Устройство резервной токовой защиты трансформатора с повышенной чувствительностью к двухфазным кз
Владельцы патента RU 2405235:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)
Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении чувствительности резервной защиты к двухфазным КЗ. Устройство содержит первый, второй, третий преобразователи тока в напряжение, подключенные к трансформаторам тока фаз А, В, С на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора, первый, второй, третий выпрямители, макси-селектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения, реле времени, промежуточное реле, дополнительно введены первый, второй, третий вычитатели, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый выпрямители, первый, второй, третий, четвертый усилители, первый, второй, третий сумматоры, мини-селектор, делитель, элемент И, элемент ИЛИ-НЕ, реле направления мощности обратной последовательности. Предложенное устройство позволяет выявлять удаленные двухфазные КЗ за трансформатором с токами, меньшими номинальных токов трансформатора, и благодаря высокой чувствительности предлагаемое устройство исключает возможность разрушения трансформатора и коммутационных элементов во время КЗ при отказе основных защит. 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите, и может быть использовано для резервной защиты трансформатора от двухфазных коротких замыканий (КЗ) на стороне низшего напряжения.
Известно устройство резервной максимальной токовой защиты трансформатора (Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2006. - 639 с.: ил.). Однако оно обладает недостаточной чувствительностью при двухфазных КЗ за трансформатором и отстраивается от токов самозапуска.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является устройство резервной токовой защиты трансформатора, содержащее первый, второй, третий преобразователи тока в напряжение (ПТН), подключенные к трансформаторам тока фаз А, В, С на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора, первый, второй, третий выпрямители, максиселектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения, реле времени, промежуточное реле (Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998).
Недостатком устройства является малая чувствительность к удаленным КЗ за присоединениями, отходящими от шин низшего напряжения защищаемого трансформатора, в случае наложения отказов. Кратность тока такого КЗ (приведенного к высшему напряжению) к максимальному току Iн нагрузки трансформатора может оказаться на уровне 0,15-0,2, в то время как устройство способно реагировать на ток КЗ Iкз≥1,4·IH.
Задача изобретения - разработать устройство резервной защиты трансформатора, способное реагировать на удаленные двухфазные КЗ с токами повреждения 0,15-0,2 Iн.
Технический результат изобретения - повышение чувствительности резервной защиты трансформатора к несимметричным КЗ на стороне низшего напряжения.
Технический результат достигается тем, что в устройство резервной токовой защиты трансформатора, содержащее первый, второй, третий преобразователи тока в напряжение (ПТН), подключенные к трансформаторам тока фаз А, В, С на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора, первый, второй, третий выпрямители, максиселектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения, реле времени, промежуточное реле, дополнительно введены первый, второй, третий вычитатели, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый выпрямители, первый, второй, третий, четвертый усилители, первый, второй, третий сумматоры, миниселектор, делитель, элемент И, элемент ИЛИ-НЕ, реле направления мощности обратной последовательности, причем выход первого ПТН подключен к первому выпрямителю, к первому входу первого вычитателя и ко второму входу третьего вычитателя; выход второго ПТН - ко второму выпрямителю, к первому входу второго вычитателя и ко второму входу первого вычитателя; выход третьего ПТН - к третьему выпрямителю, к первому входу третьего вычитателя и ко второму входу второго вычитателя; выход первого выпрямителя - к первому усилителю, к первому входу первого сумматора и ко второму входу третьего сумматора; выход второго выпрямителя - ко второму усилителю, ко второму входу первого сумматора и к первому входу второго сумматора; выход третьего выпрямителя - к третьему усилителю, ко второму входу второго сумматора и к первому входу третьего сумматора; выходы первого, второго, третьего усилителей подключены к инверсным входам соответственно второго, третьего и первого сумматоров; выходы первого, второго и третьего сумматоров подключены соответственно ко входам четвертого, пятого и шестого выпрямителей; выходы четвертого, пятого и шестого выпрямителей - ко входам максиселектора; выходы первого, второго, третьего вычитателей - ко входам седьмого, восьмого, девятого выпрямителей; выходы седьмого, восьмого и девятого выпрямителей - ко входам миниселектора; выход максиселектора подключен к первому входу делителя; выход миниселектора - ко второму входу делителя; выход делителя - к четвертому усилителю, выход четвертого усилителя - к первому входу порогового устройства; второй вход порогового устройства - к источнику опорного напряжения; выход порогового устройства - к первому входу элемента И; второй вход элемента И - к выходу элемента ИЛИ-НЕ; элемент ИЛИ-НЕ первым входом подключен к выходу реле направления мощности обратной последовательности, вторым - к устройству блокировки от броска намагничивающего тока, которое находится в составе других защит трансформатора; выход элемента И подключен к реле времени; выход реле времени - к промежуточному реле.
Устройство содержит (фиг.1) первый, второй, третий ПТН для фаз А, В, С, выполненные в виде трансреакторов 1, 2, 3, первый, второй, третий вычитатели 4, 5, 6, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый выпрямители 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, первый, второй, третий, четвертый усилители 16, 17, 18, 25, первый, второй, третий сумматоры 19, 20, 21, максиселектор 22, миниселектор 23, делитель 24, источник опорного напряжения (ИОН) 26, пороговое устройство 27, элемент 29 И, элемент 28 ИЛИ-НЕ, реле 30 времени, промежуточное реле 31, реле 32 направления мощности обратной последовательности (НМОП), причем выход ПТН 1 подключен ко входу выпрямителя 10, первому входу вычитателя 4 и второму входу вычитателя 6; выход ПТН 2 подключен ко входу выпрямителя 11, второму входу вычитателя 4 и первому входу вычитателя 5; выход ПТН 3 подключен ко входу выпрямителя 12, второму входу вычитателя 5 и первому входу вычитателя 6; выходы вычитателей 4, 5, 6 подключены ко входам выпрямителей 7, 8, 9 соответственно; выходы выпрямителей 7, 8, 9 подключены ко входам миниселектора 23; выход выпрямителя 10 подключен ко входу усилителя 16, первому входу сумматора 19 и второму входу сумматора 21; выход выпрямителя 11 - ко входу усилителя 17, второму входу сумматора 19 и первому входу сумматора 20; выход выпрямителя 12 - ко входу усилителя 18, второму входу сумматора 20 и первому входу сумматора 21; выходы усилителей 16, 17, 18 подключены к инверсным входам сумматоров 20, 21, 19 соответственно; выходы сумматоров 19, 20, 21 подключены ко входам выпрямителей 13, 14, 15 соответственно; выходы выпрямителей 13, 14, 15 - ко входам максиселектора 22; делитель 24 первым входом подключен к выходу максиселектора 22, вторым - к выходу миниселектора 23; выход делителя подключен ко входу усилителя 25; пороговое устройство 27 первым входом подключено к выходу усилителя 25, вторым - к ИОН 26; элемент 28 ИЛИ-НЕ первым входом подключен к реле 32 НМОП, вторым - к устройству блокировки от броска намагничивающего тока (БНТ), которое находится в составе других защит трансформатора; элемент 29 И первым входом подключен к выходу порогового устройства 27, вторым - к выходу элемента 28 ИЛИ-НЕ; выход элемента 29 И подключен к реле 30 времени; выход реле 30 времени - к промежуточному реле 31; промежуточное реле 31 подключено к цепям отключения выключателей защищаемого трансформатора.
Устройство работает следующим образом. В любом режиме напряжения на выходе ПТН 1, 2, 3 пропорциональны токам IA, IB, IC в фазах А, В, С на стороне высшего напряжения трансформатора. В вычитателях 4, 5, 6 находятся разности напряжений, соответствующих токам IA и IB, IB и IC, IC и IA. Напряжения на выходе вычитателей выпрямляются выпрямителями 7, 8, 9, и максимальное из этих напряжений миниселектор подает на второй вход делителя 24. Выпрямители 10, 11, 12 выпрямляют напряжения, пропорциональные соответственно токам IA, IB, IC, и подают их на входы усилителей 16, 17, 18, которые обладают коэффициентом усиления 2,0. Выпрямители 10, 11, 12 и усилители 16, 17, 18 подключены к сумматорам 19, 20, 21 так, что на выходе сумматоров 19, 20, 21 значения напряжений будут пропорциональны результатам выражений 
соответственно. Выпрямители 13, 14, 15 находят абсолютные значения рассматриваемых напряжений, и максимальное из них максиселектор 22 подает на первый вход делителя 24. На выходе делителя 24 величина напряжения будет пропорциональна значению выражения:
Усилитель 25 линейно увеличивает напряжение на выходе делителя 24 до значения, удобного для дальнейших операций (к примеру, если результат выражения (1) равен 1, то на выходе усилителя 25 появляется напряжение 1 В). Затем в пороговом устройстве 27 полученное напряжение сравнивается с опорной величиной UИОН на выходе ИОН 26. Если оно превышает опорную величину, то пороговое устройство 27 подает сигнал на элемент 29 И. Последний запускает реле 30 времени, которое спустя выдержки времени подает сигнал на промежуточное реле 31, действующее на отключение защищаемого трансформатора. Элемент 28 ИЛИ-НЕ служит для вывода защиты из работы при появлении на его входах сигналов, выдаваемых реле 32 НМОП или устройством блокировки от БНТ.
Значение опорного напряжения UИОН, с которым пороговое устройство сравнивает напряжение на выходе усилителя 25, определяется исходя из максимально допустимой несимметрии токов в фазах А, В, С в нормальном режиме. Если наибольший и наименьший вектора токов в фазах А, В, С по амплитуде отличаются на 10%, например 
то 
Аналогично получим 
Тогда для выражения (1) запишем:
Чтобы пороговое устройство 27 не срабатывало при этой несимметрии, напряжение UИОН на выходе ИОН 26 должно быть следующим: 
где 
- коэффициент отстройки.
В режиме симметричной нагрузки токи IA, IB, IC в фазах А, В, С защищаемого трансформатора приблизительно равны по величине. Тогда подставляя в выражение (1) ток нагрузки IH вместо токов IA, IB, IC, получим: 
На выходе усилителя 25 устанавливается напряжение 0 В. Поскольку оно не превышает 
, пороговое устройство не срабатывает, защита не действует.
Рассмотрим режим двухфазного КЗ (например, между фазами В и С) за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Y. Токи в фазах А, В, С на стороне его высшего напряжения: 
Наибольший результат для выражения (1) дает следующее отношение: 
Поскольку напряжение на выходе усилителя 25, равное 2 В, превышает 
, пороговое устройство 27 подает сигнал на первый вход элемента 29 И. На его второй вход подается сигнал от элемента 28 ИЛИ-НЕ, так как в рассматриваемом режиме на входах элемента 28 ИЛИ-НЕ нет сигналов от реле 32 НМОП или устройства блокировки от БНТ. Элемент 29 И запускает реле 30 времени, которое, доработав, подает сигнал на промежуточное реле 31. Последнее действует на отключение защищаемого трансформатора.
Если КЗ отключится другими защитами раньше, чем доработает реле 30 времени, то значение выражения (1) станет равным 0, пороговое устройство снимет сигнал со входа элемента 29 И, последний остановит реле 30 времени. Срабатывания защиты не произойдет.
Рассмотрим режим двухфазного КЗ (например, между фазами В и С) за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Δ. Токи в фазах А, В, С на стороне его высшего напряжения:
; 
; 
.
Наибольший результат для выражения (1) дает следующее отношение:
Оно значительно превышает величину 0,13, следовательно, и
напряжение на выходе усилителя 25 превышает 
Пороговое устройство 27 срабатывает, далее устройство работает так, как описано выше.
При возникновении несимметрии токов в фазах из-за броска намагничивающего тока или двухфазного КЗ на соседнем присоединении значение выражения (1), а следовательно, и напряжение на выходе усилителя 25 может превышать величину опорного напряжения UИОН, выбранную с учетом отстройки от несимметрии токов 10% в нормальном режиме. В таких режимах на входах элемента 28 ИЛИ-НЕ появляются сигналы от устройства блокировки от БНТ или реле 32 НМОП. Тогда элемент 28 ИЛИ-НЕ снимает сигнал со второго входа элемента 29 И, поэтому срабатывание порогового устройства не может привести к пуску реле 30 времени и излишнему отключению защищаемого трансформатора. Оценить чувствительность предлагаемого устройства токовой защиты можно по минимальному току двухфазного КЗ 
, который оно может выявлять. Для этого наложим на симметричные токи нагрузки IH (на стороне низшего напряжения трансформатора) ток КЗ в фазах В и С, представляя его как 
:
где 
- токи в фазах А, В, С на стороне низшего напряжения трансформатора, □Н - угол между током и напряжением фазы А, □К - угол между током двухфазного КЗ и междуфазным напряжением ЕВС, k - кратность тока КЗ по отношению к максимальному току нагрузки. Для трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Δ токи в фазах А, В, С на стороне высшего напряжения получим:
.
После подстановки токов (3) в выражение (1) и ряда элементарных математических преобразований, принимая □K=π/3, □Н=π/6, получим условие срабатывания защиты:
Решая полученное уравнение, находим k>0,14. Для трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y кратность k определяется аналогичным образом, путем подстановки токов (2) в выражение (1). Согласно расчетам k>0,15.
Таким образом, данная защита способна реагировать на удаленные двухфазные КЗ за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Δ и Y/Y с минимальными токами соответственно 
и 
(защита, принятая за прототип, выявляет двухфазные КЗ с минимальным током 
).
Применение предлагаемого устройства позволяет выявлять удаленные двухфазные КЗ за трансформатором с токами, меньшими номинальных.
Технико-экономическая эффективность заключается в том, что предлагаемое устройство позволяет исключить возможность разрушения трансформатора, коммутационных элементов при удаленных двухфазных КЗ сторон низшего напряжения при отказе или недостаточной чувствительности основных защит.
Устройство резервной токовой защиты трансформатора с повышенной чувствительностью к двухфазным КЗ, содержащее первый, второй, третий преобразователи тока в напряжение (ПТН), подключенные к трансформаторам тока фаз А, В, С на стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора, первый, второй, третий выпрямители, максиселектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения, реле времени, промежуточное реле, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый, второй, третий вычитатели, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый выпрямители, первый, второй, третий, четвертый усилители, первый, второй, третий сумматоры, миниселектор, делитель, элемент И, элемент ИЛИ-НЕ, реле направления мощности обратной последовательности, причем выход первого ПТН подключен к первому выпрямителю, к первому входу первого вычитателя и ко второму входу третьего вычитателя; выход второго ПТН - ко второму выпрямителю, к первому входу второго вычитателя и ко второму входу первого вычитателя; выход третьего ПТН - к третьему выпрямителю, к первому входу третьего вычитателя и ко второму входу второго вычитателя; выход первого выпрямителя - к первому усилителю, к первому входу первого сумматора и ко второму входу третьего сумматора; выход второго выпрямителя - ко второму усилителю, ко второму входу первого сумматора и к первому входу второго сумматора; выход третьего выпрямителя - к третьему усилителю, ко второму входу второго сумматора и к первому входу третьего сумматора; выходы первого, второго, третьего усилителей подключены к инверсным входам соответственно второго, третьего и первого сумматоров; выходы первого, второго и третьего сумматоров подключены соответственно ко входам четвертого, пятого и шестого выпрямителей; выходы четвертого, пятого и шестого выпрямителей - ко входам максиселектора; выходы первого, второго, третьего вычитателей - ко входам седьмого, восьмого, девятого выпрямителей; выходы седьмого, восьмого и девятого выпрямителей - ко входам миниселектора; выход максиселектора подключен к первому входу делителя; выход миниселектора - ко второму входу делителя; выход делителя - к четвертому усилителю, выход четвертого усилителя - к первому входу порогового устройства; второй вход порогового устройства - к источнику опорного напряжения; выход порогового устройства - к первому входу элемента И; второй вход элемента И - к выходу элемента ИЛИ-НЕ; элемент ИЛИ-НЕ первым входом подключен к выходу реле направления мощности обратной последовательности, вторым - к устройству блокировки от броска намагничивающего тока, которое находится в составе других защит трансформатора; выход элемента И подключен к реле времени; выход реле времени - к промежуточному реле.
