CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2002 р.
Вип. № 12
УДК 621.314.222.8
Журах1вський А.В.1, Кене Ю.А.2, Дурняк Б.1.3
ШВИДКОД1ЙНИЙ ЗАХИСТ В1Д ОДНОФАЗНИХ ЗАМИКАНЬ НА ЗЕМЛЮ В МЕРЕЖ1 ГЕНЕРАТОРНО! НАПРУГИ БЛОЧНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦ1Й
Запропоновано швидкодшний селективный захист, який виключае хибне вимкнення генератора за короткотривалих самолгквгдних замикань на землю в мереж1 генераторно? напруги. Наведет результаты комп'ютерноИ симуляци режим1в роботы захисту.
Багатор1чний досвщ експлуатацн земляних захиспв мереж! генераторно! напруги блочних електростаншй виявив випадки неселективного спрацювання захисту вщ появи короткочасних са\юлп<вщних однофазних замикань. На рис. 1 наведено натурш осцилограми параметра режиму блоку 300 МВт на однш з електростанцш Украши за короткотривалого са\юлп<вщного однофазного замикання на землю в мереж! генераторно! напруги.
Рис. 1 - Натурна осцилограма короткотривалого самолжвщного однофазного замикання на землю в мереж! генераторно! напруги турбогенератора 300 МВт
3 рис. 1 по кривш напруги ЗС/0 (синусоща промислово! частота) видно, що однофазне замикання на землю тривае 0,47 с, що менше часу уставки спрацювання захисту Г3=0,5 с Шсля самолжвщного погасання дуги в мгсщ пошкодження виникае затухаючий субгармон!чний процес ! напруга ЗСоЗ частот ~16 Г ц затухае з постшною ч Та=0,12 с Затухаючий субгармон!чний процес пояснюеться виникненням ферорезонансу м!ж емн!стю мереж! генераторно! напруги (основну частку складае емн!сть обмотки статора генератора по вщношенню до земл! - порядку 0,4 мкФ на фазу) ! нелшшними ¡ндуктивностями трансформатор!в напруги блоку (ТН) (три комплекта ТН - тип ЗНОМ-20 ! ЗОМ-20). Затухаючий характер ! частота ферорезонансного процесу в основному залежать вщ емносп мереж! генераторно! напруги та параметр!в електромагн!тних ТН з заземленою нейтраллю первинно! обмотки.
За умови затухаючого ферорезонансного процесу (ФРП), коли напруга ТН 3£/о, яка пщводиться до реле РНН-57, мае м!сце тривале утримування якоря реле в збудженому стан!
1 Нащональний ушверситет "Льв!вська пол!техн!ка", проф., д-р техн. наук
2 Нащональний ушверситет "Льв!вськапол!техшка", доп., канд. техн. наук
3 Нащональний ушверситет "Льв!вська пол!техшка", асшрант
шсля погасания дуги в мющ пошкодження, в результат! чого спрацьовуе реле часу захисгу i хибно вимикае блок вщ мереж! Тривале утримування реле земляного захисгу типу РНН-57 викликане тим, гцо воно мае шдвищену чутливютъ до субгармошчно'Т напруги 3 Щ (частота -16 Гц) за рахунок послщовного уимкнення в коло живлення реле загороджувального паралельного L-C фшьтра, налашгованого на частоту 150 Гц. Хибне утримування викликано гце й тим, гцо уставка по напруз1 спрацювання реле РНН-57 сгановитъ 4-6 В, тобто (4-6) % вщ номшально'Т вторинноТ ЗЦ)номЮ0 В, гцо за вщносно повшьного затухания субгармошчно'Т напруги 3i7o призводить до хибного вимкнення турбогенератора вщ мережТ. Maui уставки по напруз1 С/СПр=(4-6) % 3 С/оном i чай спрацювання захисту вщ однофазного замикання на землю викликаш високими вимогами щодо чутливосп та нтиддодшностТ такого захисту [1].
Як видно з рис. 1, для забезпечення необхщно'Т швидкодшносп та чутливосп, яьа вщповщають вимогам [1], сершне реле типу РНН-57 непридатне, оскшьки хибно вимикае турбогенератор за короткотривалих самолшвщних однофазних замикань на землю в мережТ генераторноТ напруги. Тому нижче запропоновано вар1ант швидкодшного чугливого селективного земляного захисту, який не реагуе на короткотривал1 самолжвщш однофазш замикання на землю в мереж! генераторноТ напруги, гцо супроводжуютъся субгармошчними ФРП.
Принцип вщведення вщ субгармошчних ФРП швидкодшного селективного чугливого земляного захисту полягае в цифровому контрол1 тривалосп кожного швперюда напруги 3£4 яка вщ вторинноТ обмотки ТН, сполученоТ за схемою "розТмкнений трикутник", пщводиться до схеми захисту. Коли частота напруги 3£/о знаходиться в межах (45-55) Гц — захист спрацьовуе, коли ж частота виходитъ за меж! цього д1апазону - робота захисту блокуетъся.
Як буде показано нижче, такий принцип вщведення захисту вщ субгармошчних ФРП забезпечуе йому чутливкть, швидкодшнютъ i селекгившсть, яю вщповщають нормативним вимогам [1]. Вшценаведений принцип реал1зовано в cxeMi швидкодшного захисту вд однофазних замикань на землю в мереж! генераторноТ напруги. Структурна схема цього захисту наведена на рис. 2.
1
100 В,
50 Гц
(ндТН
ге»«|Шорнй1
нал руга)
JB, 50 Гц
20
ГГо1-Г
12
15 —» 16
18
19
13
14
•MXUHflfl
смгнм
«хисгу
— 21
1 - вхщний масштабний перетъорювач (ВМП)
2 - формувач прямокугних 1мпульс1в (ФШ)
3 - формувач керуючих 1мпульс1в (ФК1)
4 - л1чильник ¡мпульсТв (JI)
5 - генератор такгових ¡мпульсТв (Г)
6 - дешифратор (Ц)
7 - формувач вихщних ¡мпульсТв (ФВ1)
8 - швидкодшний штегратор (1Ш)
9 - компаратор 1 (К1)
10 - задавач уставки 1 (ЗУ 1) 11-лопчний елемент 1 (JIEI)
12 - елемент витримки часу 1 (ЕЧ1) 13-лог1чний суматор (ЛС)
14 - виконуючий елемент (ВЕ)
15 - формувач середнього значения напруги (ФСЗ)
16 - компаратор 2 (К2)
17-задавач уставки 2 (ЗУ2)
18-лопчний елемент 2 (ЛЕ2)
19-елемент витримки часу 2 (ЕЧ2)
20 - фжсатор пуску захисту 1 (ФП1)
21 - фжсатор пуску захисту 2 (ФП2)
Рис. 2 - Структурна схема швидкодшного захисту вщ однофазних замикань на землю в мереш генераторноТ напруги
В якосп сигналу, на який реагуе захист (рис. 2) за однофазних замикань на землю, як бупо вказано вище, використана напруга ЗС/0 вщ ТН мереж! генераторно! напруги. Ця напруга (3£/0иом= 100 В, 50 Гц) поступав до вхщного масштабного перетворювача (МП), на виход1 якого номшальна напруга становить - 51 В, 50 Гц. Напруга з виходу МП пщводиться до вход ¡в формувача прямокутних ¡м пульс ¡в (ФП1), швидкодпгного штегратора (Ш1) 1 формувача середнього значения напруги (ФСЗ).
Прямокутш ¡мпульси з виходу ФП1 пщводяться до вход ¡в формувача керуючих ¡м пульс ¡в (ФК1) та швидкодпгного ¡нтегратора (Ш1).
1мпульси ФК1 керують роботою лтгльника (Л), до лтгльного входу якого поступають ¡мпульси генератора (Г). Виходи л1чильника Л с пол учет з1 входами дешифратора (Д) (можна використовувати комбшовану мпфосхему "л!чильник+дешифратор"), виходи якого с пол учен 1 з входом формувача вихщних ¡м пульс ¡в (ФВ1).
Захист облаштований двома реагуючими пристроями, яю спрацьовують за умови пщвшцення напруги 31]0 - швидкодпгний пристрпг (П1П) (елементи 8-11) та штегральний пристрш середнього значения напруги (елементи 15-19) (1ПС).
В ШП напруга з виходу МП пщводиться до Ш1, який керуеться прямокутними ¡мпульсами з виходу ФП1. Принцип роботи Ш1 полягае у гючерговш зарядш через резистор незарядженого конденсатора напругою з виходу ВМП на протяз1 одного твперюда { швидкш розрядщ цього ж конденсатора в наступному твперюд1 напруги ВМП. Використовуючи дв1 однаков1 Л-С ланки, яю почергово заряджаються-розряджаються за ргзних твперюдш керуючоТ напруги ФП1, можна отримати на в и ход 1 Ш1 напругу фп<сованого знака, пропоршйну сум! середжх значень модул ¡в швхвиль напруги на виход1 ВМП. Очевидно, що час затримки вихщного сигналу на в и ход 1 Ш1 по вщношенню до напруги на виход1 ВМП - не бшыпе швперюда напруги ВМП, чим забезпечуеться висока швидкодшнють Ш1. Напруга з виходу Ш1 поступае на вхщ компаратора 1 (К1), який портнюе и з напругою задавача уставки 1 (ЗУ1). Ксли ця напруга бшыпа за напругу ЗУ1, на в и ход 1 К1 формуеться додатня напруга, яка поступае на вхщ лопчного елемента 11, на виход1 якого буде формуватись потенщал лопчно! одинищ ("I")- Коли ж напруга на в и ход 1 Ш1 менша за напругу уставки ЗУ1 - на в и ход 1 К1 формуеться невелика вщ'емна напруга, а на виход1 ЛЕ1 - лопчний нуль ("0").
В 1ПС на вхщ ФСЗ поступае напруга вщ ВМП, а на виход1 1ПС формуеться додатня напруга, пропорц1йна середньому значению модуля вхщно! напруги. Напруга з виходу 1ПС компаратором К2 пор1внюеться з напругою задавача уставки 2 (ЗУ2). Коли напруга на виход1 ЕС бшыпа за напру!у ЗУ2, на виход1 К2 формуеться додатня напруга, яка поступае на вх1д компаратора 2 (КУ2), - тод! на виход1 лог1чного елемента 2 (ЛЕ2) формуеться лог1чна одиниця ("Г). Коли ж напруга виходу 1ПС менша за напругу "ЗУ", - на виход1 ЛЕ2 формуеться лог1чний нуль ("0"). Постшна часу штегрального елемента ФСЗ обираеться з умови ефективного придушення пульсацш на в и ход 1 ФСЗ, коли його вхщна наптэуга мае частоту бшыпу за мимапьну частоту напруги 31/о за виникнення ФРП (/фрпй- 16 Гц). Для цього достатньо мати поспйну часу ФСЗ тФСз=0,2 с. 'Тобто, в даному випадку час затримки вихщного сигналу становитиме /з»ЗХфсз=0,6 с. Сигнал з виходу (ЕЧ2) поступае на вхщ лопчного суматора (ЛС). Гаким чином, повний час спрацювання захисту вщ 1ПС становитиме «1,0 с, що для друто! степей (за часом) захисту вщ замикання на землю в колах генераторно! напруги е цшком допустимим.
Формувач ФК1 1 л ¡ч ил ьн и к Л служать для контролю частоти напруги Зб^ Узш> Частота напруш ЗЦ) контролюеться за вщомим принципом [2], який полягае у ви\прюванн1 тривалост1 гпвпфюда напруги. Ця тривал1сть оц1нюеться числом ¡мпульсш стабшьно! частоти, яку офи\1\е л1чильник Л вщ генератора Г за кожен твперюд напруги 3(Уо- К о -г/зсдз<45ц , за ьажних твпер!ода напруги 3 Со на в и ход 1 дешифратора Д формуються два ¡мпульси, яьа свдукяь один за другим. Перший ¡мпульс (155) виникае тод1, коли вщ початку п1впер1ода мине тс, який вщповщае тривалост1 п1впер1ода напруги частотою 55 Гц, а другий ¡мпульс (145) -юи вщ початку п1впер1ода мине час, який вщповщае тривалост1 п1впер1ода частотою 45 Гц. За цк умов (/зы)<45 Гц), коли на виход1 ФК1 кожних п1впер1ода напруги ЗОо виникають два
Припущето: за лопчно!" 1" на виход! К2 запускаеться ЕЧ2, який через -0,4 с формуе на своему виходц юну "1".
короткотрившй ¡мпульси короткочасно спрацьовуе ШП (на виход1 ЛЕ1 - "1"). За умови короткочасного (/<0,5 с.) запуску елемента часу 1 (ЕЧ1) на його в и ход 1 вщсугня лопчна " 1" 1 захист не спрацьовуе. Пуск ШП фп<суеться фшсаторм пуску захисту 1 (ФШ), на вхщ якого поступае напруга виходу ФВ1.
Коли ж частота 45 Гц</зОТ<55 Гц, на в и ход! Д кожних швперюда напруги 3 11 п формуеться один ¡мпульс 155 \ тод1 на виход1 ФВ1 виникае три вал а лопчна " 1". За шел умови \ коли на виход1 ЛЕ1 теж виникае тривала " 1" (спрацьовуе ШП), на вход! ЕЧ1 мае мшце тривалий пусковий сигнал ("1")> в результата чого шсля часу спрацювання ¿еч1=0»5 с, до входу лопчного суматора (ЛС) шдводиться "1", яка запускае виконуючий елемент (ВЕ). ВЕ на своему виход1 формуе вихщний сигнал захисту, який використовуеться для вимкнення генератора вщ мереж! \ запуску вщповщноТ сигнаизацн.
Коли частота /$ш>55 Гц, то на в и ход! Д ¡мпульси 145, Их вщсутш, а на в и ход! ФВ1 формуеться тривалий "0" 1 захист не запускаеться, \ не спрацьовуе.
Таким чином, враховуючи вищенаведене, структурна схема захисту (рис. 2) забезпечуе селективне 1 ш в ид код ¡й не спрацювання захисту вщ ШП з витримкою часу *ЕЧ1=0,5 с за умови коли частота напруги 36^ 45</^щ,<55 Гц. Уставку спрацювання ШП С/М можна приймати \пш мальною, виходячи з напруги небалансу ЗС/о„б промисловоТ частота (ЗСоНб^(2-3 %)3инш). Вщведення С/зу ] вщ напруги третьоТ гар м о н! к и не потрТбно, оскшьки за часто!Ли<у 150 ГцШП не запускаеться. Уставку С/зУ2 необхщно вщводити вщ напруги 3 (Уе третьоТ гармошки \ напруги 3[/онб промисловоТ частоти.. Можна було б зменшити уставку £/зуг, увТмкнувши \иж виходом ВМП 1 входом ФСЗ активний загороджуючий фшьтр вищих гармошк [3]. Однак в даному випадку пщвищуватиметься чутлившть ФСЗ до низькочастотних \ аперюдичних сигнашв. Враховуючи, що в переважнш бьтьшостТ випадыв замикання на землю спрацьовуватиме швидкодшний ШП, а ФСЗ гратиме роль резервного елемента, доцшьно загрубити спрацювання захисту вщ ФСЗ по напрузТ \ часу, як було наведено вище.
а) для частоти 44 Гц
б) для частота 50 Гц
в) для частоти 56 Гц
Рис. 3 - Комп'ютерна симулящя режим ¡в роботи захисту вщ однофазного замикання на землю
Для оцшки роботи захисту за р!зних режим ¡в напруги ЗЕД> була проведена комп'ютерна с и мул яш я цих режи\пв i ошнка i'x впливу на роботу з а и р о и о н о в а н о I схеми захисту. На рис. 3 наведено результата комп'ютерно!" с и мул я nil режи\пв роботи схеми за pi3HHX режимт напрут 3£/<ь яи пщводяться до входу EiMIl. Номери вихщних напруг елементш схеми (рис. 2), наведених на рис. 3, вщповщають номерам цих елементш. Для наглядное^ наводяться вхщна напруга 3 J/0 ВМП та напруги виходу дешифратора Д (N6), 0>BI(N7), JIE1 (N11) та ФСЗ(Ы 15). Щ напруги дозволять контролювати роботу чутливо! ланки захисту (ШП) та и бшып ¡нершйноТ ланки (ФСЗ). Як видно з рис. 3, коли частота напруги 3{Уо/зио;=44 Гц ¡м пульс и на виход1 JIEI -короткотриваш i значно меныи за 0,5 с (час спрацювання ЕЧ1) - захист не працюе. Коли ж Гц, на виход1 JIEI формуеться тривалий сигнал, що призводить до спрацювання захисту. За частоти /зью—Зб Гц сигнал на виход1 JIEI вщсутнш i захист теж не працюе. Таким чином, результатами комп'ютерного симулювання пщтверджено ефективну роботу захисту в дкапазош частот 45 Гц<^уо<55 Гц.
3 рис. 3 також видно, що на виход! ФСЗ наростае напруга з певною постшною часу i ця напруга мае мюце незалежно вщ частоти Тобто, поява сигналу на в и ход i К2 матиме viicne з певною витримкою часу i ця витримка залежатиме вщ величин напруг 3£/0 та уставки ЗУ2.
Очевидно, що принцип побудови швидкодшного селективного чутливого захисту, використаний в cxeMi рис. 2 може бути реалпований в cxeMi м i к р о п р о ц ее о р н о г о захисту чи у вщповщнш nporpaMi комп'ютерт, яьа використовуються для захисту енергоблоьав електростанцш. У даному випадку напругу 3£У0 доцшьно аналгзувати за допомогою програм швидкодшних цифрових фьтьтрш [4]. Маючи цифровий спектр напруги 3U,о, легко реал ¡зу ват и над1йний захист мереж генераторно! напруги вщ однофазних замикань на землю.
Висновки
1. Запропоновано швидкодшний захист вщ однофазних замикань на землю в мереж1 генераторно! напруги, який не реагуе на к о р о т к о т р и в а л i самол1кв1дн1 замикання на землю, чим виключаеться можлив1сть хибного вимкнення енергоблоюв за таких режи\пв.
2. Результати комп'ютерних симуляшй режи\пв роботи запропонованого захисту подтвердили його швидкод1йн1сть та селектившсть за* однофазних замикань на землю в мереж! генераторно! напруги.
Перелж посилань
1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Изд. 14-е перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1989 -288с.
2. Овчаренко Н.И. Аналоговые и цифровые элементы автоматических устройств энергосистем. - М.: Энергия, 1989 - 320с.
3. Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. - М.: Энергоатомиздат, 1983 -128с.
4. Каппелини В., Констандинидис А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1983 -218с.
Журах1вський Анатолш Валентинович. Д-р техн. наук, професор кафедри "Електричш мереж! i системи", закшчив Льв!вський пол!техшчний шетитут в 1962 рощ. Основний напрям наукових дослщжень - розробка нерезонуючих трансформатор!в напруги.
Кене Юрш Амброз1йович. Канд. техн. наук, доцент кафедри "Електричш мереж! i системи", закшчив Льв!вський пол!техн!чний шетитут в 1956 рощ. Основний напрям наукових дослщжень — дослщження ферорезонансних процеив.
Дурняк Богдан 1ванович. Асшрант кафедри "Електричн! мереж! i системи", закшчив Державний ушверситет "Льв!вська пол!техшка" у 2000 р. Основний напрям наукових дослщжень - ферорезонанеш процеси в електричних мережах генераторно! напруги.
Статгя надшшла 17.12.2001 р.
