CC BY
99
= 32 ^^ Энергобезопасность и энергосбережение ^^ ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ
УДК 681.5
Дифференцирующие индукционные
^ V V
преобразователи тока для релейной защиты шин на основе разности напряжений
Д. Б. Соловьев,
Дальневосточный федеральный университет, доцент кафедры управление инновациями, кандидат технических наук
А. С. Нагорных,
Дальневосточный федеральный университет, аспирант кафедры электрооборудования, автоматики и электротехнологий
Показаны преимущества дифференцирующих индукционных преобразователей тока по отношению к трансформаторам тока. Приведён пример дифференциальной защиты шин при помощи разности напряжений. Даны рекомендации по решению отключения шин, а также решению проблемы селективности.
Ключевые слова: релейная защита шин, дифференциальная защита, дифференцирующие индукционные преобразователи тока.
При исправной изоляции системы (одно- или трёхфазной) шин и линий в соответствии с первым законом Кирхгофа сумма токов всех линейных проводов, подключённых к каждой из шин, равна нулю. Следовательно, неравенство указанной суммы нулю свидетельствует о низком сопротивлении изоляции между шинами или линейными проводами разных фаз. На этом принципе работает дифференциальная защита шин. Она определяет указанные суммы токов всех или двух из трёх фаз и в случае неравенства нулю любой из контролируемых защитой сумм токов даёт сигнал на отключение линий, по которым к шинам подключены источники напряжения. Как для любой дифференциальной защиты, возможны две схемы её выполнения - с циркулирующими токами и с уравновешенными напряжениями. В России практически всегда используются защиты с циркулирующими токами. При этом для каждой фазы вторичные обмотки трансформаторов тока (ТТ), измеряющие токи всех линейных проводов, включаются параллельно друг другу и обмотке реле тока. Коэффициенты трансформации всех ТТ должны быть одинаковыми [1].
Такая защита не может выявить начальную стадию пробоя изоляции, когда в фазных токах содержатся лишь небольшие составляющие, обусловленные коротким замыканием на участке цепи, входящем в зону защиты (короткое замыкание через изоляцию может быть междуфазным или коротким замыканием одной фазы на землю). Этому мешает наличие у трансформаторов тока достаточно больших полных погрешностей измерения токов. Такие погрешности, вызванные наличием вихревых токов в ферромагнитном сердечнике трансформатора, а также гистерезиса и нелинейности
в кривой намагничивания этого сердечника, быстро нарастают с ростом измеряемого тока и сопротивления нагрузки трансформаторов тока [2]. При внешних коротких замыканиях сердечники трансформаторов тока, входящие в одну цепь дифференциальной защиты, насыщаются по-разному из-за разброса характеристик ТТ. Вызванный этими погрешностями ток, проходящий через обмотку реле тока, может привести к ложному, без выдержки времени, отключению питающей линии, хотя должна сработать с выдержкой времени и отключить точку короткого замыкания другая защита - токовая.
Тот факт, что недостатки дифференциальных защит вызваны наличием у трансформаторов тока железного сердечника, известен давно. Ещё в 40-е годы прошлого века успешно прошла опытную эксплуатацию дифференциальная защита шин, в которой в качестве измерительных преобразователей тока использовались устройства, не имеющие ферромагнитного сердечника [3, 4]. Эти устройства, названные авторами «linear couplers» (линейные ответвители), в соответствии с принятой теперь классификацией измерительных преобразователей тока можно отнести к «дифференцирующим индукционным преобразователям тока» (ДИПТ). Они являются, как и трансформаторы тока, измерительными преобразователями трансформаторного типа и в нашей стране более известны под названиями «воздушный трансформатор» или «трансреактор». Особенностью ДИПТ является то, что их масса во много раз меньше, чем у трансформаторов тока, с теми же значениями первичного тока и вторичного напряжения [1, 2].
Щ61Ш2)ШШ
Диагностика и надежность энергооборудования
33 =
Как следует из [3, 4], магнитопровод (каркас) дифференцирующих индукционных преобразователей тока не содержит сердечника из трансформаторной стали, а число витков вторичной обмотки намного больше, чем у трансформаторов тока с таким же, что и у ДИПТ, значением номинального первичного тока. Дифференцирующий индукционный преобразователь тока работает в режиме, близком к холостому ходу. Его можно выводить из цепи защиты и вводить в неё без повреждения в отключаемой вторичной обмотке. Выходной сигнал такого преобразователя - напряжение - пропорционально производной первичного тока. При синусоидальном первичном токе вторичное напряжение тоже имеет синусоидальную форму. Характеристика «вход - выход» дифференцирующих индукционных преобразователей тока - это прямая линия, имеющая наклон приблизительно 5 В на 1000 ампер-витков. Следовательно, индуктивное сопротивление взаимной индукции между обмотками дифференцирующего индукционного преобразователя тока равно ХМ=2п/М=0,005 ю1 (Ом), где ю1 - число витков первичной обмотки, / - частота источника напряжения, М - взаимная индуктивность между обмотками преобразователя тока.
Описанные выше особенности таких измерительных преобразователей объясняют, почему ДИПТ соединены в цепь с уравновешенными напряжениями, как показано схематично на рис. 1. При нормальной работе сумма вторичных напряжений должна быть равна нулю, за исключением очень малой погрешности, обусловленной производственными отклонениями размеров катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока и их расположения по отношению к проводникам с измеряемыми токами. Ток в дифференциальном реле практически отсутствует.
тет и напряжение на выходе первого дифференцирующего индукционного преобразователя тока (крайнего слева). В первый момент короткого замыкания токи всех линий останутся такими же, какими они были в последний момент до короткого замыкания. В тех отходящих линиях, которые до короткого замыкания были нагружены, будут проходить только апериодические токи, сравнительно медленно затухающие. По своему абсолютному значению напряжения дифференцирующего индукционного преобразователя тока отходящих линий станут ничтожно малыми по сравнению с действующими значениями напряжения этих же ДИПТ в период, предшествующий короткому замыканию. Напряжение на дифференциальном реле превзойдёт напряжение включения этого реле. Оно сработает и пошлёт сигнал на отключение автоматического выключателя первой линии. Максимальное значение напряжения реле будет иметь место в момент времени, близкий к тому, при котором принуждённая составляющая тока короткого замыкания проходит через нулевое значение. Если короткое замыкание не глухое, то есть сопротивление между закороченными фазами не равно нулю, то ток короткого замыкания станет меньше, чем в рассмотренном примере. Не будут равны нулю периодические составляющие токов отходящих линий. Максимум напряжения на дифференциальном реле снижается по мере роста сопротивления между закороченными фазами. Реле не перейдёт во включённое состояние при больших сопротивлениях пути, по которому прошёл пробой изоляции, когда напряжение реле меньше напряжения его включения иоп.
Рассмотрим теперь, что происходит, когда возникает короткое замыкание на отходящей линии сразу после места установки дифференцирующего индукционного преобразователя тока (вне зоны действия дифференциальной защиты шин). Для упрощения анализа будем полагать, что до короткого замыкания эта линия была ненагруженной, дифференциальное реле идеально - его входное сопротивление бесконечно велико, а все остальные отходящие линии отключены. Тогда максимальное значение напряжения, подводимого к реле, равно:
Рис. 1. Дифференциальная защита шин с уравновешенными напряжениями
Рассмотрим, что происходит, когда возникает короткое замыкание шин. Пусть на рис. 1 первая слева линия является питающей, она соединяет шины с источником напряжения, а по остальным, отходящим, линиям электроэнергия направляется потребителям, не имеющим других источников напряжения. Пусть произошло глухое короткое замыкание между сборными шинами, причём в этом замыкании участвует и та фаза, которая снабжена дифференцирующим индукционным преобразователем тока, входящим в дифференциальную защиту шин. Тогда принуждённая (синусоидальная) составляющая тока питающей линии резко увеличится по сравнению с режимом, предшествующим короткому замыканию. Значительно вырас-
где ДМ - разность взаимных индуктивностей питающей и отходящей линий.
Это напряжение возникает приблизительно в тот момент времени, когда принуждённая составляющая тока короткого замыкания первый раз проходит через нулевое значение. Оно должно быть меньше напряжения включения реле иоп. Таким образом, чем точнее будет соблюдаться равенство взаимных индуктивностей дифференцирующего индукционного преобразователя тока всех линий, тем меньшее значение может быть у напряжения включения реле иоп. Следовательно, чем меньше отклонения взаимных индуктивностей ДИПТ от их среднего значения, тем меньшее значение тока короткого замыкания может быть выявлено на участке шин, входящем в зону действия рассматриваемой защиты.
НЯЯВЕШИИ
= 34
Энергобезопасность и энергосбережение
Можно констатировать, что рассмотренный вид дифференциальной защиты с уравновешенными напряжениями оказался незаслуженно обойдён вниманием в нашей стране. Теперь, когда дифференцирующие индукционные преобразователи тока стали вытеснять трансформаторы тока в самых разнообразных устройствах, наступила очередь разработки дифференциальной защиты по схеме с уравновешенными напряжениями, и не только шин, с использованием ДИПТ в качестве измерительного элемента переменного тока. Основанием для такого заявления являются два несомненных преимущества дифференцирующего индукционного преобразователя тока над трансформаторами тока: намного меньшая масса и отсутствие насыщения при больших токах.
Исследования, выполненные в Дальневосточном федеральном университете [5-7], показали, что можно обеспечить и достаточную, не хуже чем у трансформаторов тока, помехозащищённость ДИПТ от влияния мешающих магнитных полей, вызванных токами сторонних проводников. В частности, дифференцирующие индукционные преобразователи тока, устанавливаемые на вводы в высоковольтное оборудование, предложено выполнять в виде секционированного тороида с большим числом одинаковых секций и малыми одинаковыми промежутками между ними. Тем самым удаётся минимизировать влияние токопрово-
дов соседних фаз, вызванное неравномерностью расположения витков обмотки дифференцирующего индукционного преобразователя тока вдоль её осевой линии. Кроме того, предложено выполнять секции с чётным числом слоёв, чтобы ЭДС, наводимые проходящими в окно обмотки дифференцирующего индукционного преобразователя тока магнитными полями мешающих токов в нечётных и чётных слоях, взаимно уничтожались. Для низковольтного оборудования предложено использовать для дифференцирующего индукционного преобразователя тока конструкцию обычного двухобмоточного или проходного трансформатора, но с немагнитными зазорами в его сердечнике. Наличие сердечника позволяет ещё в несколько раз уменьшить массу ДИПТ, а немагнитные зазоры снижают до пренебрежимо малых значений влияние потерь в ферромагнитном сердечнике, нелинейности его кривой намагничивания и её насыщения.
Конечно, теперь, спустя 65 лет после первого применения дифференциальной защиты шин с уравновешенными напряжениями, необходимо внести существенные коррективы в устройство, схема которого приведена на рис. 1. Электромеханическое реле нужно заменить бесконтактным реле, выполненным, например, на основе полупроводниковых и интегральных микросхем [8]. Возможно также применение микропроцессоров.
Литература
1. Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991. -496 с.
2. Казанский В. Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.
3. Harder E. L., Klemmer E. H., Sonnemann W. K. and Wentz E. C. Linear Couplers for Bus Protection. AIEE Trans., (61), 1942, pp. 241-248. Discussions, p. 463.
4. Sonnemann W. K. A New Single-Phase-to-Ground Fault-Detecting Relay. AIEE Trans., (61), 1942, pp. 677-680. Discussions, pp. 995-996.
5. Соловьёв Д. Б., Кувшинов Г. Е. Применение дифференцирующих индукционных преобразователей тока в защите электроустановок обогатительных фабрик // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2010. № 4. - С. 31-34.
6. Соловьев Д. Б. Применение дифференцирующих индукционных преобразователей тока в защите горного электрооборудования от токов обратной последовательности: Дисс. канд. техн. наук. - Владивосток: ДВФУ (ДВГТУ), 2011. - 214 с.
7. Соловьёв Д. Б., Кувшинов Г. Е. Замена трансформаторов тока на дифференцирующие измерительные преобразователи тока в релейной защите и автоматике электротехнических комплексов и систем // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2010. - № 4. - С. 51-56.
8. Шопен Л. В. Бесконтактные электрические аппараты автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 568 с.
Relay protection on the basis of the difference of pressure and using of current differentiating induction converters
D. B. Solovjov,
Far Eastern Federal University, assistant professor of Department of innovation management, Ph.D.
A. S. Nagornykh,
Far Eastern Federal University, postgraduate student of Department of electrical equipment, automation and electrical technology
Advantages of differentiating induction converters of a current in relation to current transformers are shown. The example of differential protection of bus-bar by means of a difference of pressure is resulted. Recommendations about the decision of bus-bar switching-off and also selectivity solutions of a problem are made.
Keywords: relay protection, bus-bar, differential protection, differentiating induction converters of a current.
щбташзди
