CC BY
33
УДК 621.314
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-110-116
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РОГОВСКОГО В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ И РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Т.Е. Минакова, Ю.А. Кузнецова
Рассмотрены преимущества использования преобразователей тока типа «Петля Роговского» в качестве датчиков тока в системе релейной защиты электрооборудования. Предлагается использование преобразователей типа «Петля Роговского» в системе дифференциальной защиты высоковольтного силового трансформатора, построена модель виртуальная модель системы. Рассмотрено использование датчиков тока типа «петля Роговского» в дифференциальной защите силовых высоковольтных трансформаторов. По результатам моделирования построена зависимость разности вторичных токов от небаланса сигналов сторон дифференциальной защиты. На основе выполненного моделированияи анализа работы преобазователей тока типа «Петля Роговского», выполненных в статье предлагается способ выполнения дифференциальной защиты и определения ее уставки. Результаты исследования показывают увеличений чувствительности дифференциальной защиты, выполненной на основе преобразователей тока типа «Петля Роговского» по сравнению с защитой на традиционных трансформаторах тока. Предлагается формула для расчета уставки по току для дифференциальной защиты с использованием преобразователей типа «петля роговского» в качестве датчиков тока.
Ключевые слова: датчики тока, электроэнергетические системы, дифференциальная защита, проектирование.
Одним из актуальных вопросов, связанных с проектированием и эксплуатацией систем релейной защиты электротехнических комплексов, является вопрос о возможности насыщения трансформатора тока в области верхних границ токов короткого замыкания. Насыщение датчиков тока (трансформаторов тока) приводит к увеличению их погрешности, что, в свою очередь, требует достаточно сложной проверки попадания в область 10 % погрешности при расчете уставок каждого вида защит, уменьшает чувствительность защит, и даже может привести к ложным срабатываниям или, наоборот, не срабатываниям защит в аварийных режимах. Кроме того, уровни сигналов вторичных цепей трансформаторов тока слишком велики для релейных защит, выполненных на микропроцессорных терминалах, а соответственно, требует дополнительной установки промежуточных трансформаторов. Поэтому в настоящее время проявляется тенденция замены трансформаторов тока на другие виды токовых датчиков [1]. Наиболее перспективным из возможных альтернатив представляется воздушный трансформатор или петля (пояс) Роговского. С 2007 года действует стандарт IEEE C37.235-2007, который содержит руководящие указания по применению катушек Роговского, что расширяет возможности их использования в системах релейной защиты [2].
Основная часть. Необходимость исследований датчиков тока подтверждает разрабатываемый международный стандарт (IEC 61869-13) в котором определяются требования современных систем измерения, автоматики и релейной защиты к датчикам тока (конструкции, параметрам, погрешности преобразования, условиям эксплуатации). Разработка и введение новых стандартов показывает актуальность использования петли Роговского, повышает доверие к датчикам такого типа со стороны производителей и требует исследований возможности использования петли Роговского в структуре систем противоаварийной автоматики и релейной защиты а также параметров и характеристик их вторичных цепей.
В конструкции петли Роговского отсутствуют ферримагнитные сердечники, которые определяют процесс насыщения электротехнической стали. В случае использования в качестве датчиков петли Роговского намагничивание происходит по линейному закону, без насыщения. Диапазон измерения первичных токов петли Роговского определяется только диаметром измерительной петли датчика и номинальным значением тока в измеряемой цепи. Таким образом, преобразование первичных токов в сигналы вторичных цепей (цепей релейной защиты и автоматики) происходит по линейному закону. Датчик на основе катушек Роговского не содержит и других нелинейных элементов в своей конструкции, поэтому линейность преобразования измеряемых сигналов гарантирована во всем диапазоне. Особенно это актуально в системах дифференциальных защит, где для снижения влияния насыщения датчиков тока на их функционирование использовались дополнительные устройства, например, быстронасыщающи-еся трансформаторы (БНТ), либо разрабатывались специальные виды защит (дифференциальная защита с торможением).
Фазовый сдвиг выходного сигнала также является достаточно важным параметром преобразования сигнала, который вычисляется в микропроцессорных устройствах релейной защиты и автоматики (РЗА) на основе сигналов от датчиков тока и напряжения. Петля Роговского, в отличие от, например трансреактора, не дает дополнительных фазовых сдвигов и является идеальным решением данной проблемы. Однако, фазовый сдвиг может произойти при усилении и нормировке сигнала в цепи интегратора. При разомкнутой пели Роговского фазовый сдвиг равен нулю, а при переходе в рабочий режим интегратор вносит фазовый сдвиг. Однако, такое фазовое отклонение можно достаточно легко компенсировать либо использованием эквивалентной RLC-цепи, либо при помощи вычислений (цифровая компенсация фазового сдвига) [3].
Выходное напряжение петли Роговского является масштабированной производной по времени dii(t)/dt первичного тока. При использовании устройствами релейной защиты и автоматики аналоговых входных сигналов необходима дополнительная обработка параметров получаемых от петли Роговского, а микропроцессорные реле, наоборот, имеют элементы конструкции, преобразующие сигналы разного типа (тока и напряжения) к одному виду, чаще всего - напряжению. Примером может служить микропроцессорные реле типа БМРЗ имеющие в своем составе устройства ПТН (преобразователи ток-напряжение) [4].
Обмотки петли Роговского представляют из себя многослойные печатные платы из немагнитного материала, поэтому взаимоиндукция между вторичной и первичной обмотками петли Роговского очень слаба и возможно значительное искажение сигнала внешними электромагнитными полями. Следовательно, для использования петли Роговского в качестве датчиков тока необходимо выполнение условий:
• местоположение первичного проводника в витке вторичной обмотки петли не должно влиять на выходной сигнал датчика;
• внешние электромагнитные поля, создаваемые близко расположенными проводниками с током, не должны оказывать влияния на сигнал вторичной обмотки.
Конструктивно возможно подключение петли Роговского к микропроцессорному терминалу релейной защиты экранированной витой парой, что обеспечивает достаточную простоту установки и предупреждает от ошибок при монтаже оборудования. С точки зрения безопасности уровень выходного сигнала петли Роговского является достаточно низким, поэтому использования клеммных блоков не требуются. При размыкании вторичной обмотки напряжение не увеличивается. Суммирующий блок осуществляет сложение электрических сигналов от двух секций катушки Роговского и суммарный сигнал передается в реле защиты по оптоволоконному кабелю.
Величина фазового угла низковольтного выходного сигнала петли Роговского (угол между первичным током и вторичным напряжением) составляет 90°. При проектировании систем релейной защиты и автоматики необходимо учитывать это значение фазового угла [5].
Использование преобразователей тока в дифференциальной защите силовых трансформаторов может повысить чувствительность защиты, открывает возможность отказаться от применения дифференциальной защиты с тормозной характеристикой, которая достаточно сложно реализуется с микропроцессорных реле, и определять вит-ковые замыкания в трансформаторе [6]. Моделирование пояса Роговского производилось в среде электронной виртуальной лаборатории Мультисим. Характеристики моделируемого объекта (петли Роговского) приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные параметры^моделируемого датчика тока_
Параметр Значение
Сопротивление 1,1 Ом
Емкость 6 пФ
Индуктивность 72,2 нГн
Количество витков 160
Расстояние между витками 0,5 см
Диаметр провода 1 мм
Диаметр кольца 100 см
Схема вторичных цепей дифференциальной защиты трансформатора приведена на рис. 1. Схема представлена в однофазном исполнении, и содержит датчик токи тока с двух сторон силового трансформатора, и реле, включенное на разность напряжений (токов).
и
Рис. 1. Вторичные цепи дифференциальной защиты трансформатора
на основе петли Роговского
В соответствии с паспортными данными моделируемой петли Роговского каждое изменение первичного тока на 1 А приводит к пропорциональному изменению вторичного напряжения датчика на 0,05 mV. Принимая средний ток короткого замыкания (КЗ) в сети 110 кВ порядка 10 кА, выполним моделирование сигнала датчика тока со второй стороны силового трансформатора. Полученные значения приведены в табл.2.
Таблица 2
Результаты моделирования параметров схемы дифференциальной защиты
VI, В VI, В Цдз, мВ 1яз, мА
1 0,5 92,591 185,183
1 0,8 37,037 74,073
1 0,9 18,518 37,037
1 0,92 14,815 29,629
1 0,95 9,259 18,518
1 0,98 3,704 7,407
1 1,01 1,852 3,704
1 1,03 5,555 11,11
1 1,05 9,259 18,518
1 1,1 18,518 37,037
Модель вторичных цепей дифференциальной защиты силового трансформатора позволила получить зависимость тока реагирующего органа ^3 схеме) от разности вторичных напряжений преобразователей Роговского на высокой и низкой сторонах трансформатора. Вторичные напряжения изменялись пропорционально протекающему через первичные цепи токам первичной и вторичной обмоткам силового трансформатора. По результатам модерирования построены графические зависимости напряжения реагирующего органа от разности первичных токов сторон силового трансформатора (и, соответственно, вторичных напряжений преобразователей Роговского) (рис. 2).
100 90
80 70
60
50 40
30 20
10
ли, В
-0,2 -0,1 О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Рис. 2. Зависимость напряжения реле от небаланса сигналов сторон
дифференциальной защиты
Результаты моделирования показывают, что даже при отклонения токов сторон высшего и низшего напряжений силового трансформатора в 1 % напряжение реагирующего органа релейной защиты достаточно для фиксирования повреждения в первичной цепи. Таким образом, при расчете тока срабатывания дифференциальной защиты необходимо отстраивать от погрешности терминала микропроцессорного реле и работы устройства РПН. Предлагается определять уставку по току в соответствии со следующим условием (1):
Тез = Котс(5 +(АЦ/ином)/2)-/раб.мах , (1)
где Котс — коэффициент отстройки, предлагается принять с запасом равным 1,2; 5 - погрешность аналого-цифрового преобразования микропроцессорного реле, в большинстве современных реле равно не более 5%; Аи/2 - половина диапазона регулирования РПН; /раб.мах - максимальный рабочий ток первичной цепи.
Ток срабатывания защиты в соответствии с формулой (1) составит 0,2 ^ 0,25
/ном.
Таким образом, имея коэффициент трансформации петли Роговского 0,05 мВ/А, даже при номинальных токах порядка 100 А, на выходе преобразователя Роговского получаем напряжение порядка 0,05 В. При аварийных токах (токах КЗ) уровень сигнала значительно увеличивается [7]. Дифференциальной сигнал (разницу величин сигналов начала и конца защищаемой зоны) можно установить в соответствии с формулой (1), причем, без торможения уставки дифференциального сигнала благодаря отсутствию насыщения (линейности выходной характеристики) [8]. Моделирования дифференциальной защиты показало, что уставки порядка 0,2 ^ 0,25 от номинального тока более чем достаточного для уверенного срабатывания дифференциальной защиты, при этом чувствительность защиты так высока (коэффициент чувствительности более 10), что не требуется проверки и определения коэффициента чувствительности. Использование преобразователя Роговского позволяет повысить чувствительность дифференциальной защиты, упростить методику расчета параметров срабатывания, повысить надежность срабатывания и отстроится от ложных срабатываний при высоких
уровнях токов короткого замыкания.
Первая дифференциальная защита электроэнергетической системы высокого и сверхвысокого напряжения была разработана для батареи конденсаторов в 2012 году. В системе релейной защиты были применены катушки Роговского (мощность БК 30 Мвар, наибольшее рабочее напряжение 60 кВ, схема звезда-звезда). Для этой реализации этой системы датчики установлены в каждом плече трехфазной батареи конденса-торов[9].
Так как датчики типа пояс Роговского не проектируются для работы с уровнем высоких и сверхвысоких напряжений, для работы на уровне испытательного напряжения 350 кВ датчики подключались ко вторичным цепям релейной защиты через систему оптических кабелей [10]. Значения дифференциальных токов при такой схеме подключения, полученные в результате пусконаладочных работ, составили примерно 0,2 А и показали симметричность системы. Таким образом, на примере этого комплекса релейной защиты и автоматики была подтверждена возможность использования пояса Роговского в качестве датчика тока для основных защит высоковольтного оборудования и обеспечения стойкости сигнала к электромагнитным помехам. Установленные комплексы доказывают перспективность использования преобразователей типа петля Роговского в дифференциальных защитах.
Заключение. Дифференциальная защита трансформатора, выполненная на основе датчиков Роговского, позволяет уверенно фиксировать дифференциальный ток от 1 % номинального, что обеспечит чувствительную дифференциальную защиту и, возможно, будет достаточно для определения витковых замыканий в трансформаторе, соответственно работы защиты на сигнал при обнаружении такого вида повреждений.
Список литературы
1. Смирнов В.В., Кавун А.И. Сравнительный анализ волоконно-оптических преобразователей тока и напряжения и электромагнитных измерительных трансформаторов //Энергетические установки и технологии. 2018. Т. 4. С. 92-95.
2. EEE C37.235-2007. IEEE Guide for the Application of Rogowski Coils Used for Protective Relaying [Электронный ресурс] URL: https://www.techstreet.com/standards/ieee-c37-235-2007?product id=1745666 (дата обращения: 10.02.2022).
3. Фесенко М.Е., Скорик В.Г. Катушка Роговского как альтернативный измерительный орган в релейной защите // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2021. Т. 2. С. 63-67.
4. ДИВГ.648228.080-04.01 РЭ1. Блок микропроцессорный релейной защиты БМРЗ-ТД-01. Руководство по эксплуатации. Часть 2. СПБ, НТЦ "Механотроника". 2019. 57 с.
5. Лебедев В.Д, Яблоков А.А., Нестерихин А.Е. Исследование погрешностей измерения тока поясом Роговского на основе математического и физического моделирования // Вестник ИГЭУ, г. Иваново. 2013, вып. 6. С.30-34.
6. Сычев Ю.А. Проблемы разработки интеллектуальных систем электроснабжения на предприятиях минерально-сырьевого комплекса / Ю.А. Сычев, М.С. Коваль-чук и др. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. №8. С. 273-283.
7. Устинов Д.А., Абрамович Б.Н. Повышение эффективности применения систем электроснабжения // Сборник трудов конференции «Современные образовательные технологии в подготовке специалистов для минерально-сырьевого комплекса», СПб. 2018. С. 992-997.
8. Сычев Ю.А., Ковальчук М.С., Сериков В.А., Алдашов А.А., Пастухова А.А. Проблемы разработки интеллектуальных систем электроснабжения на предприятиях минерально-сырьевого комплекса // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 8. С. 273-283.
9. Костин В.Н., Кривенко А.В., Сериков В.А. Моделирование несинусоидальных режимов работы систем электроснабжения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 7. С. 394-405.
10. Гульков Ю.В., Турышева А.В., Войтюк И.Н. Повышение надёжности электроснабжения насосных станций в условиях объектов малоэтажного строительства // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 5. С. 467-473.
Минакова Татьяна Евгеньевна, канд. тех. наук, доцент, minakova_te@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Кузнецова Юлия Николаевна, студент, kuznetsova-vuliya01@yandex.ru; Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
USE OF ROGOWSKI TRANSDUCERS IN AUTOMATION AND RELAY PROTECTION SYSTEMS OF ELECTRO-ENERGY SYSTEMS
T.E. Minakova, J.N. Kuznetsova
The advantages of using current converters of the Rogovsky Loop type as current sensors in the relay protection system of electrical equipment are considered. The use of converters of the "Rogovsky Loop" type in the differential protection system of a high-voltage power transformer is proposed, a virtual model of the system is constructed. The use of current sensors of the "Rogovsky loop" type in differential protection of high-voltage power transformers is considered. Based on the simulation results, the dependence of the secondary current difference on the unbalance of the signals of the differential protection sides is constructed. Based on the performed modeling and analysis of the operation of the "Rogovsky Loop" type current converters, performed in the article, a method for performing differential protection and determining its setpoint is proposed. The results of the study show an increase in the sensitivity of differential protection made on the basis of current converters of the "Rogovsky Loop" type compared with protection on traditional current transformers. A formula is proposed for calculating the current setpoint for differential protection using converters of the "Rogovsky loop" type as current sensors.
Key words: current sensors, electric power systems, trim-social protection,
design.
Minakova Tatyana Evgenievna, candidate of technical sciences, docent, minako-va_te@pers.spmi.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University,
Kuznetsova Julia Nikolaevna, student, vuliva01@vandex.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University
