CC BY
47
^^^^^^^^^ Диагностика и надежность энергооборудования ^^ 31
УДК 681.5:622
Применение дифференцирующих индукционных преобразователей тока в защите электроустановок
обогатительных фабрик
Д. Б. Соловьёв,
ассистент,
Дальневосточный государственный технический университет, г. Владивосток
Г. Е. Кувшинов,
доктор технических наук, профессор, Дальневосточный государственный технический университет
Предлагается новый способ усовершенствования релейной защиты электрооборудования для четы-рехпроводных сетей обогатительных фабрик. Модернизация защитных устройств производится за счёт применения разработанного измерительного преобразователя тока. Присоединение преобразователя к электросети предложено производить через дифференцирующие индукционные преобразователи тока. Результаты исследований позволяют повысить надёжность работы и уменьшить массу применяемых защитных устройств.
Ключевые слова: релейная защита, измерительные преобразователи тока.
Современные обогатительные фабрики располагают большим комплексом электроустановок, работающих при различных напряжениях на переменном и постоянном токе. Эксплуатационная надёжность электрических машин определяет эффективность применения всех технических средств, используемых на обогатительной фабрике, и влияет на важнейшие экономические показатели предприятия при обогащении полезных ископаемых. Недостаточная надёжность электрооборудования, наблюдаемая на практике, приводит к большим сверхнормативным расходам на преждевременные ремонты и внеплановые простои оборудования.
С целью повышения коэффициента использования элекрооборудования применяют разнообразные релейные защитные устройства электроустановок от возникающих отклонений от нормальных режимов работы, например короткие замыкания в сети, двигателях, трансформаторах и других электрических установках; перегрузки электроустановок; колебание или полное исчезновение напряжения. Устройства релейной защиты, которые действуют при повреждении электрических установок, повышают их надёжное и экономичное функционирование. Первостепенное значение имеют устройства токовой защиты: они предотвращают развитие аварии, сокращают объём повреждений при коротких замыканиях, отключают элементы электрических установок при их перегрузке, что предохраняет изоляцию этих элементов от преждевременного старения, уменьшает износ оборудования [1, 2].
Сигнал к измерительной части защиты подводится от первичных измерительных преобразователей
тока. Функции измерительного органа этой части защиты выполняют реле тока, воздействующие на логическую часть защиты. В эту часть входят вспомогательные реле и реле времени. Выходной сигнал логической части приводит в действие исполнительную часть защиты. Исполнительные элементы токовой защиты (мощные электромеханические реле, контакторы и электромагниты) воздействуют на отключение выключателей электроприёмников. Многообразие функций перечисленных токовых защит обеспечивается различием их измерительных органов и логической части. Первичные измерительные преобразователи тока, применяемые в настоящее время, не отличаются разнообразием. Наибольшее распространение имеют измерительные трансформаторы тока (ТТ).
В настоящие время в соответствии с [3] для вновь проектируемых и действующих объектов стационарные электроустановки напряжением до 1000 В должны иметь, как правило, глухозаземленную нейтраль; питающие электроприемники, расположенные на территории обогатительных организаций (мастерские, перегрузочные станции и т.п.), а также все стационарно установленное оборудование следует выполнять трехфазным четырехпроводным с глухо-заземленной нейтралью.
В то же время применение современных средств автоматики, аппаратуры защиты и управления электроприёмниками для четырехпроводных сетей обогатительных фабрик сопряжено со снижением мас-сообъёмных показателей и повышением надёжности работы самих защитных устройств и аппаратуры. Одним из путей решения проблемы повышения точ-
НШШШШ
= 32
Энергобезопасность и энергосбережение
ности работы токовой защиты и уменьшения в массе защитных устройств может являться замена ТТ на дифференцирующие индукционные преобразователи тока (ДИПТ).
С целью улучшения вышеизложенных характеристик релейных защитных устройств трёхфазных четырёхпроводных сетей обогатительных фабрик был разработан измерительный преобразователь тока обратной последовательности (ИПТОП).
О 1о _
i-------"
С ! ДИПТ4
п В В
а а^дипт!
:дипт2|
I
-IX,
ч==ь
-1X2
ч==ь
-гз-
Нагрузка ФНОП
Рис. 1. Схема измерительного преобразователя тока обратной последовательности
ИПТОП трёхфазной четырёхпроводной цепи (рис. 1) содержит четыре дифференцирующих индукционных измерительных преобразователя тока: ДИПТ1, ДИПТ2, ДИПТ3, ДИПТ4, выходные напряжения которых определяются производными измеряемых ими трёх токов трехфазной четырёх-проводной цепи, и фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП), который выделяет симметричную составляющую обратной последовательности из напряжений катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока. Катушки ДИПТ1-ДИПТ4 индуктивно связаны соответственно с токопроводами фазы А, В и С. Эти катушки имеют равные сопротивления и взаимные индуктивности М с соответствующими токопроводами.
В состав резисторно-конденсаторной цепи ФНОП входят два конденсатора, имеющие сопротивления (-jX1) и (—'Х2), где j - мнимая единица, и три резистора с сопротивлениями Я1, Я2 и Я3. Рассматриваемый ФНОП отличается от известных четырёхэлементных ФНОП [1, 4] наличием пятого элемента - третьего резистора с сопротивлением К3. С помощью этого элемента компенсируется влияние индуктивного сопротивления jXk катушки ДИПТ2, где Хк равно произведению (яLk, где и - угловая частота измеряемых токов, Lk - индуктивность катушки.
Такой преобразователь может быть использован для тех разновидностей релейной защиты элементов электроэнергетических систем, которые реагируют
на симметричную составляющую тока обратной последовательности. В частности, с помощью этого преобразователя можно, во-первых, защищать электрическую цепь от несимметричных коротких замыканий или защищать электрический двигатель любой мощности от работы на двух фазах. Применяемый с этой целью измерительный преобразователь напряжения обратной последовательности непригоден для защиты двигателей большой мощности из-за недостаточной чувствительности. Дело в том, что с ростом мощности двигателя снижается потеря напряжения в обмотках статора (ЭДС двигателя становится всё ближе к напряжению сети), и напряжение на том зажиме статора двигателя, который отсоединён от сети, приближается к напряжениям на двух других зажимах. При этом снижается симметричная составляющая напряжения обратной последовательности. Относительное значение симметричной составляющей тока обратной последовательности при обрыве фазы не зависит от мощности двигателя. Но применение известных ИПТОП сдерживается большой массой, размерами и стоимостью трансформаторов тока, входящих в эти преобразователи. Их используют только там, где это крайне необходимо и для защиты не одного, а большой группы двигателей. Значительно меньшие массогабарит-ные показатели ДИПТ, по сравнению с ТТ, снимает указанный сдерживающий фактор и открывает возможность широкого использования ИПТОП в различных устройствах релейной защиты на обогатительных фабриках.
Описание работы устройства становится более простым, если принять следующие, вполне допустимые, упрощения:
- частота токов в трёхфазной четырёхпроводной цепи с токопроводами А, В, С и 0 равна номинальной, для которой справедливы принятые соотношения между сопротивлениями резисторно-конденсатор-ной цепи ФНОП;
- токи токопроводов А, В, С имеют синусоидальную форму;
- ток, потребляемый нагрузкой ФНОП, пренебрежимо мал по сравнению с токами, проходящими по элементам резисторно-конденсаторной цепи фильтра, и не учитывается;
- активные сопротивления катушек ДИПТ и активные проводимости конденсаторов резисторно-конденсаторной цепи ФНОП не учитываются;
- векторы токов прямой и обратной последовательностей имеют одинаковые фазовые углы, которые принимаются равными нулю.
С другой стороны, в отличие от общепринятого анализа работы ФНОП в рассматриваемом случае следует учитывать влияние внутренних индуктивных сопротивлений источников напряжений, подключённых к входным зажимам этого фильтра. Этими источниками являются катушки ДИПТ1-ДИПТ4.
ДИПТ могут иметь различную конструкцию. Их катушки могут располагаться на магнитном сердечнике с зазорами или на каркасе, например тороидальном, без магнитного сердечника. Через окно сер-
R
И
и
2
а
с
и
!А
и
деииавивши
Диагностика и надежность энергооборудования
33 =
дечника или каркаса проходит токопровод с измеряемым током (возможно и другое конструктивное решение: катушка, например, прямоугольная, прилегает своей одной стороной к токопроводу). Мгновенное значение ЭДС, которая наводится в катушках ДИПТ1-ДИПТ4, равно произведению одинаковой для всех катушек взаимной индуктивности M катушки с токопроводом А (или В и С) на производную проходящего через него тока. В общем случае токи фазы А, В и С трёхфазной трёхпроводной цепи определяются суммой трёх векторов: прямой, обратной и нулевой последовательностей. Векторы токов фазы А, В, С и соответствующих им ЭДС, которые наводятся соответственно в катушках ДИПТ1-ДИПТ4, определяются формулами:
(1)
где 11 и 12 - токи прямой и обратной последовательности соответственно; 10 - ток нулевой последовательности; j - мнимая единица; Ю - круговая частота.
Как следует из рис. 1, ЭДС, которые наводятся в последовательно включённых катушках ДИПТ1 и ДИПТ2, а также ДИПТ3 и ДИПТ4, направлены встречно. Поэтому суммарные (линейные) ЭДС катушек определяются разностью ЭДС соответствующей пары катушек:
(3)
двух катушек Хк=2-Хк:0. Если выбрать параметры ФНОП без учёта индуктивных сопротивлений Xk, то, при наличии в трёхфазной цепи токов только прямой последовательности, выходное напряжение предлагаемого измерительного преобразователя не будет равно нулю. Это отрицательное влияние индуктивных сопротивлений Xk компенсируется введением резистора R3 и изменением сопротивления первого конденсатора, по сравнению со значением, рассчитанным по известным для ФНОП рекомендациям.
Ток через первый резистор R1 и напряжение на нём, которые вызваны действием линейной ЭДС катушек ДИПТ1 и ДИПТ2, определяются формулами:
/ =
Кав
и„ =-
КавК1
(4)
Я, -уХ, +]Хк' ^-]Х,+]Хк
где X1 - емкостное сопротивление первого конденсатора;
R1 - сопротивление первого резистора. С учётом предложенного соотношения:
Х} = / л/3 + Хк ~ из (4) находятся следующие выражения для относительного значения модуля напряжения и его фазы по отношению к ЭДС:
с/
Кав
7з
Еа
Р
V —АВ
71 б'
(5)
Ток 1С через резистор К2 и напряжение Цс, которые вызваны действием ЭДС ДИПТ3, определяются формулами:
(6)
1 =
—СВ
и=-
Из выражений (1) и (3) следует, что суммарные ЭДС не зависят от тока нулевой последовательности. Таким образом, на работу предлагаемого устройства наличие токов нулевой последовательности в цепи, с которой связано это устройство, не оказывает никакого влияния. Следовательно, ИПТОП можно использовать для любой трёхфазной цепи, как четы-рёхпроводной, так и трёхпроводной.
Активные составляющие сопротивлений катушек ДИПТ много меньше их индуктивных сопротивлений Хы=т- Lk, где Lk - индуктивность указанных катушек. Можно, конечно, устанавливать такие ДИПТ, что их индуктивные сопротивления при заданных значениях M станут пренебрежимо малыми по сравнению с сопротивлениями остальных элементов резисторно-конденсаторной цепи ФНОП, но это приведёт к неоправданному росту массы катушек ДИПТ. В предлагаемый ИПТОП можно устанавливать малогабаритные катушки ДИПТ, индуктивные сопротивления Xk0 которых соизмеримы с сопротивлениями остальных элементов резисторно-конденса-торной цепи ФНОП. Так как катушки ДИПТ включены по две последовательно, то нужно рассматривать влияние суммарного индуктивного сопротивления
- + д3 - ]Х2 + ]Хк — я2+я3- ]Х2 + ]Хк
где X2 - емкостное сопротивление второго конденсатора;
R2 и R3- сопротивления резисторов.
С учётом предложенных соотношений: = л/3 ■ Л2 и дз = -Хк ~ из (6) находятся следующие выражения для относительного значения модуля напряжения Цс по отношению к ЭДС между точками с и Ь, а также сдвига фазы тока 1с по отношению к напряжению Ц:
и.
л/3
: —, <Рс= агё
Ш. р
V —СВ
Л б'
(7)
Ток 1с при изменении Хк и, следовательно, К3 не остаётся постоянным, как ток 1^. Относительное значение 1С тока 1С, выраженное в виде отношения этого тока к току 1с0, соответствующему подключению идеального источника напряжения (Х^0) с тем же значением ЭДС Есв к зажимам ФНОП, зависит от параметра m=Xk/R2. От этого параметра зависит и фазовый сдвиг р тока 1с по отношению к напряжению Цс. Зависимости модуля 1С тока 1с, выраженного в относительных единицах, и угла ф от параметра т имеют следующий вид:
<р = агсЫ-|. (8)
I. =
Га
+ 4 т
Векторная диаграмма измерительного преобразователя тока обратной последовательности при действии в трёхфазной цепи, с которой связан этот пре-
НЕМИИИИИИ
= 34
Энергобезопасность и энергосбережение
образователь, токов только прямой последовательности приведена на рис. 2 а. Диаграмма построена для частного случая, когда параметр т = л/з / 3 .
Векторная диаграмма измерительного преобразователя тока обратной последовательности при действии в трёхфазной цепи, с которой связан этот преобразователь, токов только обратной последовательности приведена на рис. 2 б. Диаграмма построена для значения параметра т = л/з / 3 .
ИПТОП является линейной системой, в которой как прямая, так и обратная последовательности токов трёхфазной системы действуют независимо одна от другой. Поэтому в общем случае, когда в токах трёхфазной системы имеются обе последовательности, выходное напряжение измерительного преобразователя пропорционально току обратной последовательности.
Результаты более детального анализа работы ИПТОП, выполненного с учётом активного сопротив-
ления катушек ДИПТ и сопротивления (активного) нагрузки ФНОП, доказывают допустимость принятых упрощений, перечисленных выше. Так, если активное сопротивление катушки ДИПТ в 20 раз меньше её индуктивного сопротивления, а сопротивление нагрузки в 10 раз больше сопротивления К2, то при т=0,5 выходное напряжение преобразователя для токов прямой последовательности практически равно нулю. Его абсолютное значение составляет всего 0,11% от ЭДС ЕАВ1.
Таким образом, разработанный ИПТОП обладает весьма высокой избирательностью, пригоден для непосредственного сопряжения с аналого-цифровым преобразователем и имеет значительно меньшую суммарную массу по сравнению с аналогами. Предлагаемое устройство можно использовать для любой трёхфазной цепи как четырёхпроводной, так и трёхпроводной.
Рис. 2. Измерительный преобразователь тока обратной последовательности четьрехпроводной цепи
Литература
1. Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения.- М.: Высш. шк., 1991.- 496 с.
2. Электротехнический справочник: В 3 т. Т. 3. В 2 кн. Кн. 1. Производство и распределение электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ.- М.: Энергоатомиздат, 1988.- 880 с.
3. Правила безопасности на предприятиях по обогащению и брикетированию углей (сланцев) (Минюст РФ 16 июня 2003 г. Регистр. № 4683).- М.: Энергия, 2004.- 460 с.
4. Атабеков Г. И. Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей.- М., Л.: Госэнергоиздат, 1957.- 344 с.
деииавивши
