Вычисление зоны срабатывания токовой защиты, реагирующей на приращение вектора тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

(1), то на реле 11 подается сигнал. Спустя выдержку времени оно подает сигнал на исполнительный орган, действующий на отключение выключателя Q1 защищаемой линии W1.

Реализация предложенного алгоритма также может быть выполнена программно, в составе микропроцессорных защит.

Вывод

Резервная защита линий, построенная по предложенному алгоритму, способна реагировать на удаленные КЗ с минимальными токами = (0,2—0,5)/„ , : - '■'-' )■■' ■, тем самым обеспечивая необходимую чувствительность дальнего резервирования.

Библиографический список

1. Федосеев А. М., Федосеев М. А. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1992. -528 с.: ил.

2. Чернобровов Н. В., Семенов В. А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 800 с.: ил.

3. Ульянов С. А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: Учеб. для электротехнических

и энергетических вузов и факультетов. — М.: «Энергия», 1970.- 520 с.: ил.

4. Клецель М. Я., Никитин К. И. Анализ чувствительности резервных защит распределительных сетей энергосистем// Электричество, 1992. № 2. С.19-23.

5. Никитин К. И., Стинский А. С., Шахаев К. Т., Шело-минцев Д. С. Устройство резервной защиты линий для сетей с заземленной нейтралью. - Реш. о выд. патента на изобр. по заявке № 2006130587/09 (033235). - 2006.

НИКИТИН Константин Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета. СТИНСКИЙ Александр Сергеевич, аспирант кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова. ШАХАЕВ Куаныш Тулеугазиевич, аспирант кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова.

Дата поступления статьи в редакцию: 12.10.2007 г. © Никитин К.И., Стинский А.С., Шахаев К.Т.

УДК 621-316-9 К. И. НИКИТИН

Омский государственный технический университет

ВЫЧИСЛЕНИЕ ЗОНЫ СРАБАТЫВАНИЯ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ, РЕАГИРУЮЩЕЙ НА ПРИРАЩЕНИЕ ВЕКТОРА ТОКА

Рассматривается чувствительная защита ЛЭП, которая резервирует защиты трансформаторов ответвлений. Предлагается расчет зоны срабатывания токовой резервной защиты, реагирующей на приращение вектора тока. Зона срабатывания определена в комплексной плоскости тока и дана в уравнениях.

Актуальность. На линиях с ответвлениями трудно обеспечить дальнее резервирование релейной защиты [1], так как ток короткого замыкания (КЗ) за трансформатором ответвления (ТО) соизмерим, а иногда может быть меньше максимального рабочего тока линии (рис.1). Для повышения чувствительности защит были предложены новые алгоритмы и принципы построения измерительных органов: самонастраивающиеся [2, 3], адаптивные [4] или, реагирующие на приращение вектора тока [5, 6]. На основе аналоговой техники реализация таких алгоритмов была сложна, а настройка устройств нетехнологична. С развитием микропроцессорной техники стало возможно построение защит с вы-

числительными алгоритмами практически любой сложности.

Постановка задачи и решение. Однако для реализации защиты, реагирующей на приращение вектора тока, недостаточно повторить конструкцию устройства или алгоритм, необходимо вычислить зону срабатывания (ЗС). В область этой ЗС должен попадать вектор приращения аварийного режима, а приращения остальных режимов, при которых срабатывание не производится, должны располагаться вне этой зоны. Такая характеристика была определена расчетом приращения вектора тока КЗ (металлического и через дугу) за трансформатором ответвления (ТО) во всех возможных доаварийных режимах работы:

1) холостой ход нагрузки трансформатора с металлическим КЗ (ХХН-М);

2) холостой ход нагрузки трансформатора с КЗ через дугу (ХХН-Д);

3) режим максимальной активной нагрузки с металлическим КЗ (МАН-М);

4) режим максимальной активной нагрузки с КЗ через дугу (МАН-Д);

5) режим максимальной реактивной нагрузки с металлическим КЗ (МРН-М);

6) режим максимальной реактивной нагрузки с КЗ через дугу (МРН-Д).

Для расчетов несложно составить схему замещения (рис.2) с металлическим КЗ и схему замещения (рис.3) с КЗ через дугу.

Определим сопротивления элементов этой схемы:

Приведем пример расчета для трансформатора ТМН-2500/110. Полное сопротивление трансформа-

к Ц*к напряжению короткого замыкания [7, 8]:

7.т=-

100

а активное ц!

'Н А' с

х; = Ш*

г1

вя

100

Р г1

Я — — г

22 2500

2,5 110-110 2,5

=508,2 Ом

=426 Ом

Л" -71

100

= -^503, 22- 42, б2 = 506, 4 Ом .

Пд=-

1д

Рис. 1. Схема линии с ответвлениями

(1)

Рис. 2. Схема замещения ЛЭП и металлического КЗ за ТО

- к мощности короткого замыкания

(2)

где ик - напряжение короткого замыкания трансформатора, [%]; Рк - мощность короткого замыкания трансформатора, [кВт]; вн - номинальная мощность ТО, [кВА].

Из (1) и (2) найдем реактивное сопротивление трансформатора:

(3)

Для указанного трансформатора каталожные данные таковы [9]: БТ=2500 кВА, номинальное напряжение обмотки высокого напряжения ивн=И0 кВ, Рк=22 кВт, ик=10,5 % . В именованных единицах сопротивления трансформатора, приведенные к стороне высшего напряжения (ВН) могут быть найдены так: 10,5 110-110 100

Рис. 3. Схема замещения ЛЭП и КЗ через дугу за ТО

1376 А (8)

С учетом вышесказанного сопротивление дуги, приведенное для стороны ВН, рассчитывается так:

(4)

=1050

1 ик%4з-инн Г¡7

(5)

100

1050-1 -10,5-1,73-1101

и»

100-2500-10

Ом

(9)

(6)

Вектор тока /к при КЗ за ТО будет определяться параметрами Дуй Ху.

1. Активная и реактивная составляющие при металлическом КЗ могут быть найдены по формулам:

Согласно экспериментальным исследованиям, при токах КЗ в сотни ампер и более градиент напряжения в дуге мало зависит от тока [10, 11], а ее сопротивление, являющееся практически активным, определяется по выражению:

1050 •/„

г -Чм.

™ л/Г

7 -Чш.

Кт 110000 42,6

508,2

110000 506,4 >/3 508,2

А

А

(10)

(11)

(7)

2. Активная и реактивная составляющие /к тока КЗ за ТО с учетом переходного сопротивления дуги определяются:

где 1д - длина дуги, для сетей 6 - 10 кВ может быть взята около 1 м; 1д - ток дуги в [А], может быть найден из условия максимального тока КЗ на выводах низшего напряжения (НН) ТО:

^ы? —

110000-(42,6 + 92,3) ■/3(506,42 + (42,6 + 92,3)2)

А

(12)

тора % в относительных единицах приравнивается

110000 42,6 2500 0,71

110000-506,4 Л(506,42 +(42,6 +92,3)2)

= 117,1А

(13)

3. Приращение тока при металлическом КЗ с предшествующим режимом максимальной активной нагрузки. Так как в доаварийном режиме максимальный рабочий 1РАБШУ ток трансформатора равен:

508,2г J3.n0

Л £иви ~

110000 506,4 2500-0,71 £ 508,22 «УГпо

= 1,2 А

(17)

= 115,ЗА

(18)

8Т -С08фя _ 2500-1

А ,

(14)

Тъ-изн -J5.no"

то КЗ сопровождается не только увеличением тока на величину Iк но и уменьшением тока на /. Полагается, что при режиме МАН соБф,, = 1, тогда

К ^

6. Дуговое КЗ с предшествующим режимом максимальной реактивной нагрузки. Подобно предыдущим случаям составляющие приращения вектора КЗ находятся из выражений:

иви(Кт + Кв) ¿'т-со$<рн _

1КА6 ~

Jз(X2 + (Дт + Ид )2) Jз -иБН 110000-(42,6 + 92,3) 2500-0,71

г ___=

"""Л г; Л-иян~

1 10000 42,6 2500 1

А ,

(15)

Л(50б,4Ч(42,б+92,3)3) Л-110

1 ЦВнхт ¿У'йшуя

етб •^(Х1 + (ЯТ+Л3У) у!з и.

= 21,9 А (19)

1т = 4~мх-

Л 508,22 Л-110 а реактивная составляющая соответствует (11) =124,5 А.

4. Дуговое КЗ с предшествующим режимом максимальной активной нагрузки. Аналогично предыдущему случаю:

ивн (дг + дд) _ ¿у

110000 (42,6 + 92,3) 2500-1 _ ^^ (16) Л(50б,42 + (42,6 + 92,3)2) Л 110 и реактивная составляющая как в (13) 7^=7^117,1 А.

5. Металлическое КЗ с предшествующим режимом максимальной реактивной нагрузки. Как показывает практика, величина коэффициента мощности обычно не превышает 0,71, что соответствует <ри = 45°, с учетом этого можно записать:

т ЛУС05<р„

Л гГ Л^ ~

ч 1 ^т 1 110000 506,4

БН

2500- 0,71

107,8 А (20)

Л(506,42 + (42, б + 92,3)2) J3.H0 Аналогичные расчеты, сделаны для трансформаторов мощностью 4,0 МВА, 6,3 МВА, 10,0 МВА и 16,0 МВА, сведены в таблицу 1.

Построим векторы приращения тока КЗ в различных режимах работы для трансформатора 2,5 МВА (рис. 4). Как видно из диаграммы, приращение тока при металлическом КЗ с предшествующим режимом максимальной активной нагрузки имеет отрицательную активную часть, т.е. угол приращения больше -90 град. ЗС защиты удобно описывать прямоугольной или трапецеидальной (многоугольной) геометрической фигурой или в полярных координатах. Реализация таких ЗС на основе микропроцессорной техники наиболее удобна.

Таким образом, для защиты трансформатора 2,5 МВА описание ЗС в декартовой системе координат будет выглядеть следующим образом:

Таблица 1

Приращение тока Д1К, А

^ч Режим

Мощ-^ч ность 1 ХХН-М 2 ХХН-Д 3 МАН-М 4 МАН-Д 5 МРН-М 6 МРН-Д

ТО, МВА

2,5 10,5-]'125 31,2-'117 -2,6-'125 18,1-'117 1,2-'115 21,9-'108

4,0 16,7-]'199 49.9-'187 -4.3-'199 28.8-'187 1,8-'184 35,0-'173

6,3 20,9-'314 73,9-'297 -12,1-'314 40,9-'297 -2,4-'291 50,6-'274

10,0 28,6-'499 113,4-'474 -23,9-'499 60,8-'474 -8,6-'462 76,2-'436

16,0 40,5-'799 177-'760 -43,5-'799 92,8-'760 -18,9-'739 117-'700

Таблица 2

Описание ЗС в декартовых координатах Описание ЗС в полярных координатах

Мощность ТО, МВА Диапазон Д1С З А Диапазон Д1С З Р Диапазон ф Диапазон Д1

2,5 -2,6 31 -'125 -108 269 285 -125 -108

4,0 -4,3 50 -199 -'173 269 285 -199 -173

6,3 -12 74 -'314 -'274 268 284 -314 -274

10,0 -24 113 -'499 -'436 267 283 -499 -436

16,0 -44 177 -'799 -'700 267 283 -799 -700

Рис. 4. Векторы приращения тока КЗ за ТО 2500 кВА и ЗС защиты

а в полярной системе координат:

(21)

(22)

Анализируя результаты расчетов, приведенных в табл.1, аналогичным образом для других трансформаторов получены описания ЗС и сведены в табл. 2.

Результаты и выводы.

1. Построение этих диаграмм на комплексной плоскости токов дает нам граничные значения ЗС защиты, реагирующей на приращение вектора тока. При попадании приращения вектора тока в ЗС защита подаст сигнал на отключение по истечении заданной выдержки времени.

2. Определены ЗС защиты для разных трансформаторов в декартовой и полярной системах координат.

3. Защиты, реагирующая на приращение вектора тока, является резервной и имеет достаточно большую выдержку времени, поэтому в режимах самозапуска группы мощных двигателей (когда возможны приращения вектора тока с реактивным

характером) она не сработает.

4. Возможные приращение вектора тока при бросках тока намагничивания силовых трансформаторов также не приведут к срабатыванию защиты из-за большой выдержки времени.

Библиографический список

1. Рубинчик, В.А. Резервирование отключения коротких замыканий в электрических сетях [Текст].- М. : Энергоатом — издат, 1985. — 120 с.

2. Поляков, В.Е. Вопросы самонастройки релейных защит [Текст]// Изв. вузов. Сер.: Энергетика. - 1966. - № 12. С. 15-18.

3. Клецель, М.Я. Самонастраивающаяся токовая защита [Текст] / М.Я. Клецель, К.И. Никитин, В.Е. Поляков// Изв. вузов. Сер. : Энергетика. - 1989. - № 9. - С.44-46.

4. Богдан, А.В. Адаптивная резервная токовая защита тупиковых линий с ответвлениями [Текст]/ А.В. Богдан, М.Я. Клецель, К.И. Никитин // Электричество. — 1991. -№ 2. - С.61-54

5. А. с. 1361668 СССР, МКИ4 Н 02 Н 3/08. Устройство для резервной токовой защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного короткого замыкания [Текст] // М.Я. Клецель, М.А. Копбаев, К.И. Никитин, В.Е. Поляков (СССР). — 4054408/24 — 07; заявл. 14.04.86; опубл. 23.12.87, Бюл. № 47. — 5 с. :ил.

6. А. с. 1728914 СССР, МКИ5 Н 02 Н 3/08. Устройство для резервной токовой защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного короткого замыкания [Текст] // М.А. Копбаев, К.И. Никитин (СССР). — 4638583/07 ; заявл. 16.01.89 ; опубл. 23.04.92. Бюл. № 15. — 8 с.:ил.

7. Вольдек, А.И. Электрические машины [Текст]: учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. —2 — е изд. перераб. и доп. - Л.:Энергия. - 1974. - 840 с. — Библиогр.: с. 819 — 823 — 70000 экз.

8. ГОСТ—28249 — 93. Короткие замыкания в электроустановках.

9. Ершевич, В.В. Справочник по проектированию электроэнергетических систем [Текст] / В.В. Ершевич, А.Н. Зейлигер, Г.А. Илларионов и др.,: Под ред. С. С. Рокотяна и И.М. Шапиро. 3 — е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат. - 1985. — 352 с.: ил. - Библиогр.: с. 347 — 349 — 30000 экз.

10. Федосеев, А.М. Релейная защита электроэнергетических систем [Текст]: учеб. для вузов / А.М. Федосеев, М.А. Федосеев. — 2 — е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат. - 1992.— 528 с. Библиогр.: с. 511—515 — 3500 экз.

11. Афанасьев В.В. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения [Текст] : — Л.: Энергоатомиздат. — 1987. —544 с. Библиогр.: с. 536 — 542 — 5000 экз.

НИКИТИН Константин Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

Дата поступления статьи в редакцию: 15.11.2007 г. © Никитин К.И.