CC BY
104
УДК 621.316.9 К. И. НИКИТИН
Омский государственный технический университет
ТОКОВЫЙ ПРИНЦИП ОПРЕДЕЛЕНИЯ
НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ
ДЛЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ_______________________________
Предлагается новый алгоритм действия реле направления мощности с одной входной величиной. Принцип действия заключается в том, что формируется опорный сигнал в виде виртуального вектора тока и с ним сравнивают реальный вектор тока. Это позволит не использовать цепи напряжения, упростив схему подключения.
Ключевые слова: направление мощности, токовая защита, угол между током и напряжением.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образовании я и науки Российской Федерации, гос. контракт № 16.516.11.6091.
Актуальность. Для селективного действия токовых защит ЛЭП с двухсторонним питанием или кольцевых ЛЭП [1] используют реле КШ направления мощности (РНМ), которое подключается к измерительным трансформаторам тока ТА и напряжения ТУ (рис. 1). При протекании мощности от шин в линию РНМ разрешает защите отключать повреждение (К1) выключателем 01, а при протекании мощности из линии к шинам РНМ запрещает защите действовать при КЗ в точке К2, блокируя её.
Использование нескольких входных цепей понижает надежность защиты, а также, когда много устройств подключаются к трансформатору напряжения ТУ, то он перегружается, могут сработать его защиты и отключить вторичные цепи напряжения, а также он выходит из допустимой точности работы. Для исключения этих недостатков предлагается использовать РНМ с одной токовой входной величиной [2].
Алгоритм работы основан на том, что электромагнитные переходные процессы [3] в электроэнергетических системах протекают (в течение 1...2 периодов промышленной частоты) значительно быстрее, чем электромеханические [4] переходные процессы (в течение 5.20 периодов промышленной частоты и более).
Суть алгоритма заключается в том, что сформированный опорный сигнал определяют путем запоминания продолжительности предыдущего периода тока, а приращение по углу в виде временного эквивалента определяют как разницу между сформированным опорным сигналом и продолжительностью текущего периода тока.
На приведенных диаграммах представлены сигналы основных возможных режимов ЛЭП, векторов тока и их анализ, которые позволяют наглядно понять работу алгоритма. При этом, в соответствии с [5], помня, что положительное приращение между продолжительностью предыдущего периода и текущего означает включение индуктивной нагрузки, а отрицательное — емкостной; и условиями для срабатывания защиты являются:
ЛК^ 1л>1сз (1)
где 1у1 и 1у2 — первая и вторая уставки времени, эквивалентные соответствующим углам фу1 и фу2; 1л — ток линии; 1СЗ — ток срабатывания защиты;
а) в рабочем режиме происходит включение маломощного трансформатора ответвления Т1 (рис. 1). При этом возникает малое приращение тока 1Т1 и угла фТ1 нагрузки (рис. 2а). Ток предшествующего режима принимается за опорный 1онМ сигнал. При подключении нагрузки Т1, вектор тока 1Т1 складывается с вектором опорного 1оНМ сигнала и результирующий вектор тока линии 1ЁН повернется на угол ФЛН1 и займет новое положение относительно старого 1оНМ, принятого за опорный вектор. Его величина изменится незначительно, и суммарный ток не будет больше максимального 1Р МАХ рабочего тока линии и тем более не будет больше тока срабатывания защиты 1СЗ.
На рис. 2б изображена диаграмма данного режима. В этом случае возникает приращение между продолжительностью предыдущего периода 1;п-1 и
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
а)
в режиме включения маломощного трансформатора; б) диаграмма рабочего режима с малым приращением угла нагрузки
Рис. 2. а) векторы токов 1онм, и 1дН
текущего незначительна ^, то есть приращение угла фш, временной эквивалент которого есть Л1 и находится как
Л1 = 1 1 . (2)
п-1 п ' ’
Это приращение меньше первой и второй уставок времени соответствующих эквивалентных углов, одновременно ток линии увеличивается незначительно и не превышает ток срабатывания защиты 1с 3, условия сравнения сигналов с уставками следующие:
Л1<1у1, Л1<1у2, 1л<1с,з, (3)
поэтому защита ЛЭП не срабатывает (ЛК^ и 1Л<1С 3 — условия несрабатывания).
На диаграмме (рис. 2б) пунктирной линией показана мнимая синусоида тока, которая была бы в рассматриваемые моменты времени, если бы не произошло изменения тока и его фазы, а сплошной линией показан существующий сигнал тока данного режима;
б) включение мощного трансформатора ответвления Т2 с индуктивной нагрузкой в рабочем режиме (рис. 1) сопровождается относительно тока срабатывания защиты 1С 3 небольшим приращением тока 1Т2 и большим приращением угла фТ2 нагрузки (рис. 3а). По приведенному выше алгоритму ток предшествующего режима принимается за опорный 1оНМ сигнал. При подключении нагрузки, вектор тока 1Т2 складывается с вектором опорного 1оНМ сигнала и результирующий вектор тока линии 1ЛН займет новое положение относительно старого 1онМ, повернувшись на угол фН2. Его величина изменится незначительно, суммарный ток не будет больше максимального 1р МАХ рабочего тока линии и тока срабатывания защиты 1С 3.
На рис. 3б изображена диаграмма данного режима. Приращение Л1 находится по тому же алгоритму —
разность между продолжительностью предыдущего периода 1;п—1 и текущего 1;п (соответствует приращению угла фн2), как в (2).
Это приращение Л1 больше первой 1:у1, но меньше второй 1:у2 уставок времени соответствующих эквивалентов углов. условия сравнения сигналов с уставками следующие:
ММу^ ^с^ (4)
поэтому защита ЛЭП также не срабатывает (1Л<1С 3 — условие несрабатывания);
в) в режиме КЗ (точка К1) в зоне действия защиты (рис. 1) происходит значительные приращения угла фК1 и амплитуды 1ЁК1 тока (рис. 4а). Приращение угла фК1 в виде временного эквивалента Л1 вычисляется аналогично (2) рассмотренным выше примерам. Как видно из диаграммы (рис. 4б), в данном случае выполняются все условия для срабатывания защиты (т.е измеренный угол фК1 больше первой 1у1 угловой уставки, но меньше второй 1:у2, и ток линии 1ЁК1 превышает ток срабатывания защиты 1С 3):
Л1Му1, ЛК1у2, 1>1С3 (5)
и она отключает ЛЭП;
г) в режиме КЗ вне зоны действия защиты, с большим приращением Л1 временного эквивалента угла (рис. 5а) и со значительным увеличением амплитуды тока 1ЛК2. Это аварийный режим может возникнуть, например, при КЗ в точке К2 (рис. 1) «за спиной» защиты, на смежной ЛЭП. В этом случае ток превышает величину уставки тока срабатывания защиты 1С3, а приращение временного эквивалента угла больше величин угловых уставок 1:у1 и 1;у2 (Л1>1;у2 — условие несрабатывания), поэтому защита не отключит ЛЭП (рис. 5б):
а)
б)
Рис. 3. а) векторы токов 1онм, 1Т1 и 1дН в режиме включения трансформатора с большой индуктивной нагрузкой; б) диаграмма рабочего режима с большим приращением угла нагрузки
а)
Рис. 4 а) векторы токов 1онм и Г в этом режиме; б) диаграмма режима КЗ в зоне действия защиты К1
М>1у2, 1л > 1с,3
(6)
Структурная схема устройства токовой направленной защиты с одной входной величиной [6] представлена на рис. 6, где обозначено: О — выключатель защищаемой линии w; ТА — трансформатор тока линии; ПТ — преобразователь тока; УАЗ — управля-
емая линия задержки; КД — корректор длительности периода промышленной частоты линии задержки; Ку — корректор угла; КП1 и КП2 — компараторы, вырабатывающие импульсы в момент перехода токового сигнала с положительной полуволны в отрицательную (компаратор перехода сигнала тока через нуль); ГИ — генератор импульсов; С — счетчик
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
Рис. 5. а) векторы токов 1оНм и 1дк2 в этом режиме; б) диаграмма режима КЗ вне зоны действия защиты К2
ТА
Я
пт
КУ-
кд
УПЗ
КП1
ги
о
ССЗ ■
У(1с,з)
зв —*
СС2
пУ
0В2
УМ
п
СС1
0В1—*
и
на откл <31
У(Цл)
Рис. 6. Структурная схема устройства токовой направленной защиты с одной входной величиной
импульсов; СС1, СС2 — схемы сравнения по углу; СС3 схема сравнения по амплитуде, у(1:у1), у(Ц2) и у(1С3) — блоки уставок, на которых ваставляются первая 1;у1 и вторая 1;у2 угловые уставки и уставка тока срабатывания защиты 1С3, соответственно; оВ1 и оВ2 — одновибраторы (расширители импульсов); ЗВ — элемент задержки времени, И — логическая схема «И».
устройство работает следующим образом. Для срабатывания защиты необходимо выполнения трех условий: превышения тока уставки тока срабатывания защиты 1С 3, превышения фазы тока первой угловой уставки 1;у1 и фазы тока должна быть меньше второй угловой уставки 1;у2. Эти три условия должны выполниться на логическом элементе «И».
1. Сигнал тока от линии w через трансформатор тока ТА и преобразователь тока ПТ поступает в схему сравнения СС3, где величина текущего тока 1л
сравнивается уставкой тока 1С 3 от у(1С 3) При превышении тока линии уставки выполняется первое условие 1л> 1сз, необходимое для срабатывания защиты. Сигнал от СС3 поступает на элемент задержки времени ЗВ, на котором выставляется уставка по времени, связанная с условиями согласования защит и с отстройкой от самозапуска 1С3П.
2. Сигнал тока от линии w через трансформатор тока ТА и преобразователь тока ПТ поступает в компаратор КП2, который вырабатывает импульс при переходе сигнала тока через нуль с положительной полуволны в отрицательную. На аналогичный компаратор КП1 сигнал тока поступает от ПТ через управляемую линию задержки уёЗ, которая производит задержку сигнала тока на длительность периода (1 = 0,02 с) промышленной частоты (£ = 50 Гц), корректируемую корректором длительности КД периода промышленной частоты.
Поскольку рабочая частота в системе (а значит и длительность периода) может незначительно меняться в допустимых пределах 49,8.50,2 Гц, то длительность задержки УАЗ корректируется специальным корректором К в соответствии с изменяемой частотой. Счетчик С запускается импульсом от компаратора КП1, а останавливается импульсом от компаратора КП2. Если в течение предшествующего периода происходило изменение фазы тока, то за это время счетчик С посчитает количество импульсов, подаваемых от генератор импульсов ГИ. Количество посчитанных импульсов будет пропорциональным М — первой величине углового эквивалента. Первая уставка по фазе выставляется на блоке уставок У(1:У1). Если фаза изменится на величину больше уставки 1;У1 (что возможно при КЗ в зоне действия защиты в точке К1, рис. 1), то выполнится условие и схема сравне-
ния СС1 выдает импульс по крайней мере в течении длительности периода промышленной частоты. Благодаря одновибратору ОВ1 этот импульс присутствует на нем в течении времени 1ОВ1 = ^ЗП + 1ЗДП, где 1;ЗдП — время запаса, необходимое для надежного срабатывания выключателя О.
3. Если фаза тока за измеряемый период изменится больше допустимого (что возможно при КЗ вне зоны действия защиты в точке К2, рис. 1), то выполнится условие А1МУ2 и схема сравнения СС2 выдает импульс по крайней мере в течении длительности периода промышленной частоты. Благодаря одновибратору ОВ2 этот импульс присутствует на нем в течении времени 1;ОВ1 = 1;СЗП + 1;ЗДП, где 1;ЗДП — время запаса, необходимое для надежного несрабатывания выключателя О. Поскольку с выхода ОВ2 сигнал поступает на инвертированный вход элемента «И», то в этом случае сигнала на отключение выключателя О не произойдет.
Таким образом, устройство подаст сигнал на отключение выключателя О при соблюдении вышеупомянутых трех условий:
— если ток линии превысит уставку тока 1Л>1С З;
— если фаза тока линии увеличится превысит первую уставку фазы А1>1;У1;
— если фаза тока линии не превысит вторую уставку фазы АК1У2;
4. В устройстве предусмотрен корректор угла КУ, который предназначен для запоминания и корректировки угла. КУ помнит угол срлн тока линии предшествующего режима относительно напряжения и в случае приращения угла подает сигнал на счетчик С для его суммирования. Вторым назначением КУ слу-
жит то, что в момент включения устройства нам нужно знать угол между током и напряжения в данный момент времени, так как устройство способно определять угол и направление мощности в динамических режимах (при изменении фазы тока). Потому значение фазы момента времени включения выставляется в КУ вручную или автоматически по каналам связи (при ее наличии). Выставление вручную возможно при получении информации с диспетчерского пункта или при измерении переносными измерительными устройствами.
Заключение. Токовые защиты, построенные по предлагаемому алгоритму, реагируют на КЗ в зоне действия защиты, не срабатывают при КЗ вне зоны действия защиты и при изменении направления мощности в линии в рабочем режиме. Для такой защиты не нужны цепи напряжения, которые используются в классических схемах.
Библиографический список
1. Федосеев, Д. М. Релейная защита электрических систем : учеб. для вузов / Д. М. Федосеев. — М. : Энергия. 1976. — 560 с.
2. Пат. 2244994 Российская Федерация, МПК7 Н02Н 3/38. Способ определения направления мощности токовых защит / Никитин К. И. ; заявитель и патентообладатель Омский государственны технический университет. — № 2003120761/ 09 ; заявл. 07.07.2003 ; опубл. 20.01.2005, Бюл. № 2
3. Ульянов, С. Д. Электромагнитные переходные процессы / С. Д. Ульянов. — М. : Энергия, 1970. —520 с.
4. Веников, В. Д. Переходные электромеханические процессы в электрических системах : учеб. для электроэнергет. спец. вузов / В. Д. Веников. — 4-е изд., перераб. и доп. — М. : Высш. шк., 1985. — 536 с.
5. Дтабеков, Г. И. Основы теории цепей : учебник / Г. И. Дта-беков. — 3-е изд., стер. — СПб. : Лань, 2009. — 432 с.
6. Никитин, К. И. Определение направления мощности токовых защит с одной входной величиной / Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем : матер. III Межд. науч.-техн. конф. Санкт-Петербург, 30 мая — 03 июня 2011. — С. 36 — 37.
НИКИТИН Константин Иванович, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
Ддрес для переписки: nki@ngs.ru
Статья поступила в редакцию 08.06.2011 г.
© К. И. Никитин
Книжная полка
681.5/К64
Коновалов, Б. И. Теория автоматического управления : учеб. пособие для вузов по специальности 210106 «Промышленная электроника» направления подгот. дипломир. специалистов 210100 «Электроника и микроэлектроника» / Б. И. Коновалов, Ю. М. Лебедев. - 3-е изд., доп. и перераб. - СПб. [и др.] : Лань, 2010. - 218 с. - 18БЫ 978-5-8114-1034-7.
Учебное пособие соответствует программе семестрового курса лекций по теории линейных систем автоматического управления. Содержит основные понятия, передаточные функции, частотные и временные характеристики различных звеньев и систем автоматического управления. Исследуется устойчивость непрерывных и импульсных систем, производится оценка качества переходных и установившихся режимов работы этих систем. Рассмотрены методы синтеза последовательных корректирующих устройств.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
