Исследование микропроцессорной дифференциальной защиты понижающего трансформатора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Э Н Е Р Г Е Т И К А

УДК 621.316.925.1

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ПОНИЖАЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА

Докт. техн. наук, проф. РОМАНЮК Ф. А.1, магистр техн. наук ЛОМАНМ. С.22

1 Белорусский национальный технический университет, 2 РУП «Белэлектромонтажналадка» E-mail: faromanuk@bntu.by

INVESTIGATION OF MICROPROCESSOR DIFFERENTIAL PROTECTION OF POWER REDUCING TRANSFORMER

ROMANIUK F. A.1', LOMAN M. S.2)

1 Belarusian National Technical University, 2 JSC Belelektromontazhnaladka

Представлено исследование функционирования дифференциальной защиты понижающего трансформатора 110 кВ при внутренних повреждениях методом вычислительного эксперимента. Рассмотрены режимы внутренних одно-, двух-, двухфазного на землю и трехфазного коротких замыканий, в том числе повреждений, сопровождающихся насыщением трансформаторов тока.

Ключевые слова: дифференциальная защита трансформатора, математическая модель.

Ил. 7. Библиогр.: 3 назв.

The paper presents investigations on functioning of a differential protection of 110 kV reducing transformer with internal faults using computer simulation. Internal single-, double-, double-phase-to- ground and three-phase faults including faults accompanied with saturation of current transformers have been considered in the paper.

Keywords: transformer differential protection, mathematical model.

Fig. 7. Ref.: 3 titles.

Дифференциальная токовая ступень относится к основным защитам силовых трансформаторов. Разработка устройства дифференциальной защиты понижающего трансформатора ставит задачи выбора аналоговых и цифровых фильтров, вида тормозной характеристики, способов отстройки от бросков тока намагничивания (БТН), от перевозбуждения железа трансформатора, а также отстройки от внешних повреждений, сопровождающихся насыщением трансформаторов тока (ТТ) [1]. Важным этапом разработки устройства дифференциальной защиты является комплексная проверка алгоритмов ТТ в широком диапазоне режимов его работы.

В статье представлено исследование функционирования дифференциальной защиты понижающего трансформатора 110 кВ при внутренних повреждениях методом вычислительного эксперимента с применением математических моделей дифференциальной защиты и силового трансформатора. Математическое моделирование позволяет провести исследование работы дифференциальной защиты во всем объеме

возможных режимов. Достоверность математической модели дифференциальной защиты трансформатора была проверена на основе сравнения с результатами, полученными при натурных испытаниях терминала дифференциальной защиты трансформатора МР801 [2].

Математическая модель выработки входных сигналов дифференциальной защиты трансформатора базируется на комплексных математических моделях энергообъекта, содержащего силовой трансформатор с его источниками питания, нагрузками, ТТ. Входные сигналы защиты вырабатываются для всех видов короткого замыкания (КЗ) на выводах трансформатора и внешних КЗ, режимов включения трансформатора и отключения внешних КЗ, с возможностью учета переходного сопротивления в месте КЗ. Математическая модель содержит системы дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих переходные процессы в электрических контурах расчетных схем энергообъекта. Дифференциальные уравнения решаются методом Рунге - Кутта второго порядка с определением величин, входящих в

Наука итехника, № 1, 2014

правые части, на втором такте - путем линейной экстраполяции. Нелинейные системы алгебраических уравнений на каждом шаге решаются один раз методом итераций с обеспечением сходимости по формуле Вегстейна.

Математическая модель дифференциальной защиты включает в себя модель аналогового фильтра второго порядка с частотой среза 1 кГц, модель цифрового фильтра ортогональных составляющих (первой, второй и пятой гармоник тока) на основе алгоритма Гёрцеля [3], приведение токов по фазе и амплитуде, тормозную характеристику, блокировку от БТН на основе оценки второй гармоники, блокировку от перевозбуждения трансформатора на основе оценки пятой гармоники, алгоритм определения внешнего повреждения.

Расчет действующих значений токов осуществляется в 10-миллисекундном цикле на основе 20 выборок с частотой дискретизации 1 кГц. Модель реализует функции дифференциальной ступени с торможением и дифференциальной отсечки без торможения. Расчетная схема, реализованная в математической модели выработки входных сигналов дифференциальной защиты трансформатора, представлена на рис. 1. Для исследования были выбраны режимы КЗ в начале и конце защищаемой зоны - на выводах 110 и 10 кВ понижающего трансформатора мощностью 6,3 МВ • А.

Энергосистема

110 кВ

10 кВ

Рис. 1. Однолинейная схема моделируемой сети

Тормозная характеристика моделируемой дифференциальной защиты показана на рис. 2, тормозной и дифференциальный токи приведены к номинальному току трансформатора. Первый горизонтальный участок характеристики задается уставкой равной 0,34 о. е. Характеристика имеет два наклонных участка: первый с наклоном 14° предназначен для отстройки от токов небаланса, возникающих при рабочих токах нагрузки и нормальной перегрузки,

второй с наклоном 20° - для отстройки от токов небаланса, возникающих при токах КЗ. Заданы уставки блокировки по второй гармонике -14 %, блокировки по пятой гармонике - 40 %. Второй горизонтальный участок характеристики определяется уставкой дифференциальной отсечки без торможения 1а?>>, равной 9,17 о. е. Дифференциальная отсечка срабатывает при превышении дифференциальным током уставки 1а?>> и не имеет блокировок по второй и пятой гармоникам.

° 8.

и g

« й

я 4. я я 0}

& о

<а 2.

■

Я

« 0.

00 Уставка дифференциальной отсечки Id>> ,17 -

1,36 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Тормозной ток, о. е.

Рис. 2. Тормозная характеристика

На осциллограммах аварийных процессов, полученных с помощью математического моделирования, показаны вторичные токи ТТ трех фаз стороны 110 кВ (I1) трансформатора, блокировки по второй гармонике Block G2 по трем фазам, блокировки по пятой гармонике Block G5 по трем фазам, сигналы работы определителя внешних повреждений EXT, сигналы срабатывания измерительных органов MU по трем фазам, срабатывания дифференциальной ступени с торможением Trip Id> по трем фазам, срабатывания дифференциальной отсечки Trip Id>> по трем фазам. При всех видах КЗ в точках K1 и К2 понижающего трансформатора (рис. 1) токи КЗ протекают только через ТТ стороны 110 кВ, при этом токи через ТТ стороны 10 кВ равны 0 и не показаны на осциллограммах аварийных процессов.

Осциллограммы внутреннего однофазного КЗ в точке К2, полученные с помощью математического моделирования, представлены на рис. 3. Как видно из рисунка, ТТ в фазе А работает в режиме насыщения, при этом ток в фазе А имеет характерные искажения и содержит в значительном количестве вторую гармонику. Глубокое насыщение ТТ в фазе А приводит к срабатыванию блокировки по второй гармонике (сигнал Block G2_a) и запрету работы дифференциальной ступени с торможением по фазе А.

Наука итехника, № 1, 2014

Рис. 3. Осциллограммы внутреннего однофазного КЗ в точке К2

Однако срабатывает дифференциальная отсечка без торможения в фазе А (сигнал Trip Id>>A) и формируется команда на отключение трансформатора. Собственное время работы дифференциальной защиты составляет 19 мс.

Токи фаз В и С подпитывают точку КЗ через заземленную нейтраль трансформатора и имеют достаточную величину, чтобы привести к срабатыванию дифференциальной ступени с торможением по данным фазам (сигналы Trip Id>B и Trip Id>C). Наличие блокировок по второй гармонике в фазах B и С (Block G2_b и Block G2_c) в начальный момент КЗ обусловлено реализацией цифрового фильтра [3]. Для расчета цифрового фильтра используется окно шириной 20 мс. В первый период режима КЗ окно расчета включает в себя как предаварийный режим, так и аварийный, что приводит к определению наличия второй гармоники тока.

Осциллограммы внутреннего двухфазного КЗ на землю в точке К2 представлены на рис. 4. Как видно из рис. 4, токи в фазах А и В имеют характерные для режима насыщения искажения, при этом ток в фазе А искажен в большей степени, что обусловлено действием апериодической составляющей. Глубокое насыщение ТТ в фазе А приводит к срабатыванию блокировки по второй гармонике (Block G2_a) и запрету работы дифференциальной ступени с торможением по фазе А. При этом величина тока в фа-

Наука итехника, № 1, 2014

зах А и В достаточна для срабатывания дифференциальной отсечки в фазах А и В (Trip Id>>A, Trip Id>>B). Собственное время работы дифференциальной защиты составляет 19 мс.

Наличие блокировок по второй гармонике в фазах B и С (Block G2_b и Block G2_c) в начальный момент КЗ обусловлено переходным режимом. Через 10 мс после появления сигналы Block G2_b и Block G2_c сбрасываются.

Форма тока в фазе B близка к синусоидальной, содержание второй гармоники недостаточно для длительного существования сигнала Block G2_b, работа дифференциальной ступени с торможением разрешается, и формируется сигнал Trip Id>B. Ток фазы С подпитывает точку КЗ через заземленную нейтраль трансформатора и имеет достаточную величину для срабатывания дифференциальной ступени с торможением (сигнал Trip Id>C).

Осциллограммы внутреннего двухфазного КЗ в точке К1 представлены на рис. 5. При повреждении на выводах 10 кВ в точке K1 сопротивление трансформатора ограничивает токи КЗ, при этом ТТ работают в линейной части характеристики намагничивания и вторичные токи ТТ имеют синусоидальную форму (рис. 5). Наличие токов КЗ во всех трех фазах на стороне 110 кВ обусловлено распределением линейных токов двух замкнувшихся фаз в фазных обмотках треугольника стороны 10 кВ.

Рис. 4. Осциллограммы внутреннего двухфазного КЗ на землю в точке К2

Рис. 5. Осциллограммы внутреннего двухфазного КЗ в точке К1

Наука итехника, № 1, 2014

Как видно из рис. 5, в начальный момент КЗ формируются сигналы блокировки по второй гармонике в фазах А, B и С (Block G2_a, Block G2_b и Block G2_c). Одновременно с блокировками появляется сигнал срабатывания измерительных органов в трех фазах дифференциальной ступени с торможением (MU_a, MU_b, MU_c). Через 10 мс после пропадания сигналов блокировки срабатывает дифференциальная ступень с торможением в трех фазах (сигналы Trip Id>A, Trip Id>B и Trip Id>C) с действием на отключение трансформатора. Собственное время работы дифференциальной защиты составляет 30 мс.

Осциллограммы внутреннего трехфазного КЗ в точке К2 представлены на рис. 6. Как видно, форма токов в фазах А и С искажена, что обусловлено действием апериодической составляющей и насыщением ТТ. В фазах А и С срабатывают блокировки по второй гармонике (Block G2_a и Block G2_c) и запрещают работу дифференциальной ступени с торможением в данных фазах. Большая величина тока КЗ приводит к срабатыванию дифференциальной от-

сечки без торможения в трех фазах (Trip Id>>A, Trip Id>>B и Trip Id>>C) с действием на отключение трансформатора. Собственное время работы дифференциальной отсечки составило 20 мс. Через 10 мс срабатывает дифференциальная ступень с торможением в фазе B (Trip Id>B), в начальный период КЗ заблокирована сигналом Block G2_b.

Осциллограммы внутреннего трехфазного КЗ в точке К1 представлены на рис. 7.

Из рис. 7 видно, что в начальный момент КЗ формируются сигналы блокировки по второй гармонике в фазах А, B и С (Block G2_a, Block G2_b и Block G2_c). Это обусловлено переходным режимом. Одновременно с блокировками появляется сигнал срабатывания измерительных органов в трех фазах дифференциальной ступени с торможением (MU_a, MU_b, MU_c). Через 10 мс после пропадания сигналов блокировки срабатывает дифференциальная ступень с торможением в трех фазах (сигналы Trip Id>A, Trip Id>B и Trip Id>C) с действием на отключение трансформатора. Собственное время работы дифференциальной защиты составляет 30 мс.

Рис. 6. Осциллограммы внутреннего трехфазного КЗ в точке К2

Наука итехника, № 1, 2014

Рис. 7. Осциллограммы внутреннего трехфазного КЗ в точке К1 В Ы В О Д Ы

Л И Т Е Р А Т У Р А

В статье представлено исследование функционирования дифференциальной защиты понижающего трансформатора 110 кВ при внутренних повреждениях методом вычислительного эксперимента. Рассмотрены режимы внутренних одно-, двух-, двухфазного на землю и трехфазного КЗ, в том числе повреждений, сопровождающихся насыщением трансформаторов тока.

Во всех режимах КЗ дифференциальная защита правильно определила режим внутреннего повреждения и сформировала команды отключения трансформатора. Анализ опытов КЗ показал, что:

- при насыщении ТТ и искажении формы токов возможен отказ дифференциальной ступени с торможением из-за блокировки по второй гармонике (применяемой для определения режимов БТН), при этом надежность работы защиты в целом обеспечивается срабатыванием дифференциальной отсечки без торможения;

- собственное время работы дифференциальной отсечки составляет не более 20 мс;

- собственное время работы дифференциальной ступени с торможением составляет не более 30 мс.

1. Романюк, Ф. А. Микропроцессорная защита силовых понижающих трансформаторов / Ф. А. Романюк, С. П. Королев, М. С. Ломан // Энергетика... Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. - 2011. -№ 5. - С. 5-10.

2. Ковалевский, А. В. Натурные испытания устройства дифференциальной защиты трансформатора / А. В. Ковалевский, М. С. Ломан // Релейщик. - 2010. - № 4. - С. 32-35.

3. Романюк, Ф. А. Формирование ортогональных составляющих контролируемых величин в микропроцессорной защите понижающего трансформатора / Ф. А. Рома-нюк, М. C. Ломан // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. - 2012. - № 4. - С. 5-9.

R E F E R E N C E S

1. Romaniuk, F. A. Microprocessor Protection of Power Reducing Transformers / F. A. Romaniuk, S. P. Korolev, M. S. Loman // Energetika - Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations. -2011. - No 5. - P. 5-10.

2. Kovalevsky, A. V. Field Tests of Devices for Differential Protection of Transformer / A. V. Kovalevsky, M. S. Loman // Releyshchik (Protection Engineer). - 2010. - No 4. - P. 32-35.

3. Romaniuk, F. A. Formation of Orthogonal Controlled Value Components in Micro-Processor Protection of Power Reducing Transformer / F. A. Romaniuk, M. S. Loman // Energetika - Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations. - 2012. - No 4. - P. 5-9.

Поступила 09.10.2013

Наука итехника, № 1, 2014