CC BY
37
УДК 621.3.084.2;621.316.925
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ШИН
Ю.А. АНДРЕЕНКО*, И.А. БОГОДАЙКО*, Г.Е. КУВШИНОВ**, А.С. ЗИНКЕЕВА***, А.Н. КОЗЛОВ***, Ю.В. МЯСОЕДОВ***
*ОАО «Дальневосточная распределительная сетевая компания», г. Благовещенск ** Дальневосточный государственный технический университет, г. Владивосток ***Амурский государственный университет, г. Благовещенск
Показано, что использование дифференцирующих индукционных преобразователей тока в качестве датчиков в дифференциальной защите шин позволяет, в зависимости от начального угла, соответствующего первому моменту короткого замыкания, обеспечить срабатывание защиты значительно быстрее, чем у схем с трансформаторами тока, вплоть до подачи сигнала на пусковые органы защиты одновременно с началом тока короткого замыкания, без запаздывания.
Ключевые слова: дифференцирующий измерительный преобразователь тока, дифференциальная защита шин, повышение быстродействия.
Дифференциальная защита шин (ДЗШ) предназначена для сокращения объёма тяжёлых последствий от коротких замыканиях на шинах. К числу наиболее характерных причин, вызывающих короткие замыкания на шинах, относятся: перекрытия шинных изоляторов и вводов выключателей; повреждения трансформаторов напряжения и установленных между шинами и выключателями трансформаторов тока; поломки изоляторов разъединителей и воздушных выключателей; ошибки обслуживающего персонала при переключениях в распределительных устройствах. Главными достоинствами ДЗШ являются быстрота действия, селективность и высокая чувствительность. Дифференциальная защита широко применяется для защиты шин в сетях 110, 220, 330, 500 и 750 кВ. В сетях более низкого напряжения дифференциальная защита шин применяется относительно редко.
Принцип действия ДЗШ основан на соблюдении первого закона Кирхгофа, согласно которому при произвольно выбранных положительных направлениях токов во всех ветвях электрической цепи алгебраическая сумма мгновенных значений токов ветвей, присоединённых к узлу, равна нулю. Тогда, при исправной изоляции системы (одно- или трёхфазной) шин и линий, сумма токов всех линейных проводов, подключённых к каждой из шин, равна нулю. Следовательно, неравенство нулю указанной суммы свидетельствует о низком сопротивлении изоляции между шинами или линейными проводами разных фаз. ДЗШ 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].
© Ю.А. Андреенко, И.А. Богодайко, Г.Е. Кувшинов, А.С. Зинкеева, А.Н. Козлов, Ю.В. Мясоедов Проблемы энергетики, 2011, № 7-8
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 ТТ достаточно больших полных погрешностей измерения токов. Такие погрешности, вызванные наличием вихревых токов в ферромагнитном сердечнике ТТ, а также гистерезиса и нелинейности в кривой намагничивания этого сердечника, быстро нарастают с ростом измеряемого тока и сопротивления нагрузки ТТ [2]. При внешних коротких замыканиях сердечники ТТ, 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 бы сработать с выдержкой времени и отключить точку короткого замыкания другая защита - токовая.
То, что недостатки дифференциальных защит вызваны наличием у ТТ железного сердечника, известно давно. Ещё в 40-е годы прошлого века успешно прошла опытную эксплуатацию такая дифференциальная защита шин, в которой в качестве измерительных преобразователей тока использовались устройства, не имеющие ферромагнитного сердечника [3-5]. Эти устройства, названные авторами такой защиты "linear couplers" (линейные ответвители), в соответствии с принятой теперь классификации измерительных преобразователей тока можно отнести к «дифференцирующим индукционным преобразователям тока» (ДИПТ). Они являются, как и ТТ, измерительными преобразователями трансформаторного типа и в нашей стране более известны под названиями: «воздушный трансформатор» или «трансреактор». За рубежом их называют катушками Роговского. Замечательной особенностью ДИПТ является то, что их масса в сотни и более раз меньше, чем у ТТ с теми же значениями первичного тока и вторичного напряжения [1, 2].
Это преимущество ДИПТ обусловлено тем, что ДИПТ работает в режиме, близком к холостому ходу. Его выходным сигналом является не ток вторичной обмотки, как у ТТ, а снимаемое с неё напряжение, пропорциональное производной измеряемого тока. Таким коэффициентом пропорциональности является взаимная индуктивность M между катушкой ДИПТ и токопроводом, который охвачен этой катушкой. Указанная особенность объясняет, почему ДИПТ, используемые в ДЗШ, имеют одинаковую взаимную индуктивность с соответствующими токопроводами линий и соединены в цепь с уравновешенными напряжениями. Для каждой фазы катушки ДИПТ, индуктивно связанные с токопроводами всех, без исключения, линий, которые подключены к защищаемым шинам, последовательно соединены друг с другом, а образованная этими катушками цепь подключена к реле защиты этой фазы. Все указанные катушки всех фаз расположены на тороидах, которые выполнены из немагнитного изоляционного материала. Эти тороиды насажены на соединительные втулки тех высоковольтных вводов выключателей указанных линий, которые отделены от защищаемых шин контактами этих выключателей. Такое расположение катушек, в непосредственной близости от заземлённого металлического корпуса выключателя, снижает вероятность попадания высокого напряжения шин на электрическую цепь измерительного устройства [6, 7].
Из первого закона Кирхгофа следует, что равна нулю и сумма производных токов всех линейных проводов, подключённых к каждой из шин. Поэтому при
нормальной работе сумма напряжений указанных катушек должна быть равна нулю, за исключением очень малой погрешности, обусловленной производственными отклонениями размеров катушек ДИПТ и их расположения по отношению к проводникам с измеряемыми токами. Ток в реле защиты практически отсутствует. Как только в зоне ДЗШ, расположенной между катушками ДИПТ, входящими в измерительное устройство ДЗШ, произойдёт короткое замыкание и появится ток, не измеряемый какой-либо катушкой из комплекта этого измерительного устройства, сумма напряжений на зажимах защитных реле перестаёт равняться нулю. Реле срабатывает и посылает сигнал на отключение выключателей питающих линий.
На рис. 1 показана однолинейная принципиальная схема предлагаемого измерительного устройства дифференциальной токовой защиты трёхфазной системы шин [8].
Ток i, проходящий по токопроводу высоковольтного ввода, наводит в катушке, охватывающей этот токопровод, ЭДС, мгновенное значение e которой пропорционально производной этого тока по времени t:
di
е = М—. dt
Для нормальных режимов трёхфазной системы шин, к которой подключены m линий с токами ij, и при внешних, за пределами точек установки ДИПТ,
коротких замыканиях имеет место следующее выражение: m di m
У М-^ = У е; = 0 (1)
^ dt J
j=1 J=1
При коротком замыкании какой-либо фазы в зоне действия дифференциальной токовой защиты шин от места повреждения пойдёт ток ik короткого замыкания. Этот ток не входит в число m токов, производные которых измеряются дифференцирующими индукционными преобразователями тока. По этой причине выражение (1) перестаёт быть справедливым. Оно заменяется другим:
m d;
у =М %=е,! ■
J=1
Таким образом, суммарное значение ЭДС всех катушек одной фазной группы равно ЭДС ek которая пропорциональна производной тока короткого
замыкания ik .
Ток короткого замыкания имеет две составляющие: периодическую in и апериодическую ia. Время действия дифференциальной защиты шин мало, поэтому можно пренебрегать затуханием амплитуды периодической составляющей и определить её относительное значение (в долях от амплитуды Ik max этой составляющей) выражением
in* =—n— = sin( + ио), и = ш?,
Ik max
где и - угол; ш=2я/ - угловая частота; / - частота периодической составляющей; ио - начальный угол, соответствующий первому моменту короткого замыкания.
Рис. 1. Принципиальная схема трёхфазной ДЗШ: 1 - защищаемая трёхфазная система шин; 2 -питающая линия; 3 - выключатель питающей линии; 4 - выключатели отходящих линий; 5 -отходящие линии; 6 - ДИПТ питающей линии; 7 - ДИПТ отходящих линий; 8 - токопроводы высоковольтных вводов выключателя 3; 9 - токопроводы высоковольтных вводов выключателей 4; 10 - катушки ДИПТ 6; 11 - катушки ДИПТ 7; 12 - общий нулевой зажим; 13 -четырёхфазный мостовой выпрямитель; 14 - входные зажимы выпрямителя 13; 15 - выходные
зажимы выпрямителя 13
Начальное значение апериодической составляющей 1ао зависит от тока в рассматриваемой фазе в последний момент перед началом короткого замыкания. Если короткое замыкание произошло в линии, которая не имела нагрузки, то относительное значение гао определяется выражением
га0
га0* = 1-= - ио.
1к тах
Это выражение можно использовать и в том случае, когда амплитуда тока предварительной нагрузки линии значительно меньше амплитуды периодической составляющей тока короткого замыкания. Апериодическая составляющая затухает с постоянной времени Та, которая равна отношению индуктивности цепи короткого замыкания к её активному сопротивлению. Полный ток короткого замыкания, выраженный в относительных единицах, изменяется по закону
Iк* = 8т(и + ио)- ио ехр
б = щТа.
(2)
Производная этого тока по углу и равна выраженной в относительных единицах суммарной ЭДС группы катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока:
Для перехода от е^* к абсолютному значению этой ЭДС правую часть выражения (3) нужно умножить на сомножитель Iк тах шМ.
Так как дифференцирующие индукционные преобразователи тока работают в режиме, близком к холостому ходу, то можно упрощённо считать, что входные напряжения выпрямителя 13 - это суммарные ЭДС ек* фазных групп катушек 10 и 11 ДИПТ 6 и 7.
На рис. 2, я и рис. 2, б показаны графики мгновенных значений, выраженных в относительных единицах, тока однофазного короткого
замыкания на землю, возникшего в зоне действия дифференциальной токовой защиты, и соответствующего этому току выходного напряжения щ* устройства.
Рис. 2. Графики тока 4* однофазного короткого замыкания на землю и соответствующего этому току выходного напряжения и0* устройства: а) начальный угол 90 = -я/2; б) начальный угол 90=-я/6
Тонкой линией построены графики тока короткого замыкания, а утолщённой линией - выходного напряжения устройства. Утолщённой горизонтальной линией показан уровень выходного напряжения (в относительных единицах), при котором срабатывает дифференциальная токовая защита шин. Ток короткого замыкания, возникший в ненагруженной линии, определяется выражением (2), а выходное напряжение устройства описывается приближённым выражением щ* = | ек* |.
Относительное значение постоянной времени а затухания апериодической составляющей принято равным 10, что близко к среднему значению при удалённых от источников коротких замыканиях в высоковольтных системах с воздушными линиями передачи. Рис. 2, а относится к случаю, когда начальный угол периодической составляющей тока короткого замыкания ио= - я/2. Ток короткого замыкания при этом начальном угле (а также при ио = + я/2) через © Проблемы энергетики, 2011, № 7-8
(3)
'к*> «0*
9
-0,5
половину периода после начала короткого замыкания (при и = п) достигает своего наибольшего значения, которое называется ударным током короткого замыкания. Для а = 1о этот ток в 1,72 раза больше амплитуды периодической составляющей (при увеличении а он возрастает, приближаясь к удвоенному значению указанной амплитуды). По мере затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, тем более быстрого, чем меньше а, разница между амплитудными значениями тока положительного и отрицательного направления снижается. Амплитудные значения положительного и отрицательного направления суммарной ЭДС катушек одной фазной группы с самого начала короткого замыкания отличаются мало. Это отличие тем меньше, чем больше а. Как показано на рис. 2, а, выходное напряжение выпрямителя 13 достигает уровня напряжения срабатывания защиты не сразу, а спустя угол и1 , соответствующий первой точке пересечения двух, показанных утолщённой линией, графиков: выходного напряжения выпрямителя 13 и уровня напряжения срабатывания защиты. Такой уровень, во избежание ложных срабатываний защиты, должен быть заведомо больше суммарной ЭДС помехи во всей фазной группе катушек ДИПТ. На рис. 2, а этот уровень составляет о,6 от той амплитуды выходного напряжения выпрямителя 13, которая соответствует периодической составляющей тока в рассматриваемом примере. Для ио = - п/2 угол 01 достигает максимума, равного о,765 рад. При частоте 5о Гц этому углу соответствует время о,оо24 с. При увеличении сопротивления цепи однофазного короткого замыкания, амплитудное значение периодической составляющей тока короткого замыкания снижается, а амплитуда выходного напряжения устройства приближается к уровню напряжения срабатывания защиты. Предельный угол 01 запаздывания срабатывания защиты достигает п/2, чему при частоте 5о Гц соответствует время запаздывания о,оо5 с. Это время в 6 - 1о раз меньше, чем у ДЗШ, в которой используются ТТ. Этот факт убедительно доказывает преимущество измерительного устройства дифференциальной токовой защиты шин, выполненного на основе ДИПТ.
При приближении угла ио к нулевому значению или к углам ± п угол и1 уменьшается. Для рассматриваемого примера и1 = о (время запаздывания отсутствует) при выполнении следующих условий: 1,о3 > ио > -о,83 и п+1,о3 > ио > п-о,83. Случайную величину ио можно считать равномерно распределённой в диапазоне п > ио > - п. При этом вероятность того, что время запаздывания ио /ю равно нулю, для рассматриваемого примера составляет около 6о%. Графикам тока 1к* и выходного напряжения ио*, приведённым на рис. 2, б, соответствует угол ио = - п/6, который находится внутри диапазона 1,о3 > ио > -о,83. Видно, что начальное значение напряжения ио* больше о,6 - уровня напряжения срабатывания защиты. Сигнал на срабатывание дифференциальной токовой защиты шин возникнет одновременно с началом тока короткого замыкания, без запаздывания.
При двухфазном коротком замыкании в зоне действия дифференциальной токовой защиты шин выпрямляются неравные нулю суммарные ЭДС (без учёта ЭДС помех) не одной, а двух фазных групп катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. Эти две ЭДС равны между собой и противоположно направлены по отношению к общему нулевому зажиму 12 и тем двум входным зажимам 14 выпрямителя 13, которые соответствуют указанным
двум фазным группам катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. Поэтому выходное напряжение выпрямителя 13, полученное выпрямлением разности этих двух ЭДС, удваивается по сравнению с однофазным коротким замыканием с таким же током. При этом вероятность того, что время запаздывания иц/ю равно нулю, для рассматриваемого примера увеличится до 80%.
На рис. 3, а показаны графики трёх, выраженных в относительных единицах, фазных токов при трёхфазном коротком замыкании. Значение постоянной времени а затухания апериодической составляющей принято равным 10, как и при однофазном коротком замыкании, которому соответствуют рис. 2, а и рис. 2, б. Угол иц в одной из фаз равен - я/2. В этой фазе при и = я имеет место ударный ток /уд*
короткого замыкания. Начальные углы периодической составляющей тока короткого замыкания отличаются от - я/2 на ± 2я/3. Токи в этих фазах при и = я равны - г'уд* /2, их максимальные значения меньше ударного тока.
Рис. 3. Графики тока 1к* трёхфазного короткого замыкания и соответствующего этому току
выходного напряжения и0* устройства
На рис. 3, б тонкими линиями построены графики модулей относительных значений разности суммарных ЭДС фазных групп катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. Там же, утолщённой линией, показан график выходного напряжения выпрямителя 13. Этот график образован из вершин графиков модулей относительных значений разности указанных суммарных фазных ЭДС. Когда апериодические составляющие этих ЭДС затухнут, а защита не отключит короткое замыкание, максимальные значения
выходного напряжения выпрямителя 13 станут равными произведению л/3 на амплитуду суммарной фазной ЭДС. Уровень напряжения срабатывания дифференциальной токовой защиты шин показан на рис. 3, б утолщенной горизонтальной линией. Значение периодической составляющей токов трёхфазного короткого замыкания принято таким же, как и рассмотренного выше однофазного короткого замыкания. Поэтому сохранено прежним и относительное значение уровня напряжения срабатывания защиты. Оно равно 0,6. Взаимное расположение графиков выходного напряжения выпрямителя 13 и уровня напряжения срабатывания защиты показывает, что сигнал на срабатывание
защиты возникает одновременно с возникновением трёхфазного короткого замыкания в зоне действия защиты, без какого-либо запаздывания. В этом проявляется существенное преимущество предлагаемого измерительного устройства ДЗШ по сравнению с измерительным устройством, выполненным на основе ТТ.
Измерительные преобразователи производной тока, выполненные на основе ДИПТ, можно успешно использовать не только в ДЗШ, но и в других устройствах релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем [9, 10].
Summary
It is shown that the use of differentiating induction current transformers as sensors in differential protection of bus permits, depending on the initial angle corresponding to the first moment of short circuit protection to ensure the operation is much faster than the circuits with current transformers, until the signal to start-up protection authorities simultaneously with the start of the short circuit current without delay.
Key words: differentiating the transmitter current, differential busbar protection, increasing performance.
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. «Linear Couplers for Bus Protection», by E. L. Harder, E. H. Klemmer, W. K. Sonnemann, and E. C. Wentz, AIEE Trans., 61 (1942), pp. 241-248. Discussions, p. 463.
4. «A New Single-Phase-to-Ground Fault-Detecting Relay», by W. K. Sonnemann, AIEE Trans., 61 (1942), pp. 677-680. Discussions, pp. 995-996.
5. Атабеков Г.И. Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей. М.- Л.: Госэнергоиздат, 1957. 344 с.
6. Кувшинов Г.Е., Мясоедов Ю.В., Нагорных А.С. Дифференциальная защита шин с уравновешенными напряжениями // Сборник трудов пятой Всероссийской конференции с международным участием «Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов». Благовещенск: Изд. АмГУ. 2008. С. 269-271.
7. Нагорных А.С., Пимочкин А.Н. Применение дифференцирующих индукционных преобразователей тока в дифференциальной защите шин // Сборник трудов пятой Всероссийской конференции с международным участием «Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов». Благовещенск: Изд. АмГУ, 2008. С. 272-274.
8. Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин / Г.Е. Кувшинов, Ю.И. Мясоедов , А.С. Нагорных, И.А. Богодайко. Заявка на изобретение № 2009126293/28(036596). Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 24 февраля 2010 г.
9. Кувшинов Г.Е., Мазалёва Н.Н., Ушаков А.В. Дифференцирующие измерительные преобразователи тока в защите и автоматике электроэнергетических систем // Сборник трудов третьей Всероссийской конференции с международным участием «Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», том II. Благовещенск: Изд. АмГУ, 2003. С. 165-168.
10. Кожович Л.А., Бишоп М.Т. (Cooper Power Systems, США). Современная релейная защита с датчиками тока на базе катушки Роговского // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: Сборник докладов Международной науч.-техн. конф. (Москва, 7-10 сентября 2009). М.: Научно-инженерное информационное агентство. С. 39-48.
Поступила в редакцию 15 февраля 2011 г.
Андреенко Юрий Андреевич - генеральный директор ООО «Дальневосточная распределительная сетевая компания» (ООО «ДРСК»). Тел.: 8 (4162) 39-73-59.
Богодайко Игорь Александрович - инженер ООО «Дальневосточная распределительная сетевая компания» (ООО «ДРСК»). Тел.: 8-924-1425926.
Зинкеева Анна Сергеевна - аспирант кафедры «Энергетика» Амурского государственного университета. Тел.: 8-914-6084589.
Кувшинов Геннадий Евграфович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика транспорта» Дальневосточного государственного технического университета (ДВГТУ). Тел.: (4232) 43-24-89. E-mail: kuvsh@marine.febras.ru.
Козлов Александр Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Энергетика» Амурского государственного университета. Тел.: 8 (4162) 47-29-06. E-mail: kozlov1951@yandex.ru.
Мясоедов Юрий Викторович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Энергетика» Амурского государственного университета. Тел.: 8 (4162) 39-46-33. E-mail: myasoedov@amur.ru.
