Фазочувствительный орган релейной защиты на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем

Коробейников Борис Андреевич; Радионов Владислав Михайлович; Сидоров Дмитрий Игоревич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.316.925.4

ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ НА ОСНОВЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Кубанский государственный технологический Kuban State Technological

университет, г. Краснодар University, Krasnodar

Рассмотрены теоретические вопросы построения фазочувствительных органов релейной защиты, выполненных на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Предложен вариант практической реализации фазочувствительного органа с заданными характеристиками на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Ключевые слова: релейная защита; реле направления мощности; фазочувствительный орган; однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем.

The theoretical problems of constructing phase-sensitive detectors of relay protection, made on the basis of single-phase transformers with a rotating magnetic field are considered. A variant of the practical implementation ofphase-sensitive detector with given characteristics on the basis of single-phase transformers with a rotating magnetic field is proposed.

Keywords: relay protection; directional-power relay; phase-sensitive detector; single-phase transformers with a rotating magnetic field.

Фазочувствительные органы (ФЧО) находят применение в направленных органах релейной защиты (РЗ) электрических сетей. Предлагаемый ФЧО является измерительным органом (ИО) РЗ с двумя подведенными электрическими величинами, работа которого основана на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению. Вопросы построения таких ИО широко представлены в работе [1]. Аналогичные по принципу работы ИО применяются в дистанционных органах РЗ линий электропередач. Недостатком существующих ИО с двумя подведенными электрическими величинами, использующих принцип сравнения по абсолютному значению, является снижение точности их работы из-за наличия пульсаций на сравнивающем элементе. Пульсации обусловлены тем, что сравниваются выпрямленные напряжения либо токи, фазы которых не совпадают. Для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителей устанавливают сглаживающие конденсаторы и фильтры, настроенные на вторую гармонику основной частоты [2]. Необходимо отметить, что без указанных фильтров точность работы ИО существенно снижается. Однако увеличение точности работы путем применения фильтров имеет и отрицательные стороны - снижается быстродействие ИО из-за переходных процессов на емкостных и индуктивных элементах. Указанный недостаток может быть в значительной степени устранен применением многофазного выпрямления вме-

сто однофазного. Получение многофазной системы напряжений из однофазного напряжения и тока в устройстве возможно с применением трансформаторов специальной конструкции - однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ОТВП) [3]. ОТВП представляет собой многофазный трансформатор, имеющий магнитопровод, конструктивно подобный магнитопроводу статора электрической машины, первичные обмотки, служащие для получения вращающегося магнитного поля, и многофазные вторичные обмотки для формирования многофазной системы напряжений. Первичные обмотки ОТВП выполнены таким образом, чтобы при изменении амплитуды подведенного тока или напряжения симметрия вращающегося магнитного поля не нарушалась.

Функциональная схема устройства представлена на рис. 1. К входу ФЧО подводятся напряжение и ток от трансформаторов напряжения и трансформаторов тока защищаемого присоединения. Подводимые к ФЧО величины можно записать в следующем виде:

u = Um sin(юt);

I = Imsin(юt + у).

В устройстве имеются два ОТВП, для преобразования тока - ОТВП (/'), для преобразования напряжения - ОТВП (ы). Каждый ОТВП осуществляет преобразование подведенной величины как по амплитуде,

так и по фазе. На входе выпрямителей VI, VI формируются многофазные системы напряжений е1п, е2п в соответствии с соотношениями:

e11 = ^ Umsin(ra t + фп) + k 2 Im sin(ra t + у + ф21) e12 = k1 Um sin(ro t + Ф12) + k2 ImSin(ro t + У + Ф22)

e1n = k1UmSin(rat + Ф1п ) + k2 ImSin(rot + У + Ф2п ).

e21 = k3Umsin(rat + ф31) + k4 Imsin(rat + у + ф41) e22 = k3Umsin(rat + ф32) + k4 Im sin(rat + у + ф42)

e2n = k3 Um Sin(ro t + ф3п ) + k4 Im Sin(ro t + У + ф4п )

ф11 =ф1 +81 ф12 =ф1 + 82

ф1п = Ф1 + 8n

ф21 =ф2 +81 ф22 =ф2 +82

ф2п =ф2 +8n

ф31 =ф3 +81 ф32 =ф3 +82

ф3п =ф3 +8n

Q

u = Um sin(rat) ->-

i = Imsin(<D/ + у) -

ОТВП (i)

; (1)

(2)

(3)

(4)

Ф41 =Ф4 +81 Ф42 =Ф4 +82

Ф4п =Ф4 +8п

где п - число фаз вторичных обмоток; 8 - угол сдвига фазы каждой из вторичных обмоток. Коэффициенты Ъ1, kз, ^ учитывают преобразование входных величин по амплитуде, фь ф2, ф3, ф4 - по фазе.

Многофазные системы напряжений е!П, е2п выпрямляются многофазными выпрямителями VI, V2 и затем сравниваются по амплитуде органом сравнения, на выходе которого формируется сигнал о срабатывании или несрабатывании органа. Орган сравнения представляет собой нуль-индикатор, который может быть выполнен на базе полупроводникового компаратора, электромагнитного или микропроцессорного устройства. Нуль-индикатор воздействует на выходное реле К.

Преобразуя выражения (1), (2), многофазную систему напряжений е1п, е2п можно представить в виде:

е11 =4+ k21Ш + C0S(Ф1 "Ф"Ф2) х

( ( ыт , и т ^.....Л А ^

х sin

rat+arctg

k1UmSm>i + k2-^mSin(y ~ ф2 )

k1Um C0S ф1 + k2cos(y — ф2 )

+ 8,

; jj

-№U2m + k2 I2m + 2k1k2UmIm COs(Фl "У"ф2)

(

xsin

rat+arctg

( k1UmsinФl + k2sin(y_ ф2^ ^ ^

k1Um C0S Ф1 + k2cos(y — Ф2 )

+ 82 j j

e1n = VkUm + k22l2m + 2k1k2UmIm COs(Фl " У " Ф2 ) X

(

х sin

rat +arctg

( k1UmsinФl + k2^^(У-Ф2!» ^ ^

k1Um C0S Ф1 + k2cos(y — Ф2 )

+8

ОТВП (u) m ■ , t я N

V ' kiUmsin(rat + Ф1 +8B)

V1

DA

k3Umsin(rat + Ф3 + 8n )

Л 1n

o-

k2Imsin(rat + у + ф2 +8n )

k4Imsin(rat + у + ф4 +8n )

K

V2

+ >->-

Рис. 1. Функциональная схема ФЧО

х

e

e21 =4klUl + k4l2m + 2k3k4UmIm C0s(9s - V - Ф4) X

х sin

(rot + arctg

Г k3UmSinФз + k4ImSin(V^4)

У У

4k3Um C0S Ф3 + k4Im

e22 =^3^1+^11+2k3k4Um^ГCOS(ф3^V^ф4)

х sin

rot+arctg

^ k3UmSi^3 + k4ImSin(V^4) ^ ^

k3Um C0s Ф3 + k4Im cos(V — Ф4)

+ 5ч

(

х sin

rot+arctg

( k3UmSinФз + k4Imsin( V ~ Ф4 ) k3Um C0s Ф3 + k4^ cos(V — Ф4 )

Л 1 + 5

Определим характеристику срабатывания ФЧО в плоскости (X, Я)

^ = 4~K

2 + X 2 .

-k3k4np^ -Ф4)) = 0.

(15)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 2. Характеристика ФЧО в комплексной плоскости

Анализируя выражение (5), можно сделать вывод, что для этого должны выполняться следующие условия:

(6) (7)

k12 - k32 = 0;

k2 k4 — 0 .

В случае выполнения условий (6), (7) уравнение граничной линии срабатывания ФЧО в плоскости (X, Я) запишется как

X —

^сов(Ф3 -Ф4) - cos^ -Ф2) ^

sin(фl -Ф2) - sin(фз -Ф4)

R;

Ф — arctg

rcos^ -Ф4) - cos(фl -Ф2) Л sin(Фl -Ф2) - sin(фз -Ф4)

(8)

(9)

Поскольку в ФЧО величины е1п, е2п сравниваются по амплитуде, граница срабатывания ФЧО будет определяться равенством |е!п| = |е2п|. Величины |егп|, |е2п| формируются с минимальными пульсациями за счет многофазного выпрямления. С учетом выражений (3), (4) граничное условие срабатывания ФЧО имеет следующий вид:

(Я2 + X2)(^2 -k2) + -k42) + 2Я(^2 со8(ф1 -ф2)--^4со8(ф3 -ф4)) + 2Х(k1k2sin(ф1 -ф2)-

где ф - угол наклона характеристики срабатывания реле к оси Я.

Полученное выражение показывает, что коэффициенты трансформации ОТВП при выполнении условий (6), (7) не оказывают влияния на работу ФЧО. Характеристика ФЧО в плоскости (X, Я) зависит от взаимных фазовых сдвигов вторичных обмоток ОТВП ф1 - ф2, ф3 - ф4, определяемых расположением обмоток и схемой их соединения. Примем следующие соотношения:

ф1 -ф2 =а| фз-ф4 =Р]

Задачей синтеза характеристик ФЧО является определение фазовых сдвигов а, р для получения заданной характеристики в плоскости (X, Я).

Зададимся р=0, а значение а примем в качестве аргумента функции выражения (9), тогда получим:

Ф — arctg

cos(0) - cos(a) | а

sin(a) - sin(0)

2

(10)

Аналогично, принимая в качестве аргумента р и при этом принимая а = 0, получим

Ф — arctg

cos-11 _ ß

-sinß У 2

(11)

Граничная линия срабатывания ФЧО в плоскости (X, Я) должна представлять собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 2).

Выражения (10), (11) показывают возможность упрощения ФЧО за счет принятия любого из фазовых сдвигов равным нулю и элементарного расчета другого фазового сдвига, необходимого для получения заданного ф.

Пусть необходимо получить характеристику ФЧО, имеющую угол наклона 120 0 к вещественной оси. Для этого примем а = 0, а р = 240 о. Также необходимую характеристику можно получить, принимая р = 0, а а = 240о.

Пример практического выполнения принципиальной схемы ФЧО показан на рис. 3. На схеме ОТВП напряжения и токовый ОТВП имеют две одинаковые шестифазные вторичные обмотки 1, 3 и 2, 4 соответственно. Идентичность вторичных обмоток каждого из трансформаторов обеспечивает выполнение условий (8), (9). Обмотки 1 и 2 соединены таким образом, чтобы фазовый сдвиг а равнялся нулю. Это достигается тем, что каждая из шести фаз обмотки 1 соединена последовательно с одноименной фазой обмотки 2. Обмотки 3 и 4 соединены таким образом, чтобы фазо-

X

вый сдвиг р равнялся 240 °, что достигается соединением каждой фазы обмотки 3 с фазой обмотки 4 сдвинутой на угол 240 °. Например, фаза а обмотки 2 соединена последовательно с фазой е обмотки 4.

Сформированные на последовательно соединенных шестифазных обмотках 1, 2, 3, 4 напряжения выпрямляются 12-пульсными выпрямителями VI, V2. Для обеспечения 12-пульсного выпрямления приняты следующие сдвиги фаз между обмотками:

Si = 0°

§2 = 30°

S3 = 120°

§4 = 150°

§5 = 240°

§6 = 270°

Конденсатор С выполняет сглаживание незначительных пульсаций выпрямленного напряжения, емкость его невелика и не оказывает существенного влияния на быстродействие устройства в переходных режимах.

Особенности конструкции ОТВП накладывают ограничения на возможность задания произвольных углов ф для ФЧО (угол может быть задан дискретно с определенным шагом) из-за того, что вторичные обмотки расположены в пазах магнитопровода, имеющих определенный шаг. Указанный недостаток может быть преодолен при помощи специальных конструктивных решений.

Поступила в редакцию

Рис. 3. Схема ФЧО

ФЧО на основе ОТВП могут применяться для построения реле направления мощности на полупроводниковой, электромеханической и микропроцессорной элементной базе.

Литература

1. Фабрикант В.Л. Основы теории построения измерительных органов релейной защиты и автоматики. М., 1968. 268 с.

2. Шнеерсон Э.М. Полупроводниковые реле сопротивления. М., 1986. 144 с.

3. Пат. 2333562 РФ Однофазный трансформатор вращающегося поля / Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров (РФ). 5 с.

22 марта 2010 г.

Коробейников Борис Андреевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», Кубанский государственный технологический университет.

Радионов Владислав Михайлович - ассистент, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий», Кубанский государственный технологический университет. Тел. +7(928) 207-29-66. E-mail: [email protected]

Сидоров Дмитрий Игоревич - старший преподаватель, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий», Кубанский государственный технологический университет. Тел. +7(961) 585-38-70. E-mail: d.i. sidoroff@gmail. com

Korobeynikov Boris Andreevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Electrical Supply of Industrial Enterprises», Kuban State Technological University.

Radionov Vladislav Mikhailovich - assistant, department «Electrical Supply of Industrial Enterprises», Kuban State Technological University. Ph. +7(928) 207-29-66. E-mail: [email protected]

Sidorov Dmitry Igorevich - senior lector, department «Electrical Supply of Industrial Enterprises», Kuban State Technological University. Ph. +7(961) 585-38-70. E-mail: [email protected]

Текст научной работы на тему «Фазочувствительный орган релейной защиты на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем»