CC BY
47
УДК 621.316.925 К. И. НИКИТИН
Н. М. ЗАЙЦЕВА М. Я. КЛЕЦЕЛЬ К. С. ТАРОНОВ О. А. СИДОРОВ
Омский государственный технический университет
Инновационный Евразийский университет, г. Павлодар
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Омский государственный университет путей сообщения
ЗАЩИТА ЛИНИЙ, ВЫЯВЛЯЮЩАЯ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ ЗА МАЛОМОЩНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ ЕЁ ОТВЕТВЛЕНИЙ_______________________________________
Предлагается устройство резервной защиты линий, обладающие требуемой чувствительностью при коротких замыканиях за трансформаторами ответвлений. Оно анализирует разность токов фаз в данный момент, и за время 0,1 с до него. Показано, что с уменьшением мощности трансформаторов ответвлений чувствительность защиты к коротким замыканиям повышается.
Ключевые слова: линия, короткие замыкания, защита, чувствительность.
Статья написана при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения Государственного контракта № 16.516.11.6091 от 08 июля 2011 г.
Задача выявления коротких замыканий (КЗ) за трансформаторами на ответвлениях линий электропередач различных напряжений остается актуальной. Дело в том, что до сих пор отсутствуют устройства резервных защит линий, способные реагировать на токи в (0,1 ... 0,2)^нм, протекающие по ней при указанных КЗ, если мощность трансформаторов достаточно мала, где 1НМ — ток максимальной нагрузки линий. Предлагаемое устройство решает эту задачу.
Оно содержит [1] преобразователи 1, 2, 3 тока (рис. 1), подключенные соответственно к трансформаторам тока фаз А, В, С линии, коммутатор 4 аналоговых сигналов, вычитатели 5, 6, 7 векторов токов фаз, линии 8, 9, 10 задержки, вычитатели 11, 12, 13 векторов токов предыдущего и последующего режимов, схему 14 сравнения трех электрических величин, состоящую из вычитателей 15, 16, 17, блок 18 сравнения, блок 19 работы при трехфазных КЗ, состоящий из линий 20 и 21 задержек, схемы 22 и 23 сравнения двух электрических величин, элементы ВРЕМЯ — 24, 25, 26, 30, 32, 33, элемент 27 ПАМЯТЬ, элементы И-28, 34, 35, 36, 37, элемент 29 ИЛИ. Устройство также содержит блок 31 блокировки при ОАПВ, элемент 38 НЕ, реле 39, 40, 41 положения «включено», исполнительный орган 42, выключатели 43, 44, 45.
Устройство работает следующим образом.
В режиме симметричной нагрузки при первом вычитании векторов токов фаз А, В, С в элементах 5, 6 и 7 получаются следующие разности:
1нАВ = 1.НА LнВ, 1нВС. = 1.НВ [нС^ [нСА = 1нС. [нА,
где ІНА, 1_НВ, 1НС — векторы тока нагрузки соответственно в фазах А, В, С.
Далее из текущей разности в элементах 11, 12 и 13 вычитаются разности векторов токов, соответственно І_НАВ , [НРВС , іНєА - которые были в предыду-
щем режиме, в данном случае за 0,1 с до измеряемой текущей разности (0,1 с — время задержки элементов 8, 9, 10) и в режиме без двухфазного КЗ:
I = I -1 = I -1 - (І -1 ) = I
І-АВ !-НЛВ !-НЛВ І-НА -НВ I —НА —НВ‘ 1нб '
IВС іНВС ЬнВС Lнв Lнc (I-НВ Lнc) їнб ,
I = I - I
!-НСА —НС —НА
(I- Н
где 1нб — ток небаланса при максимальном рабочем токе нагрузки линии или при ее самозапуске.
Затем производится векторное вычитание полученных разностей в вычитателях 15, 16 и 17:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012
Рис. 1. Устройство для резервной защиты линий
I _ I = Ґ I _ I = I I _ I = I
Lbc Lab 1 нб ' Lca Lbc 1 нб ' Lab Lca 1 нб <
(З)
где 1н6 — ток небаланса, равный (0,1 ... 0,2)•1НМ.
Поэтому для измерительных органов, предназначенных для действия при двухфазном КЗ, ток срабатывания защиты:
(4)
где КОТС — коэффициент отстройки, равный 1,2.
При двухфазном КЗ за трансформатором ответвления токи, протекающие через трансформаторы тока (ТТ) резервной защиты линии, оказываются значительно меньшими, чем — ^м, и она продолжает нести нагрузку. В результате, например, при КЗ между фазами В и С, через ТТ фаз А, В, С протекают токи:
IК = Н - IК , іК = !ш - IК , 1К = 1КНС + 2 ■ ІК , (5)
где — ток короткого замыкания.
На выходе элементов 5, 6, 7 имеем:
IК =иК -1 )-(I К -1 ) =
—НАВ У-НА -К/ V- НВ —К!
= (1 На - .СНнатр)-(1 Нв - Iштр),
IНвс =! Нв - Iк )-(!Нс + 2 ■ IК ) =
= ([ А _ IН \_([А _ IН )_ о г
\і- НВ I НВ ТР / НС I НС ТР / 3 IК '
IНса = (£ Не + 2■ IК)-(!На -1К) =
= (IА - тН \-(гА - тН ) + 3 т
^-НС —НС ТР) \І-НА -НА ТР ' ~ ° Lк^
где іДА, іДВ , IДС — векторы токов нагрузки доава-рийного режима в фазах А, В, С; I’НАТР , іНВТР , іНС ТР — векторы токов нагрузки в фазах А, В, С в
доаварийном режиме трансформатора, на котором произошло КЗ. На выходе вычитателя ІІ имеем:
I = Iк _ IПР = (I а _ IИ )_
Lab Lhab Lhab \Lha Lhatp/
_(i а _ IИ )_(i а _ IИ ) = IИ _ IИ М-ив Lhb tp ) V-ИА Lhb/ Lhbtp Lhatp •
Аналогично на выходах элементов І2 и ІЗ:
I = Iк _ Iпр = _3I + IИ _ IИ
Lbc Lhbc Lhbc _к ^ Lhctp Lhbtp '
I = Iк _ Iпр = _3I + IИ _ IИ Lca Lhca Lhca 'JLк T Lhatp Lhctp •
На выходе элемента І5 получаем:
Lbc Lab ^Lк 1 Lhctp Lhbtp Lhbtp Lhatp
= _3I _3IИ
_к ^ Lhbtp '
Аналогично на выходах элементов Іб и І7:
fCA _ LВС = бі к _ 3I-HCTP , L АВ _ LCA = 31 к - 31
И
LИАТР .
Полученные на выходе элементов 15, 16, 17 величины, каждая в отдельности, сравниваются в блоке 18 с током 1СЗ, и, если хотя бы одна из них больше 1СЗ, на выходе блока 14 появляется сигнал. Начинает работать элемент 30 и через выдержку времени t1 подает логическую «единицу» на элемент 36, на другом входе которого сигнал уже присутствует. Исполнительный орган 42 отключает выключатели 43, 44 и 45.
Если КЗ трехфазное, то на входах схемы 22 возникает разность напряжений, так как на первом входе сигнал увеличился, а на втором элемент 20 задерживает увеличение сигнала на время t2=tС З+2Дt ^СЗ — время самозапуска электродвигателей; Дt — время запаса). Соответственно, при самозапуске на входе элемента 22 сигнал отсутствует, а при корот-
/
[С.З. = кОТС ' 1 нб
ком замыкании — присутствует и запускает элемент 24, который через время Дt подает сигнал на элемент 35, на другой вход которого сигнал был подан при включении линии в работу.
Если двухфазное КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора ответвления переходит в трехфазное, то через tВКЛ>(0,1 ... 0,2) с, определяемое отстройкой от разновременного включения выключателей фаз, срабатывает элемент 25. При этом элемент 27 запоминает сигнал и подает его на логический элемент 28 И, на другой вход которого сигнал поступает от 23. Элемент 28 подает сигнал на элемент 29, и через время работы элемента 30 защита срабатывает. Через время t3=t2+Дt элемент 26 стирает память. Отстройка схемы 23 производится по току нагрузки трансформатора ответвления с наибольшей мощностью.
При отключении релейной защитой выключателя одной из фаз и неуспешных ОАПВ на соответствующем входе, а следовательно, и на выходе элемента 37 сигналы исчезнут. Не будет сигнала и на выходе элемента 36. Таким образом, действие защиты при двухфазных КЗ блокируется. Если, например, отключился выключатель 43, то элемент 4 переключает схему 22 на элемент 3, чтобы при этом работа схемы 22 не блокировалась, сигнал с выхода элемента 37 инвертируется элементом 38, и через время t4 (времена работы элементов 32 и 33 одинаковы, t4=t5= = З+3ДЦ сигнал с 22 подается на отключение выключателей фаз линии через элемент 34 И. Для исключения срабатывания схемы 22 при включении линии, действие которой блокируется с помощью элемента 32 ВРЕМЯ, если включаются все три фазы, и с помощью элемента 33, если две.
Коэффициент КЧ чувствительности, которым характеризуется чувствительность защит, определяется но общеизвестной формуле (для резервных защит КЧ= 1,2):
(6)
где ^ — ток в реле при КЗ; ICP — ток срабатывания реле.
Ток в реле будем рассматривать при крайнем случае, когда вектора ^ и находятся в противофазе.
^ и ICр определяются по следующим формулам:
Из (6) и (7), после простых преобразований, получим минимальный ток КЗ, на который реагирует устройство:
1
1 = —■ К ■ К ■ 1У + 0 5 ■ 1
1К,З,МИН п 1кОТС 1КЧ 1НТР .
6
При изменении 1НТР в пределах (0,05 — 0,3) ^1НМ и
^ = -0,2 м имеем:
1Г
н=(0,07 ... 0,2КНм.
Таким образом, при малой мощности трансформаторов на ответвлениях защита способна отключать токи 1К д мин£0,071н,м-
Следовательно, устройство реагирует на токи короткого замыкания, значительно меньшие максимального тока нагрузки линии, и поэтому чувствительнее, чем известные.
Библиографический список
1. Пат. 2261509 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 3/26. Устройство для резервной защиты линии с ответвлениями / Клецель М. Я., Никитин К. И., Таронов К. С., Гибадулина В. Ш. ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. — № 2004111389/09 ; заявл. 14.04.04 ; опубл. 27.09.05, Бюл. № 27. - 7 с.
Г = GI КЗ 3IHTP Г = КОТСI нб
IР — •ГСР —
(7)
НИКИТИН Константин Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.
ЗАЙЦЕВА Наталья Михайловна, кандидат технических наук, профессор кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Инновационного Евразийского университета, г. Павлодар.
КЛЕЦЕЛЬ Марк Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (ПГУ).
ТАРОНОВ Константин Сергеевич, аспирант кафедры «Автоматизация и управление» ПГУ.
СИДОРОВ Олег Алексеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Омского государственного университета путей сообщения. Адрес для переписки: nki@ngs.ru
где 1НТР — ток нагрузки трансформатора, на котором произошло КЗ; птт — коэффициент трансформации ТТ.
Статья поступила в редакцию 26.12.2011 г.
© К. И. Никитин, Н. М. Зайцева, М. Я. Клецель, К. С. Таронов, О. А. Сидоров
п
п
тт
тт
Книжная полка
Новожилов, О. П. Электротехника и электроника : учеб. для вузов по направлениям 230100 (654600) «Информатика и вычислительная техника» для бакалавров / О. П. Новожилов. - М. : Юрайт, 2012. - 652 с. - ISBN 978-5-9916-1450-4.
Излагаются базовые вопросы теории линейных и нелинейных цепей, основы полупроводниковой электроники и общие принципы построения различных функциональных узлов аналоговой, импульсной и цифровой электроники. Представленный материал в равной мере отражает обе части дисциплины «Электротехника и электроника» с учетом современных тенденций развития технических средств и широкого использования вычислительной техники при их проектировании и разработке. В учебник включены новые научные результаты, полученные и опубликованные автором. К ним относится материал, касающийся вопросов теории нелинейных цепей (методы идентификации, реактивные многополюсники, принцип обратимости), а также по предложенным автором синтезированным нелинейным реактивным элементам и их применению.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
