Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Иванов Игорь Юрьевич
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ 110-220 КВ С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Казань 2012
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Эффективная работа систем электроснабжения промышленных предприятий и электроэнергетических систем в определяющей мере связана с функционированием устройств релейной защиты и автоматики, предназначенными осуществлять быструю и селективную автоматическую ликвидацию повреждений в перечисленных системах.
инии электропередачи (ЛЭП) напряжением 110-220 кВ являются одними из наиболее ответственных компонентов систем электроснабжения: они связывают внутреннюю часть системы электроснабжения с электроэнергетической системой. В то же время, ЛЭП являются самым уязвимым и наиболее часто повреждаемым элементом системы электроснабжения.
Для выявления и отключения повреждений в пределах всей защищаемой ЛЭП напряжением 110-220 кВ без выдержки времени применяют защиты с абсолютной селективностью. Главным свойством таких защит является их селективность, то есть способность выявлять повреждённую ЛЭП и отключать только её, не действуя при коротких замыканиях на смежных элементах системы электроснабжения. Значительный вклад в разработку алгоритмов функционирования и совершенствование защит ЛЭП с абсолютной селективностью внесли советские и российские ученые: Сапир Е.Д., Гельфанд Я.С., Левиуш А.И., Борисов Л.Ф., Дони Н.А.
В настоящее время в качестве основной релейной защиты с абсолютной селективностью на ЛЭП напряжением 110-220 кВ находит применение дифференциальная защита линии (ДЗЛ) с цифровым каналом связи.
Одним из основных показателей технического совершенства устройств релейной защиты и, в частности, ДЗЛ, является устойчивость их функционирования, которая характеризует способность сохранять основные свойства защиты - селективность, чувствительность и быстродействие, при воздействии ряда факторов, приводящих к искажению входных сигналов. Для дифференциальных защит к такого рода факторам, например, относятся интенсивные электромагнитные переходные процессы, имеющие место при коротких замыканиях (КЗ). Известны работы отечественных ученых Афанасьева А.Ю., Вайнштейна Р.А., Евдокунина Г.А., Засыпкина А.С., Левинштейна М.Л., Лосева С.Б., Любарского Д.Р., Лямеца Ю.Я., Подгорного Э.В., Федотова А.И., Чернина А.Б., Шнеерсона Э.М., Шуина В.А., посвященные исследованиям динамических режимов функционирования электротехнических систем в условиях электромагнитных переходных процессов.
Эффективное функционирование современных устройств ДЗЛ обеспечивается при выполнении определённых требований к некоторым свойствам защиты. При повреждениях на защищаемой линии (внутренних КЗ) ДЗЛ должна обладать свойствами быстродействия и чувствительности. При повреждениях вне защищаемой линии (внешних КЗ) к ДЗЛ предъявляется требование селективности.
Сложность в обеспечении селективности ДЗЛ при внешних КЗ обусловлена насыщением электромагнитных трансформаторов тока (ТТ) в переходных режимах, что может привести к существенным искажениям входных токов ДЗЛ, и, как следствие, неселективной работе защиты. Обзор литературы показал, что селективность современных устройств ДЗЛ при внешних КЗ достигается путём уменьшения быстродействия и чувствительности защиты. Отсюда следует, что свойства современных устройств ДЗЛ (селективность, быстродействие, чувствительность) находятся в сложной зависимости друг от друга.
С учётом сказанного выше задача совершенствования алгоритмов ДЗЛ актуальна и связана прежде всего с обеспечением селективности защиты при внешних КЗ, сопровождающихся насыщением ТТ; повышением быстродействия и чувствительности защиты; исключением зависимости чувствительности и быстродействия ДЗЛ от уровня отстроенности при внешних КЗ. Проведённый анализ известных исполнений ДЗЛ привёл также к выводу о целесообразности изменения функциональной схемы ДЗЛ и совершенствования существующих алгоритмов работы основных логических узлов защиты.
Объект исследования - дифференциальные защиты линий электропередачи напряжением 110-220 кВ.
Предмет исследования - устойчивость функционирования дифференциальных защит линий электропередачи напряжением 110-220 кВ.
Цель исследования - создание дифференциальной защиты линии с повышенной устойчивостью функционирования в переходных режимах короткого замыкания для эффективной работы систем электроснабжения промышленных предприятий и электроэнергетических систем.
Задача исследования - разработка методик моделирования, функциональных схем, принципов построения и алгоритмов функционирования основных логических узлов дифференциальной защиты линии с повышенной устойчивостью функционирования в переходных режимах короткого замыкания.
Поставленная задача научного исследования решается в следующих направлениях:
1. Анализ состояния и определение перспективных направлений совершенствования дифференциальных защит линий электропередачи.
2. Синтез математических моделей базовых элементов системы электроснабжения для исследования влияния параметров первичной сети и параметров электромагнитных трансформаторов тока на устойчивость функционирования дифференциальной защиты линии в переходных режимах короткого замыкания.
3. Имитационное моделирование дифференциальной защиты линии при различных исходных параметрах системы электроснабжения.
4. Обоснование использования в функциональной схеме дифференциальной защиты линии дополнительных логических узлов, позволяющих определять зону повреждения с помощью вспомогательных признаков, свойственных различным режимам работы защищаемой линии.
5. Разработка принципов построения и алгоритмов функционирования основных логических узлов дифференциальной защиты линии, использующей вспомогательные отличительные признаки внутреннего и внешнего коротких замыканий.
6. Имитационное моделирование дифференциальной защиты линии с контролем вспомогательных признаков внутреннего и внешнего коротких замыканий в переходных режимах.
Методы исследования. В диссертационной работе применены численные методы решения алгебраических и дифференциальных уравнений, метод сопряжения интервалов, метод наименьших квадратов, метод имитационного моделирования дифференциальной защиты.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается применением апробированных моделей линий электропередачи и электромагнитных трансформаторов тока, использованием общепринятых физических допущений в отношении моделирования электромагнитных переходных процессов в системах электроснабжения, использованием теоретических и экспериментальных данных других авторов и сопоставлением с ними полученных результатов.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе заключается в совершенствовании алгоритмов работы ДЗЛ и состоит в следующем:
1. Исследовано функционирование ДЗЛ при электромагнитных переходных процессах на ЛЭП напряжением 110-220 кВ, имеющих место при КЗ, показавшее необходимость разработки новых алгоритмов функционирования ДЗЛ, реализация которых возможна на базе микропроцессорной техники с использованием прогрессивных способов обработки информации.
2. Определены основные параметры, влияющие на устойчивость функционирования ДЗЛ в переходных режимах КЗ: кратность первичного тока КЗ, угол возникновения КЗ, постоянная времени первичной сети и остаточная намагниченность электромагнитных ТТ.
3. Анализ сигналов ДЗЛ в переходных режимах КЗ показал, что существенное повышение устойчивости функционирования защиты может быть достигнуто при использовании вспомогательных отличительных признаков, свойственных режимам внутреннего и внешнего КЗ в переходных режимах, в дополнение к традиционному принципу действия, основанному на вычислении дифференциального и тормозного токов.
4. Разработаны принципы построения и алгоритмы функционирования основных логических узлов дифференциальной защиты линии с контролем вспомогательных признаков внутреннего и внешнего коротких замыканий, обеспечивающие повышение устойчивости функционирования защиты в переходных режимах КЗ.
Практическая ценность работы. Способы синтеза математических моделей элементов системы электроснабжения, методика проведения имитационного моделирования дифференциальной защиты линии при различных исходных параметрах системы электроснабжения, а также теоретический подход к исследованию алгоритмов функционирования микропроцессорных устройств релейной защиты в условиях интенсивных переходных процессов, рекомендованы к использованию при расчёте, выборе параметров настройки вновь вводимых устройств релейной защиты энергообъектов, а также при проверке соответствия параметров настройки действующих устройств релейной защиты энергообъектов режимам работы системы электроснабжения.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований внедрены и используются в Филиале ОАО СО ЕЭС Региональное диспетчерское управление энергосистемы республики Татарстан при расчёте и выборе параметров настройки модернизируемых устройств дифференциальной защиты при новом строительстве и реконструкции объектов электроэнергетики, расположенных в энергосистеме республики Татарстан. Также результаты диссертационной работы внедрены и используются в учебном процессе кафедры Электрооборудования КНИТУКАИ им. А.Н.Туполева при выполнении курсовых и дипломных работ студентами и магистрантами.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Методика проведения имитационного моделирования дифференциальной защиты линии при различных исходных параметрах системы электроснабжения.
2. Результаты исследований влияния параметров первичной сети и параметров трансформаторов тока на устойчивость функционирования дифференциальной защиты линии в переходных режимах короткого замыкания.
3. Разработанные алгоритмы функционирования дополнительных логических узлов функциональной схемы дифференциальной защиты линии, позволяющие определять зону повреждения с помощью вспомогательных признаков, свойственных различным режимам работы защищаемой линии.
4. Усовершенствованная функциональная схема дифференциальной защиты линии с дополнительными логическими узлами, позволяющая повысить устойчивость функционирования защиты в переходных режимах короткого замыкания.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных и научно-технических конференциях:
XX конференции Релейная защита и автоматика энергосистем (Москва, 2010 г.), Всероссийской молодёжной научно-технической конференции Электроэнергетика глазами молодёжи в УрФУ (Екатеринбург, 2010 г,), V и VI открытой молодёжной научно-практической конференции Диспетчеризация в энергетике: проблемы и перспективы (Казань, 2010, 20гг.), Международной научно-технической конференции Электроэнергетика глазами молодёжи в СамГТУ (Самара, 2011 г.), VI ежегодной Международной научно-практической конференции Повышение эффективности энергетического оборудования - 2011 в ИГЭУ (Иваново, 20г.), VII молодежной международной научной конференции Тинчуринские чтения в КГЭУ (Казань, 2012 г.) и международной научно-практической конференции Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России (Чебоксары, 2012 г.), а также на научно-техническом совете в ООО НПП ЭКРА (Чебоксары, 2012 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 научные статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рекомендуемых изданий ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 1страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.
Работа включает в себя 8 таблиц и 43 рисунка. Список литературы содержит 122 источника.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задача диссертации, определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дана информация о структуре и объеме диссертации.
В первой главе произведен анализ дифференциальных защит линий электропередачи напряжением 110-220 кВ, описаны достоинства и недостатки современных устройств ДЗЛ, рассмотрены тенденции в развитии дифференциальных защит.
Выполненный анализ недостатков ДЗЛ позволил выявить факторы, обуславливающие необходимость исследования и разработки новых алгоритмов функционирования ДЗЛ, реализация которых возможна на базе микропроцессорной техники. К таким факторам следует отнести искажение входных токов ДЗЛ, обусловленных насыщением электромагнитных трансформаторов тока в переходных режимах КЗ, а также заниженную чувствительность защиты при КЗ на защищаемой линии вследствие использования в алгоритме функционирования защиты повышенных коэффициентов торможения.
Одним из основных этапов разработки и исследования новых алгоритмов работы ДЗЛ является математическое моделирование электромагнитных переходных процессов при коротком замыкании.
Во второй главе выполнен анализ и структурный синтез математических моделей базовых элементов системы электроснабжения для исследования влияния параметров первичной сети и параметров электромагнитных трансформаторов тока на устойчивость функционирования ДЗЛ в переходных режимах КЗ. Показано, что для исследования динамических режимов функционирования быстродействующих релейных защит, к которым относится ДЗЛ, возможно применить метод имитационного моделирования.
Разработана методика проведения имитационного моделирования ДЗЛ при различных исходных параметрах системы электроснабжения.
В структурной схеме имитационной модели ДЗЛ (рис.1) с помощью блочного принципа реализованы блок моделирования КЗ, блоки моделирования входного сигнала стороны 1 и 2, блоки моделирования трансформатора тока стороны 1 и 2, блок моделирования ДЗЛ.
В блоке моделирования КЗ задаются основные параметры системы:
активные и индуктивные сопротивления участка цепи КЗ, параметры токов нагрузки и КЗ, вид и длительность КЗ.
Рис. 1. Структурная схема имитационной модели ДЗЛ.
Возникновение в системе электроснабжения КЗ сопровождается появлением электромагнитного переходного процесса. Аналитическое выражение переходного тока КЗ в симметричной трёхфазной сети с сосредоточенными активными сопротивлениями и индуктивностями имеет вид:
t t T1 Ti1(t) I1 kmax sin(t К ) sin( К ) e Iнагр sin( ) e , (1) где I1 - номинальный первичный ток ТТ, А; kmax - кратность первичного тока КЗ; - угол возникновения КЗ, град; К - угол сдвига тока относительно напряжения соответствующей фазы в цепи короткого замыкания, град;
X T1 - постоянная времени цепи КЗ; Iнагр - амплитуда предшествующего R тока нагрузки, А; - угол сдвига тока относительно напряжения соответствующей фазы в нагрузочном режиме, град.
При имитации КЗ, с выхода блока моделирования входного сигнала 1 (2 ) на вход блока моделирования трансформатора тока 1 (2) подаётся сигнал i1(t), пропорциональный току, вычисляемому по выражению (1).
При рассмотрении процессов в цепях защиты, питаемой от измерительных ТТ, последние представляются схемой замещения, представленной на рис. 2, с приведением величины первичного тока к виткам вторичной обмотки, где i - приведённый первичный ток, А; i2 - вторичный ток, А; i0 - ток намагничивания, А; L0 - индуктивность ветви намагничивания, Гн; R2 - активное сопротивление нагрузки, Ом; L2 - индуктивность нагрузки, Гн.
Рис. 2. Схема замещения трансформатора тока.
Наиболее часто для подключения устройств релейной защиты используются трансформаторы тока с ферромагнитным сердечником без воздушных зазоров. Их математическая модель имеет вид:
w1 i1 w2 i2 dB diH ; w2 S R2 i2 L2 ; B f (H ). (2) l dt dt где w1, w2 - число витков первичной и вторичной обмоток ТТ; l - средняя длина линии магнитного поля в сердечнике, м; S - площадь поперечного сечения магнитопровода, м2; B - магнитная индукция в сердечнике, Тл; Н - напряжённость магнитного поля в сердечнике, А/м.
Неизвестной величиной является вторичный ток i2, производя преобразования, получим нелинейное дифференциальное уравнение, выраженное в форме Коши:
dB didi2 w1 w2 S R2 l idH dt . (3) dB dt w2 S L2 l dH Для построения кривой намагничивания B=f(H) используется модель Джилса-Атертона, согласно которой:
M S B 0 H (1 ), (4) H A где 0=12,56.10-7 (Гн/м) - магнитная постоянная; MS - намагниченность насыщения, А/м; А - параметр формы безгистерезисной кривой намагничивания, А/м.
Расчёт и выбор параметров модели магнитного сердечника по справочным данным производится в следующем порядке:
1. Производится выбор расчётных точек. Используя данные по безгистерезисной кривой намагничивания, выбираются две точки, расположенные на начальном участке этой кривой, и по двеЦтри точки на её колене и на участке насыщения.
2. Для всех выбранных точек производятся расчёты относительной магнитной проницаемости r.i и функции намагниченности Fi по следующим формулам:
1 B F ; r . (5) r 1 0 H 3. Составляется парный список значений Hi и Fi.
4. С помощью метода наименьших квадратов производится аппроксимация зависимости F(H), заданной в виде парного списка значений Hi и Fi. Результатом аппроксимации является получение линейной функции вида F a H b, где a и b - расчётные значения коэффициентов.
5.Находятся значения параметров MS и А модели нелинейного сердечника:
M ; A M b. (6) S S a В общем случае напряжённость магнитного поля H определяется значениями тока намагничивания i0, для расчёта которого представляется целесообразным производить численное интегрирование (2).
Если допустить, что индуктивность рассеивания вторичной обмотки ТТ равна нулю, то может быть получено расчётное выражение для тока намагничивания:
Lнагр di1(t ) ji1(t ) i0(t ) j1 j RТТ Rнагр dt i0 , (7) T1 t где RТТ - активное сопротивление вторичной обмотки ТТ, Ом; Rнагр - активное сопротивление нагрузки, подключённой к вторичной обмотке ТТ, Ом; Lнагр - индуктивность нагрузки, подключённой к вторичной обмотке ТТ, Гн; T2 - постоянная времени вторичной цепи ТТ.
При заданных функциях i1=f(t) и B=f(H) решается дифференциальное уравнение (3) методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага h, позволяющим обеспечить заданную точность.
Значение вторичного тока в момент времени t=tj+1 определяется по выражению (8):
h i2. j1 i2. j (q1j 2q2j 2q3j q4j ), (8) h h q1 h h qq1j f (t,i2. j ) q2j f (t ,i2. j ) q3j f (t ,i2. j ) где ; ; ;
j j j 2 2 2 q4j f (t h,i2. j h q3 ).
j Полученные мгновенные значения вторичных токов с обеих сторон ЛЭП являются входными сигналами для блока моделирования ДЗЛ.
Алгоритмы измерения современных микропроцессорных устройств релейной защиты базируются на использовании дискретного преобразования Фурье, согласно которому производится выделение функции в частотной области из функции, заданной во временной области, поэтому для определения интегральных параметров дифференциального и тормозного токов ДЗЛ используются выражения (9) и (10). В блоке моделирования ДЗЛ последовательно вычисляются:
- мгновенные значения дифференциального iДИФ(n) и тормозного iТОРМ(n) токов:
iДИФ (n) i2 (n) i2 (n), iТОРМ(n) i2(n) i2(n).
- основная гармоническая составляющая дифференциального тока IДИФ(n):
N 2 2 k IДИФ.RE (n) (n k) sin( ), iДИФ N N k N 2 2 k IДИФ.IM(n) (n k)сos( ), iДИФ N N k 2 IДИФ (n) IДИФ.RE IДИФ.IM. (9) - основная гармоническая составляющая тормозного тока IТОРМ(n):
N 2 2 k IТОРМ.RE (n) (n k)sin( ), iТОРМ N N k N 2 2 k IТОРМ.IM (n) (n k) сos( ), iТОРМ N N k 2 IТОРМ (n) IТОРМ.RE IТОРМ.IM. (10) При этом условие срабатывания ДЗЛ задаётся следующими соотношениями:
IДИФ IД.УСТ, (11) IД.УСТ IД.0 kТОРМ IТОРМ, где IД.УСТ - уставка срабатывания ДЗЛ, А; IД.0 - начальный порог срабатывания ДЗЛ, А; kТОРМ - коэффициент торможения.
Таким образом, получив в качестве выходных сигналов имитационной модели значения дифференциального и тормозного токов, можно исследовать влияние параметров первичной сети и параметров ТТ на устойчивость функционирования ДЗЛ в переходных режимах КЗ.
В третьей главе проведён анализ работы ДЗЛ в переходных режимах КЗ при различных исходных параметрах системы электроснабжения.
Для устойчивого функционирования ДЗЛ при внешних КЗ необходимо, чтобы дифференциальный ток не превышал уставки срабатывания на протяжении времени, необходимого для отключения внешнего КЗ, то есть чтобы выполнялось условие (12):
IДИФ (t) IД.УСТ, (12) tКЗ t tКЗ t, где tКЗ - время, соответствующее моменту возникновения внешнего КЗ; t - интервал времени, необходимый для отключения внешнего КЗ смежной релейной защитой, мс.
Для удобства введём обозначение коэффициента селективности, который определяется по выражению (13):
IДИФ (s) kc , (13) IД.УСТ(s) где s - момент выборки, при котором дифференциальный ток принимает максимальное значение при внешнем КЗ.
На время возникновения внешнего КЗ значение данного коэффициента должно быть меньше единицы.
Табл. 1. Параметры системы, используемые при моделировании.
Система Параметры № 1 X/R =10; kmax=№ 2 X/R =10; kmax=№ 3 X/R =20; kmax=№ 4 X/R =20; kmax=Рассматривается вариант, когда с одной стороны ЛЭП используется идеальный ТТ, а с другой стороны ЛЭП реальный ТТ типа ТВ-110-IX-3. При моделировании используются 4 варианта системы с различными значениями X/R и kmax (табл. 1), и вычисляется значение коэффициента селективности при значениях угла возникновения повреждения 0, 45, 90, при отсутствии и при наличии остаточной намагниченности ТТ. В качестве исходных были приняты следующие параметры системы электроснабжения: Iнагр=0,5I1=500 А; =45;
К=85. Коэффициент торможения ДЗЛ принят равным 0,5, выдержка времени ДЗЛ принята равной нулю.
Из представленных на рис. 3 гистограмм следует, что на устойчивость функционирования ДЗЛ значительное влияние оказывает значение угла возникновения КЗ. Так, при =90 коэффициент селективности принимает значения меньшие единицы, тем самым обеспечивается селективность защиты.
В то же время при =45 и, особенно, при =0, ДЗЛ не обладает достаточной устойчивостью функционирования, что приводит к неселективной работе защиты при внешнем КЗ (при kc >1).
а) б) Рис. 3. Значения коэффициента селективности ДЗЛ при различных значениях угла возникновения КЗ: а - без учёта остаточной намагниченности ТТ (kR=0); б - с учётом остаточной намагниченности ТТ (kR=0,8).
Обеспечить селективность ДЗЛ при данных значениях угла можно, изменив коэффициент торможения kторм ДЗЛ в сторону увеличения или введя выдержку времени tвыд. на срабатывание защиты. На рис. 4 представлены значения kторм и tвыд., необходимые для устойчивого функционирования защиты при внешних КЗ.
а) б) Рис. 4. Значения параметров ДЗЛ, необходимые для устойчивого функционирования защиты при внешних КЗ: а - коэффициента торможения; б - выдержки времени.
При внутренних КЗ устойчивость функционирования ДЗЛ характеризуется чувствительностью к повреждению и быстротой срабатывания.
Согласно ПУЭ, необходимо обеспечить коэффициент чувствительности ДЗЛ не менее 2.
В табл. 2 представлены результаты тестирования работы ДЗЛ на чувствительность при внутренних КЗ. При тестировании использовалась уставка kторм, обеспечивающая селективность защиты при внешних КЗ, и вычислялся коэффициент чувствительности защиты kч по выражению (14):
IДИФ IДИФ kч . (14) IД.УСТ IД.0 kТОРМ IТОРМ Табл. 2. Результаты тестирования ДЗЛ на чувствительность при внутренних КЗ.
Параметры Чувствительность kторм kч системы (kч2) № 1 0,8 1,56 нет № 2 0,95 1,07 нет № 3 0,9 1,29 нет № 4 0,95 1,04 нет Из табл. 2 следует, что ДЗЛ с данной уставкой kторм не обладает достаточной чувствительностью при внутренних КЗ, так как kч<2.
Согласно стандарту ОАО ФСК ЕЭС, время срабатывания ДЗЛ при повреждении на линии должно быть не более 50 мс.
В табл. 3 представлены результаты тестирования работы ДЗЛ на быстродействие при внутренних КЗ. При тестировании использовалась уставка tвыд, обеспечивающая селективность защиты при внешних КЗ, и вычислялось общее время срабатывания ДЗЛ по формуле (15):
tсраб tвыд t (мс), (15) где t - интервал времени с момента возникновения КЗ до момента превышения дифференциального тока IДИФ уставки срабатывания IД.УСТ, мс.
Табл. 3. Результаты тестирования ДЗЛ на быстродействие при внутренних КЗ.
Параметры Быстродействие tвыд, мс tсраб, мс системы (tсраб50 мс) № 1 24 28 да № 2 32 36 да № 3 47 51 нет № 4 61 65 нет Из табл. 3 следует, что ДЗЛ с данной уставкой tвыд, не всегда обладает достаточным быстродействием при внутренних КЗ.
Таким образом, выбор уставок традиционной ДЗЛ является компромиссным решением между требованием обеспечения селективности при внешних КЗ и требованием обеспечения чувствительности и быстродействия защиты при внутренних повреждениях. Причиной этому служит несовершенство алгоритмов, реализуемых в данной защите для выявления зоны повреждения.
В четвёртой главе доказана необходимость использования в функциональной схеме ДЗЛ дополнительных логических узлов, позволяющих определять зону повреждения с помощью отличных от традиционных принципов.
Анализ сигналов ДЗЛ в переходных режимах КЗ показал, что существенное повышение устойчивости функционирования защиты может быть достигнуто при использовании вспомогательных отличительных признаков, свойственных режимам внутреннего и внешнего КЗ в переходных режимах, в дополнение к традиционному принципу действия, основанному на вычислении дифференциального и тормозного токов. К наиболее информативным отличительным признакам следует отнести следующие:
1) превышение времени совпадения полуволн одинаковой полярности токов плеч ДЗЛ tсовп над временем блокировки tблок при внутренних КЗ;
2) отставание фронта волны дифференциального тока от фронта волны тормозного тока при внешних КЗ;
3) превышение длительности интервала времени от максимума дифференциального тока до минимума t2 над длительностью интервала времени от момента появления дифференциального тока до его максимума tпри внешних КЗ.
На основе данных вспомогательных признаков, в работе реализованы принципы построения и алгоритмы функционирования основных логических узлов защиты.
Алгоритм определения внутреннего КЗ с помощью первого вспомогательного признака поясняется упрощённой функциональной схемой, представленной на рис. 5.
Рис. 5. Функциональная схема алгоритма определения внутреннего короткого замыкания с помощью первого вспомогательного признака.
При возникновении КЗ:
- срабатывает пусковой орган защиты;
- выделяются положительные и отрицательные полуволны токов плеч ДЗЛ;
- в зависимости от начальной полярности токов измеряется время совпадения положительных (tсовп+) или время совпадения отрицательных (tсовп-) полуволн токов плеч ДЗЛ.
Условие для формирования разрешающего сигнала с помощью первого вспомогательного признака:
tсовп tблок, (16) где tсовп - время совпадения полуволн одинаковой полярности токов плеч, мс;
tблок - время блокирования действия защиты на отключение (время блокировки), мс.
Время блокирования tблок задаётся в зависимости от принятого угла блокирования действия защиты на отключение :
10(мс) (град) tблок 180(град).
Физической причиной преимущества первого вспомогательного признака в переходном режиме КЗ (в отношении динамических характеристик защиты) является стабильность его проявления даже при сильном амплитудном искажении формы тока.
Алгоритм определения внешнего КЗ с помощью второго вспомогательного признака поясняется упрощённой функциональной схемой, представленной на рис. 6.
Рис. 6. Функциональная схема алгоритма определения внешнего короткого замыкания с помощью второго вспомогательного признака.
При возникновении КЗ:
- срабатывает пусковой орган защиты;
- вычисляется приращение тормозного тока IТОРМ в момент выборки n:
IТОРМ (n) IТОРМ (n) IТОРМ (n 1) ;
- вычисляется приращение дифференциального тока IДИФ в момент выборки n:
IДИФ (n) IДИФ (n) IДИФ (n 1) ;
- вычисляется отношение Delta приращения дифференциального тока к приращению тормозного тока в момент выборки n:
IДИФ (n) Delta(n) .
IТОРМ (n) Условия для формирования блокирующего сигнала с помощью второго вспомогательного признака:
IТОРМ (n) С, (17) Delta(n) 0,, C 0,1 Iном - уставка срабатывания по приращению тормозного тока, А;
где Iном - номинальный вторичный ток ТТ, А.
Второй вспомогательный признак позволяет быстро определить факт внешнего КЗ на интервале идеальной трансформации ТТ (до насыщения) и тем самым, предотвратить неселективную работу защиты.
Алгоритм определения внешнего КЗ с помощью третьего вспомогательного признака поясняется упрощённой функциональной схемой, представленной на рис. 7.
Рис. 7. Функциональная схема алгоритма определения внешнего короткого замыкания с помощью третьего вспомогательного признака.
При возникновении КЗ:
- срабатывает пусковой орган защиты;
- определяются моменты наступления экстремумов дифференциального тока;
- измеряются и запоминаются интервалы времени от момента появления дифференциального тока до его максимума t1 и от максимума дифференциального тока до его минимума t2.
Условие для формирования блокирующего сигнала с помощью третьего вспомогательного признака:
t2 t. (18) Третий вспомогательный признак основан на различии свойств насыщенного и ненасыщенного ТТ и поэтому проявляется тем интенсивнее, чем больше изменяется магнитное состояние сердечника насыщенного ТТ за период.
На основании проведённых исследований алгоритмов работы новых логических узлов защиты, была разработана функциональная схема ДЗЛ, представленная на рис. 8.
Из сравниваемых токов по концам линии i, i формируются в каждой фазе:
- дифференциальный сигнал IДИФ в блоке формирования дифференциального сигнала;
- тормозной сигнал IТОРМ в блоке формирования тормозного сигнала.
В реагирующем органе (РО) производится сравнение величины дифференциального сигнала IДИФ с уставкой срабатывания IД.УСТ согласно традиционному алгоритму действия ДЗЛ.
На основе вспомогательных признаков, в функциональной схеме усовершенствованной ДЗЛ реализованы разрешающий блок (РБ) и запрещающий блок (ЗБ), пуск которых происходит при помощи быстродействующего пускового органа (БПО), на вход которого подаются токи всех фаз. БПО реагирует на появление симметричных составляющих тока КЗ, а также на приращение токов симметричных составляющих.
Рис. 8. Функциональная схема усовершенствованной ДЗЛ.
Для повышения эффективности функционирования ДЗЛ, в функциональной схеме используются компараторы тормозного тока, позволяющие реализовать наиболее совершенный подход обработки сигналов, учитывающий особенности работы ТТ и защищаемой линии. Исходя из этого, принята характеристика срабатывания защиты, вид которой показан на рис. 9.
При этом выделяются следующие режимы работы ДЗЛ:
1) при малых сквозных токах (IТОРМ Iскв1); устройство работает как традиционная дифференциальная защита без торможения (kТОРМ = 0).
Условие срабатывания защиты (появление отключающего сигнала на выходе РО) при малых сквозных токах определяется условием (19):
IДИФ IД.. (19) В этом случае обеспечивается максимальная чувствительность защиты при внутренних коротких замыканиях.
2) при нормальных сквозных токах (Iскв1 < IТОРМ Iскв2); устройство работает как традиционная дифференциальная защита с торможением (kТОРМ > 0).
Условие срабатывания защиты (появление отключающего сигнала на выходе РО) при нормальных сквозных токах определяется условием (20):
IДИФ IД.0 kТОРМ IТОРМ. (20) В этом случае обеспечивается достаточная чувствительность (kч2) при внутренних КЗ, при этом происходит отстройка от тока небаланса при внешних повреждениях, сопровождающихся небольшим насыщением ТТ.
3) при больших сквозных токах (IТОРМ> Iскв2): в этом случае традиционная ДЗЛ не может обеспечить селективность при внешних КЗ без уменьшения чувствительности и быстродействия при внутренних, поэтому действие устройства определяется работой РБ и ЗБ, устойчивость функционирования которых при переходном процессе КЗ значительно выше, чем устойчивость функционирования реагирующего органа.
Условие срабатывания защиты (появление разрешающего сигнала на выходе РБ) при больших сквозных токах определяется выражением (16).
Рис. 9. Характеристика срабатывания предлагаемой ДЗЛ.
Для оценки эффективности предложенных алгоритмов, сравним основные технические показатели (устойчивость функционирования, чувствительность, быстродействие) усовершенствованной и традиционной ДЗЛ.
Для оценки повышения устойчивости функционирования при внешних КЗ используется отношение коэффициента селективности усовершенствованной ДЗЛ kc.усов. к предельному значению коэффициента селективности kc.трад.пред. традиционной защиты (kc.трад.пред.=1). Поскольку селективность усовершенствованной ДЗЛ при внешнем КЗ обеспечивается за счёт блокирующих сигналов, коэффициент kс для данной защиты может принимать значения большие единицы. Соответственно для усовершенствованной ДЗЛ может быть выбрано меньшее значение уставки kторм, поэтому задаётся уставка kторм, исходя из условия обеспечения чувствительности защиты при внутренних КЗ (kч2).
На рис. 10 представлены результаты повышения устойчивости функционирования ДЗЛ при внешних КЗ для различных значений X/R и kmax.
Рис.10. Результаты повышения устойчивости функционирования ДЗЛ при внешних КЗ.
Для оценки повышения чувствительности используется отношение между коэффициентом чувствительности усовершенствованной ДЗЛ kч.усов. и коэффициентом чувствительности традиционной защиты kч.трад.. При этом для традиционной ДЗЛ используется уставка kторм, обеспечивающая селективность защиты при внешних КЗ при самых неблагоприятных условиях (=0, kR=0,8), а для усовершенствованной ДЗЛ используется уставка kторм, обеспечивающая устойчивость функционирования защиты при внутренних повреждениях (kч2).
На рис. 11 представлены результаты повышения чувствительности ДЗЛ при внутренних КЗ для различных значений X/R и kmax.
Рис. 11. Результаты повышения чувствительности ДЗЛ при внутренних КЗ.
Для оценки повышения быстродействия используется разница tсраб.
между временем срабатывания традиционной ДЗЛ и временем срабатывания усовершенствованной защиты. При этом для традиционной ДЗЛ используется уставка tвыд, обеспечивающая селективность защиты при внешних КЗ при самых неблагоприятных условиях (=0, kR=0,8), равная 20 мс и более, а для усовершенствованной ДЗЛ используется уставка tвыд = 20 мс.
На рис. 12 представлены результаты повышения быстродействия ДЗЛ при внутренних КЗ для различных значений X/R и kmax.
Рис. 12. Результаты повышения быстродействия ДЗЛ при внутренних КЗ.
В заключении диссертации представлены итоговые результаты.
В работе изложено научно обоснованное решение важной научнотехнической задачи - разработаны методика моделирования, функциональные схемы, принципы построения и алгоритмы функционирования основных логических узлов дифференциальной защиты линии с повышенной устойчивостью функционирования в переходных режимах короткого замыкания. Полученные результаты диссертационной работы, обеспечивающие повышение селективности, быстродействия и чувствительности дифференциальных защит ЛЭП напряжением 110-220 кВ, позволят снизить глубину и длительность провалов напряжения в питающей сети и имеют существенное значение для эффективной работы промышленных предприятий c непрерывным технологическим циклом, нарушение электроснабжения которых даже на несколько миллисекунд приводит к значительному экономическому ущербу.
Основные выводы:
1. Анализ достоинств и недостатков современных устройств ДЗЛ позволил выявить факторы, обуславливающие необходимость исследования и разработки новых алгоритмов функционирования ДЗЛ, реализация которых возможна на базе микропроцессорной техники с использованием прогрессивных способов обработки информации. К таким факторам следует отнести искажение входных токов ДЗЛ, обусловленных насыщением электромагнитных трансформаторов тока в переходных режимах КЗ, а также заниженную чувствительность защиты при КЗ на защищаемой линии вследствие использования в алгоритме функционирования защиты тормозного сигнала с повышенными коэффициентами торможения.
2. Анализ различных методов моделирования динамических режимов функционирования устройств релейной защиты в условиях электромагнитных переходных процессов позволил обосновать перспективность использования метода имитационного моделирования, обладающего рядом важных достоинств: высокой наглядностью математической модели; динамическим отражением состояний моделируемой системы; возможностью осуществлять анализ и математическое моделирование отдельных элементов системы электроснабжения.
3. Разработана методика проведения имитационного моделирования дифференциальной защиты линии при различных исходных параметрах системы электроснабжения. Научной основой методики имитационного моделирования служит структурный синтез математических моделей базовых элементов системы электроснабжения для исследования влияния параметров первичной сети и параметров электромагнитных трансформаторов тока на устойчивость функционирования ДЗЛ в переходных режимах КЗ.
4. В результате проведенных исследований определены основные параметры, влияющие на устойчивость функционирования ДЗЛ в переходных режимах КЗ: кратность первичного тока КЗ, угол возникновения КЗ, постоянная времени первичной сети и остаточная намагниченность электромагнитных ТТ. Показано, что традиционная ДЗЛ не обладает достаточной устойчивостью функционирования в переходных режимах КЗ при неблагоприятном значении угла возникновения КЗ и при наличии остаточной намагниченности электромагнитных трансформаторов тока в момент возникновения повреждения. Доказана необходимость использования в функциональной схеме дифференциальной защиты линии дополнительных логических узлов, позволяющих определять зону повреждения с помощью отличных от традиционных принципов.
5. Анализ сигналов ДЗЛ в переходных режимах КЗ показал, что существенное повышение устойчивости функционирования защиты может быть достигнуто при использовании вспомогательных отличительных признаков, свойственных режимам внутреннего и внешнего КЗ в переходных режимах, в дополнение к традиционному принципу действия, основанному на вычислении дифференциального и тормозного токов. К наиболее информативным отличительным признакам следует отнести следующие:
- превышение времени совпадения полуволн одинаковой полярности токов плеч ДЗЛ над временем блокировки при внутренних КЗ;
- отставание фронта волны дифференциального тока от фронта волны тормозного тока при внешних КЗ;
- превышение длительности интервала времени от максимума дифференциального тока до минимума над длительностью интервала времени от момента появления дифференциального тока до его максимума при внешних КЗ.
6. Разработаны принципы построения и алгоритмы функционирования основных логических узлов дифференциальной защиты линии с контролем вспомогательных признаков внутреннего и внешнего коротких замыканий.
Разработанные алгоритмы позволяют определять зону повреждения до срабатывания реагирующих органов ДЗЛ и формировать в функциональной схеме защиты разрешающие и запрещающие сигналы, благодаря которым обеспечивается селективность ДЗЛ в переходных режимах КЗ без уменьшения быстродействия и чувствительности защиты.
7. Для оценки эффективности предложенных алгоритмов произведено имитационное моделирование ДЗЛ, использующей в функциональной схеме защиты логические узлы с контролем вспомогательных признаков, свойственных режимам внутреннего и внешнего КЗ. Показано, что разработанные алгоритмы функционирования ДЗЛ позволяют повысить устойчивость функционирования защиты в переходных режимах внешних КЗ, а также повысить чувствительность и быстродействие защиты при внутренних повреждениях.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Иванов И.Ю. Уменьшение влияния погрешностей электромагнитных трансформаторов тока в переходных режимах на работу дифференциальной защиты энергообъектов // Энергетика Татарстана. 2011. № 3, С. 67-70.
2. Иванов И.Ю. Совершенствование дифференциальной защиты линий электропередачи напряжением 110-220 кВ // Проблемы Энергетики, 2012. № 12. С. 152-160.
3. Иванов И.Ю. Модернизация дифференциально-фазной защиты линий электропередачи на микропроцессорной элементной базе // Электрические станции. 2012. № 7, С. 51-55.
4. Иванов И.Ю. Исследование работы дифференциальной защиты линий электропередачи напряжением 110-220 кВ с помощью моделирования в среде Matlab // Вестник Самарского государственного технического университета.
Серия Технические науки. 2012. № 3, С. 186-192.
Публикации в других научных изданиях 5. Иванов И.Ю. Развитие микропроцессорных устройств релейной защиты, автоматики и управления электрических систем / Гарке В.Г., Жегалов А.А., Иванов И.Ю., Исаков Р.Г., Конова Е.А., Куракин С.В., Петрухин С.Б., Хазбулатов З.З. // Материалы докладов XX конференции Релейная защита и автоматика энергосистем. Москва: Научно-инженерное информационное агентство, 2010. С. 203-209.
6. Иванов И.Ю. Расширение возможностей применения микропроцессорных шкафов РЗА для решения нестандартных задач // Материалы докладов Всероссийской молодёжной научно-технической конференции Электроэнергетика глазами молодёжи. Екатеринбург: УрФУ, 2010. С. 94-97.
7. Иванов И.Ю. Практические вопросы применения микропроцессорных защит для решения задач повышения устойчивости энергосистем и надёжности электроснабжения крупных промышленных потребителей // Материалы докладов V открытой молодёжной научно-практической конференции Диспетчеризация в энергетике: проблемы и перспективы. Казань: КГЭУ, 2011. С. 25-28.
8. Иванов И.Ю. Инновационное решение по расширению возможностей применения дифференциально-фазной защиты линий электропередачи // Материалы докладов Международной научно-технической конференции Электроэнергетика глазами молодёжи. Том 2. Самара: СамГТУ, 2011. С. 3841.
9. Иванов И.Ю. Обзор основных защит линий электропередачи напряжением 110-220 кВ // Материалы докладов VI открытой молодёжной научно-практической конференции Диспетчеризация в энергетике: проблемы и перспективы. Казань: КГЭУ, 2011. С. 170-175.
10. Иванов И.Ю. Устранение недостатков дифференциально-фазных защит линий электропередачи // Материалы докладов VI открытой молодёжной научно-практической конференции Диспетчеризация в энергетике: проблемы и перспективы. Казань: КГЭУ, 2011. С. 132-137.
11. Иванов И.Ю. Моделирование работы дифференциальной защиты линии в системе Matlab // Материалы докладов VI ежегодной Международной научно-практической конференции Повышение эффективности энергетического оборудования - 2011. Иваново: ИГЭУ, 2011. С. 427-431.
12. Иванов И.Ю. Повышение чувствительности, селективности и быстродействия дифференциальной защиты линий электропередачи напряжением 110-220 кВ // Материалы докладов VII молодежной международной научной конференции Тинчуринские чтения. Казань: КГЭУ, 2012. С. 3-4.
13. Иванов И.Ю. Усовершенствованный алгоритм функционирования дифференциальной защиты линий электропередачи напряжением 110-220 кВ // Материалы докладов международной научно-практической конференции и выставки Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России. Чебоксары, 2012. С. 8-9.
14. Иванов И.Ю. Повышение технического совершенства дифференциальной защиты линий электропередачи напряжением 110-220 кВ / Дони Н.А., Гарке В.Г., Иванов И.Ю. // Релейная защита и автоматизация. 2012.
№ 4, С. 30-35.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Печ.л. 1,5. Усл.печ.л. 1,4. Уч.-изд.л. 1,2.
Тираж 100. Заказ А1Типография КНИТУ-КАИ. 420111 Казань, К. Маркса,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям