преобразователя /Б.Б.Каратаев, М.Я.Клецель, А.Н.Новожилов // Электромеханика... (Изв.высш. учебн.заведений). - 1991. - № 9. - С. 18-22.

31. Клецель М.Я., Никитин К.И. Анализ чувствительности резервных защит распределительных сетей энергосистем // Электричество.

- 1992. - № 2. - С. 19-23.

32. Клецель М.Я.. Принципы построения и модели дифференциальных защит электроустановок на герконах // Электротехника. - 1991. -№ 8. - С. 47-50.

33. Свойства герконов при использовании их в релейной защите/ Клецель М.Я., Алишев Ж.Ж., Мануковский А.В., Мусин В.В.// Электричество. - 1993. - № 9. - С. 18-21.

34. Клецель М.Я., Никитин К.И. Резервная защита линии, реагирующая на разность абсолютных значений токов фаз. // Электричество.

- 1993. - № 10.

35. Клецель М.Я., Новожилов А.Н., Полищук В.И., Кошель А.Г. Метельский А.Н. Защита электродвигателей на катушках индуктивности от витковых замыканий // Промышленная энергетика.-1994.-№3,- С. 17-20.

36. Клецель М.Я., Алишев Ж.Р. Выбор токов срабатывания ЬГГЗ на герконах для кабеля 0,4 kB. JJ Энергетика...(Изв.высш.учебн. заведений).-I996.-P5-6.-C. 23-29.

37. A.c. 5I98I5 СССР. Устройство для защиты группы двигателей /М.Я.Клецель, В.Е.Поляков //Бюл.изобр.-IS76.-# 24.

38. A.C. 599309 СССР. Устройство для защиты электродвигателей от междуфазных замыканий / А.В.Богдан, И.А.Воронич, М.Я.Клецель, В.П.Нелюбин // Бюл.изобр.- 1978.II.

39. A.c. 919009 СССР. Устройство для защиты группы электродвигателей / М.Я.Клецель // Бюл.изобр.- 1982.- Р 13.

40. A.c. 951555 СССР. Устройство автоматического включения резерва собственных нужд электростанции (его варианты) /М.Я.Клецель, И.Н.Солодухин // Бюл.изобр.- 1982.- № 30.

41. A.c. 968874 СССР. Устройство для дифференциально-фазной защиты группы электродвигателей / М.Я.Клецель // Бюл.изобр.-

1982.- № 39.

42. A.c. 997166 СССР. Способ выявления потери питания группы трехфазных электродвигателей / М.Я.Клецель // Бюл.изобр.-

1983,- № 6.

43. A.c. 1046825 СССР. Способ защиты трехфазного электродвигателя от коротких замыканий / М.Я.Клецель, В.Е.Поляков, А.Н.Ново жилов // Бюл.изобр.- I983.-J? 37.

44. A.c. 1046852 СССР. Устройство для защиты электродигателе от замыкания между витками одной фазы / М.Я.Клецель, А.Н.Новожилов, В.Е.Поляков // Бюл.изобр.- 1983.- Л> 37

45. A.c. 1046853 СССР. Электрическая машина / М.Я.Клецель,

A.Н.Новожилов // Бюл.изобр.- 1983.- № 37.

46. A.c. 925220 СССР. Устройство для дифференциально-фазной защиты электродвигателей / М.Я.Клецель, С.Н.Симонов, В.В.Мусин,

B.П.Нелюбин, В.Е.Поляков // Бюл.изобр.- 1983.- № 48.

47#Patentschrift DE 3111400 С2 Emichtung zum. Pagen Differenzschutz von Elektromotoren. M.Y. Kletzel, V.E.Polyafcov, S.N.Simonov, V.V.Husin, V.P.Neljubin 21.07.1983.

46. A.c. IC65952 СССР. Устройство для защиты шин от коротких замыканий/ М.Я.Клецель

49. A.c. III5I56 СССР. Устройство для токовой защиты электро-

установки /М.Я.Клецель // Бюл.изобр.- 1984.- № 35.

50. A.c. II23076 СССР. Устройство для защиты трехфазного электродвигателя / М.Я.Клецель УУ Бюл.изобр.- 1984.- № 41.

51 .United State3 Patent 4,453,190. Method of short circuit protection of electrical three-phase machine and device therefor. M.Y. Kletzel, V.E. Polyakov, A.N. Novozhilov, I.N. Solodufchin, Y.S. Chepeljuk, D.E. Baida. 5.06.1984.

52. A.c. II6907I СССР. Устройство для защиты элементов подстанции от короткого замыкания / М.Я.Клецель J J Бюл.изобр. -1985. - KS 27.

53. A.c. 1197000 СССР. Устройство для защиты электросети от повреждения У М.Я.Клецель У/ Бюл.изобр.- 1985.- 45.

54. A.c. II98453 СССР. Измерительный орган для токовой защиты / А.Б.Абзянов, М.Я_Клецель, В.В.Мусин УУ Бюл.изобр.-1985..?? 46.

55. A.c. I238I87 СССР. Устройство для токовой защиты от ыеж-дуфазного короткого замыкания трехфазной электроустановки с автоматическим повторным включением (АПВ) У А.В.Богдан, М.Я.Клецель, К.И.Никитин УУ Бюл.изобр.- 1986.- № 22.

56. A.c. 1246230 СССР. Устройство для дифференциальной защиты преобразовательной установки У М.Я.Клецель УУ Бюл.изобр. -1986— № 27.

57. A.c. I26592I СССР. Электрическая трехфазная машина У М.Я.Клецель, А.Н.Новожилов УУ Бюл.изобр.- 1986.- К» 39.

58. A.c. I304I20 СССР. Устройство защиты шин от коротких замыканий У М.Я.Клецель УУ Бюл.изобр.- 1987,- tf 14.

59. A.c. I3I9I38 СССР. Устройство для дифференциальной защиты двух параллельных линий электропередачи У М.Я.Клецель УУ Бюл.изобр - 1987.- № 23.

60. A.c. I34349I СССР. Устройство для резервной защиты транзитной ЛЗП с ответвлениями от междуфазных КЗ У М.Я.Клецель, К.И. Никитин, В.Е.Поляков УУ Бюл.изобр.- 1987.- J? 37.

61. A.c. 1352579 СССР. Способ защиты от ыежвитковых замыканий в обмотках трехфазных машин У М.Я.Клецель УУ Бюл.изобр.-1937.- Ъ 42.

62. A.c. 1427472 СССР. Устройство для защиты электрической машины с датчиком аварийного режима У М.Я.Клецель, А.Н.Новожилов, В.Е.Поляков УУ Бюл.изобр.- 1988.- » 36.

63. A.c. I429I93 СССР. Способ настройки токового релейного элемента на ыагнитоуправляеыом герметизированном контакте У М.Я.Клецель, В.В.Мусин, В.Е.ПоляковУУ Бюл.изобр.- 1988.- № 37.

64. A.c. 1494096 СССР. Устройство для токовой защиты электроустановки от КЗ У М.Я.Клецель УУ Бюл.изобр.- 1989.- № 26.

65. A.c. 1527683 СССР. Устройство для защиты элементов подстанции от короткого замыкания У М.Я.Клецель JJ Бюл.изобр.-1989,- № 45.

66. A.c. I536451 СССР. Датчик тока на герконах У В.А.Боро-денко, М.Я.Клецель УУ Бюл.изобр.- 1990.- № 2.

67. A.c. 1686580 СССР. Реле направления мощности / М.Я.Клецель УУ йол.изобр.- 1991,- К» 39.

68. A.c. 1294256 СССР. Устройство для резервной токовой защиты от междуфазного короткого замыкания трехфазной электроустановки У М.Я.Клецель // Бюл.изобр.- 1992.- № 10.

69. Патент СССР I808I60. Устройство токовой защиты электроустановки от коротких замыканий У Клецель М.Я., Кошель А.Г., Метельскш А.Н. УУ Бюл.изобр.- 1993.- № 13.

70. Патент KZ 2707. Способ защиты кабеля от замыкания на землю У Клецель М.Я., Алишев K.P. /У Официальный бюллетень.-Промышленная собственность.- 1995.- К» 4.

71. Патент КZ 4792. Устройство для токовой защиты электроустановки от междуфазных коротких замыканий с диагностикой его неисправностей У Клецель М.Я. УУ Официальный бюллетень.- Промышленная с*—1997.- № 2.

SUMMARY

of thesis "THEORY DEVELOPMENT AND PRACTICAL APPLICATION OF

RELAY PROTECTION OF SUBSTATIONS WITH ELECTRIC MOTORS" by

KLETSEL M. J.

The problems of technical improvement of relay protection of substations with electric motors are solved by designing of new devices on the basis of developing centralized and back-up protections theory and by developing the construction of resource-saving system of relay protection without high-voltage current transformers theory. The first of them applies logic algebra and feeding current from electric motor, the other one - the discussed methodology of comparing of protections on sensitivity and adaptation, and the third one - electromagnetic induction law.

The paper proposes the electric motor protections (with •inside measuring of. magnetic field voltage and having a phasesensitive majority scheme), protections of tapped lines (adaptive and responding to the difference in magnitudes of the.phase currents), models of centralized protections and reserve automatic closing devices, and models of current, differential and directed protections without current transformers on the sealed-contact reed relays.