Способ релейной защиты трансформатора



Способ релейной защиты трансформатора
Способ релейной защиты трансформатора
Способ релейной защиты трансформатора
Способ релейной защиты трансформатора

 


Владельцы патента RU 2617714:

Общество с ограниченной ответственностью "Исследовательский центр "Бреслер" (RU)

Изобретение относится к области электроэнергетики и направлено на построение универсальной защиты трансформатора, использующей имеющуюся информацию в максимально полном объекте. Поставленная задача решается путем использования моделей обмоток трансформатора, а также моделей его магнитопровода. Задействуется информация о наблюдаемых токах и напряжениях всех обмоток, а также априорная информация о параметрах обмоток и магнитопровода. Аварийное состояние трансформатора распознается по критерию адекватности моделей реальному объекту. Способ защиты включает наблюдение отсчетов токов и напряжений, их интерполяционное преобразование в непрерывные входные величины, используемые в моделях, формирование двумерных выходных сигналов, на плоскостях отображения которых задают области срабатывания релейной защиты. Новыми являются операции преобразования входных величин вплоть до формирования выходных сигналов. Первые обмотки - те, модели которых должны быть задействованы в начале преобразований. Входные токи и напряжения этих моделей преобразуются в производную потоков стержней, на которых располагаются первые обмотки. Модели других обмоток используются иначе. Для них входными величинами становятся производные магнитных потоков и собственные токи, а выходными - напряжения на зажимах. Формируют разностные напряжения, указывающие несоответствие между напряжениями, полученными в результате наблюдения объекта и путем его моделирования. Аналогично используют модели независимых контуров магнитопровода, в которых определяются падения магнитных напряжений. Один путь их определения - через потоки стержней. О неадекватности модели и объекта судят как по электрическим, так и магнитным разностным напряжениям. Двумерные электрические и магнитные сигналы образуются из разностных и базовых напряжений. Характеристики срабатывания защиты задают на плоскостях отображения двумерных сигналов. 10 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите силовых трансформаторов независимо от класса напряжений, схем соединения фазных обмоток в трехфазные группы, числа групп.

Основным способом защиты трансформатора всегда считался и остается таковым по сей день способ дифференциальной защиты. Для его реализации требуется наблюдение токов каждой обмотки; напряжения не востребованы [1]. При всех своих достоинствах токовая дифференциальная защита не свободна от недостатков. Во-первых, она не в состоянии быстро распознать бросок намагничивающего тока силового трансформатора, так как в течение первых 15 мс этот ток неотличим от тока короткого замыкания. Во-вторых, дифференциальная защита по принципу своего действия испытывает высокую зависимость от особенностей трансформаторов тока. Неидентичность их характеристик и поведения в различных режимах приводит к снижению чувствительности защиты. Насыщение трансформатора тока приводит к потере информации, нарушает условия работы дифференциальной защиты и вынуждает блокировать ее действие до выхода трансформатора тока из насыщения. Дифференциальная защита может быть усовершенствована [2], тем не менее кардинальные улучшения свойств защиты возможно только с привлечением информации о напряжениях на входах трансформатора [3].

Терминалы микропроцессорной защиты и автоматики получают информацию о всех токах и напряжениях на входах контролируемых объектов. Имеется техническое решение, говорящее о том, как можно воспользоваться всей получаемой информацией, в том числе и для защиты трансформаторов [4]. В этой микропроцессорной защите осуществляется синхронное наблюдение отсчетов токов и напряжений на зажимах обмоток трансформатора, вместе с тем используются и непрерывные электрические величины, которые подвергаются дальнейшим преобразованиям. Итог преобразований, совершаемых в данном техническом решении, как и во многих аналогах, - формирование двумерных выходных сигналов и задание характеристик срабатывания релейной защиты на плоскости этих сигналов.

В обсуждаемом источнике широкая информационная база используется для решения локальной задачи - построения вольт-герцевой (V/Hz) защиты от перевозбуждения генератора и трансформатора.

Предлагаемый способ имеет целью расширение функциональных возможностей защиты трансформатора, располагающей результатами наблюдения токов и напряжений. Поставленная цель достигается благодаря привлечению априорной информации о защищаемом объекте, что с успехом применяется в микропроцессорных терминалах защиты и автоматики линий электропередачи, а в защите трансформаторов ранее не использовалось. В таком положении вещей нет ничего удивительного. Наличие ферромагнитного сердечника делает трансформатор нелинейным устройством. Разнообразие видов повреждений усложняет моделирование в режиме короткого замыкания.

Обращение к модели как к преобразователю текущей информации не случайно. Дело в том, что модель сосредотачивает в себе априорные сведения о конструкции трансформатора. Текущая информация - это электрические величины, наблюдаемые на объекте. Благодаря моделям текущая информация объединяется с априорной, что очевидным образом создает особо благоприятные условия для распознавания аварийной ситуации.

Существо реализуемой идеи не сводится только к применению моделей. Важно, что используются модели отдельных частей трансформатора, а именно каждой обмотки и каждого независимого контура магнитопровода. Не менее важно, что трансформатор моделируется в неповрежденном состоянии, и распознавание повреждения производится на основе критерия адекватности модели реальному объекту.

Модель обмотки связывает ток и напряжение на ее зажимах с магнитными величинами в том стержне магнитопровода, на котором она расположена. Магнитный поток определяется на основе закона электромагнитной индукции. Как следствие, определяется падение магнитного напряжения в стержне. С другой стороны, модель контура магнитопровода позволяет определить падение магнитного напряжения в контуре на основе закона полного тока. Таким образом, появляется возможность сопоставить результаты, полученные для одних и тех же величин различными путями. Если трансформатор не поврежден, то результаты должны совпадать с приемлемой погрешностью. В случае повреждения они будут заметно различаться.

Как и в прототипе, в предлагаемом способе проводят синхронное наблюдение отсчетов токов и напряжений на зажимах обмоток трансформатора. Используют также входные непрерывные токи и напряжения, которые получают не непосредственно с объекта, а путем интерполяционного преобразования отсчетов. Итог всех преобразований - формирование двумерных сигналов, отображаемых на плоскостях, где задаются характеристики срабатывания релейной защиты.

Отличие от прототипа заключается в совершаемых преобразованиях. Непрерывные величины преобразуют в моделях исправных обмоток и в моделях контуров магнитопровода. Выделяют первые обмотки, охватывающие все активные стержни магнитопровода, на которых расположены и другие обмотки. Начинают преобразование с токов и напряжений первых обмоток. Их преобразуют в магнитные потоки стержней магнитопровода и, как следствие, первые магнитные напряжения его контуров. Они названы первыми не только потому, что определены благодаря первым обмоткам, но и потому, что предусматривается еще один вариант определения тех же напряжений, когда они будут названы вторыми. Следующие преобразования касаются остальных обмоток. В их моделях совершается преобразование входных токов и вместе с ними ставших известными магнитных потоков в предполагаемые напряжения на зажимах этих обмоток. Напряжения названы предполагаемыми потому, что используемые модели не учитывают возможного замыкания, т.е. трансформатор изначально предполагают неповрежденным. Дальнейшие преобразования касаются магнитопровода. В моделях его контуров преобразуют токи входящих в тот или контур обмоток во вторые магнитные напряжения. В итоге совершенных электромагнитных преобразований в данном способе могут быть сопоставлены две группы одних и тех же, но определенных разными путями напряжений, как электрических, так и магнитных. С одной стороны, имеются результаты наблюдения напряжений обмоток. С другой стороны, найдены предполагаемые напряжения. Их разности, называемые разностными напряжениями, свидетельствуют об адекватности или, наоборот, неадекватности моделей трансформатора наблюдаемому объекту. То же и магнитные напряжения. Разности между первыми и вторыми магнитными напряжениями также несут информацию о том, поврежден трансформатор или исправен. Характеристики срабатывания защиты предполагается задавать на плоскостях двумерных сигналов, соединяющих в себе входное и разностное электрическое напряжение, а также одно из двух полученных магнитных напряжений вместе с разностным магнитным напряжением.

На фиг. 1 показаны элементы конструкции двухобмоточного трансформатора, фиг. 2 иллюстрирует применение модели его первой обмотки, фиг. 3 - применение модели остающейся второй обмотки. На фиг. 4-10 показаны элементы конструкции трехфазного трансформатора, на фиг. 4-6 - его первые обмотки с разными схемами соединения: фиг. 4 - «звезда с нулем», фиг. 5 - «звезда с изолированной нейтралью», фиг. 6 - «треугольник». На фиг. 7-9 - другие обмотки, тоже с разными схемами соединения: фиг. 7 - «звезда с нулем», фиг. 8 - «звезда с изолированной нейтралью», фиг. 9 - «треугольник». Наконец, на фиг. 10 показаны элементы конструкции трехстержневого трансформатора.

Основные элементы конструкции простейшего трансформатора - его обмотки 1, 2 и магнитопровод (сердечник) 3. Для первой обмотки 1 составлена модель 4 со входом 5 и выходом 6. Модель 4 преобразует ток i1, и напряжение u1 обмотки 1 в магнитные величины - производную потока в сердечнике и сам поток Φ. Для второй обмотки 2 составлена модель 7 со входами 8, 9 и выходом 10. На вход 8 подается сигнал , а на вход 9 - ток i2 обмотки 2. Модель 7 преобразует входные сигналы в напряжение , предполагаемое на обмотке 2. Верхний индекс «м» означает, что это напряжение получено в результате моделирования и его следует отличать от реального напряжения u2, полученного в ходе наблюдения.

Магнитопровод трехфазного трансформатора выполняется с тремя и большим числом стержней. Обмотки каждой фазы располагаются на отдельном стержне. Обмотки отдельных фаз соединяются в трехфазную группу. Так, обмотки 11-13 фаз А, В, С располагаются на стержнях 14-16. Именно эти обмотки соединены в трехфазную группу по схеме «звезда с нулем». Обмотки 17-19 соединены иначе, но показаны они на тех же стержнях 14-16, как если бы произошло разземление нейтрали. То же и обмотки 20-22, соединенные в треугольник. Поскольку на одних и тех же стержнях магнитопровода 14-16 могут располагаться разные группы обмоток, обозначение фаз А, В, С сохранено за электрическими величинами, а для магнитных величин введено обозначение стержней 14-16 малыми буквами а, b, с.

На фиг. 4-6 показаны первые обмотки, соединенные в ту или иную группу, а на фиг. 7-9 - остальные обмотки. В данном случае их можно назвать вторыми, так как они также соединены друг с другом. Обмотки 23-25 - по схеме «звезда с нулем», обмотки 26-28 - «звезда с изолированной нейтралью», обмотки 29-31 - «треугольник». Важно заметить, что вторые обмотки располагаются на тех же стержнях 14-16, что и первые. Конструкция магнитопровода на фиг. 4-9 не оговаривается, она может быть любой, и только на фиг. 10 показан трехстержневой магнитопровод 32 с двумя трехфазными обмотками: первые обмотки 33-35 и вторые 36-38. Магнитопровод 32 обладает двумя независимыми контурами 39 и 40.

Применительно к двухобмоточному трансформатору (фиг. 1) рассматриваемый способ предполагает использование модели 4 первой обмотки 1, модели 7 второй обмотки 2 и отдельно модели магнитопровода 3. Модель 4 осуществляет преобразование электрических величин i1, u1 в магнитную

где R1 и L1s - активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки 1, w1 - число ее витков. Кроме того, модель 4 выполняет вспомогательную функцию интегрирования выходного сигнала (1) и формирования в итоге величины магнитного потока Φ (фиг. 2). Для активирования модели 7 достаточно сигнала (1) и известной величины i2. Выходной сигнал модели 7 - предполагаемое напряжение на зажимах обмотки 2

где R2 и L2s - активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки 2, w2 - число ее витков. Верхний индекс «м» указывает на то, что сигнал получен путем моделирования, а не в результате наблюдения объекта. Разностное напряжение

позволяет судить о степени адекватности моделей 4 и 7 реальному трансформатору. Если он неповрежден, то Δu2→0. С учетом погрешности измерительных преобразователей тока и напряжения уровень разностного напряжения (3) будет малым, но все же конечным. Поэтому характеристика срабатывания защиты трансформатора в плоскости Δu2(u2) имеет ограниченные размеры. Плоскость принадлежит отображаемому на ней двумерному сигналу u2(k)=[Δu2(k), u2(k)]Т, где «т» - индекс транспонирования, k - дискретное время k=ent[t/Δt], Δt - интервал дискретизации. Токи и напряжения наблюдаются во времени k, а затем путем интерполяционного преобразования переводятся в непрерывные величины: i(k)→i(t), u(k)→u(t). Предполагаемое напряжение в результате совершенных преобразований является непрерывной величиной, но ее предлагается дискретизировать с тем, чтобы разностное напряжение (3) определялось в виде отсчетов Δu2(k).

Селективность срабатывания защиты повышает дополнительная проверка адекватности модели реальному объекту. Помимо уже задействованных моделей обмоток остается еще модель магнитопровода, описываемая зависимостью

где - падение магнитного напряжения в контуре магнитопровода, ем1 и ем2 - магнитодвижущие силы (МДС), создаваемые токами в обмотках

ем1=w1i1, ем2=w2i2. (5)

Нижний индекс «м» указывает на принадлежность величины к магнитной цепи, а верхний индекс «м2» говорит о том, что модель вторична и не связана с описанием обмоток. Первичной же остается модель 4 первой обмотки 1, коль скоро именно эта модель определяет магнитный поток Ф, а следовательно, также магнитную индукцию B=Ф/S, где S - площадь сечения сердечника, и напряженность магнитного поля Н (В), определяемую характеристикой намагничивания материала сердечника. Напряженность Η определяет падение магнитного напряжения иначе, нежели модель (4)

где l - длина средней линии сердечника. Разностное магнитное напряжение

как и ранее разностное электрическое напряжение (3), имеет нулевой уровень только при условии, что справедливы закономерности (1), (2), (5), а они являются таковыми только для исправного трансформатора.

Из магнитных величин формируют двумерный сигнал . На плоскости его отображения задается обеспечиваемая им область срабатывания релейной защиты.

В применении к трехфазным трансформаторам данный способ имеет некоторые непринципиальные особенности. Первых обмоток становится три, и они образуют трехфазную группу 11-13 или 17-19, или 20-22. Дальнейшее зависит от схемы соединения первых обмоток, влияющей на характеристики их моделей:

а) Схема «звезда с нулем» (фиг. 4). В этом случае преобразование электрических величин в магнитные выполняется автономно в модели каждой обмотки

где для электрических величин р=А, В, С, а для потоков соответственно р=а, b, с.

б) Схема «звезда с изолированной нейтралью» (фиг. 5). Информацию о состоянии трансформатора несут в данном случае два из трех линейных напряжений, на фиг. 5 это uAB1 и uBC1, а также два из трех линейных тока, определяемых как

iAB1=iA1-iB1, iBC1=iB1-iC1.

Для трехфазной группы обмоток 17-19 могут быть использованы две модели преобразования электрических величин в магнитные, линейных токов и напряжений - в линейные магнитные потоки стержней 14-16

в) Схема треугольника (фиг.6). Как и в предыдущем случае, информативны линейные напряжения uAB1, uВС1, но в отличие от того случая токи в обмотках 20-22, обозначенные как ial, ibl, ic1, неизвестны, поэтому используются их разности. Для соединения, показанного на фиг. 6

ia1-ib1=-iB1, ib1-ic1=-iC1 (11)

Для трех обмоток 20-22 составляются две модели, осуществляющие преобразования

Модели вторых обмоток 23-25, или 26-28, или 29-31 осуществляют преобразование производных магнитных потоков (8), или (9), (10), или (12), (13) совместно с токами вторых обмоток ip2, р=А, В, С, в предполагаемые напряжения , q=a, b, c (фиг. 7), или , (фиг. 8), или , (фиг. 9). Заметим, что в двух последних случаях прогнозируются линейные напряжения и , но используются для этого разные токи, получаемые в результате наблюдения. Для случая фиг. 8 требуются разности токов обмоток iA2-iB2 и iB2-iС2, в то время как для случая фиг. 9 востребованы инвертированные токи (-iВ2) и (-iС2). Что же касается разностных напряжений, то в случае фиг. 7 они определяются так

а в случаях фиг. 8 или фиг. 9 как

В случае фиг. 7 характеристики срабатывания защиты задаются на трех плоскостях двумерных электрических сигналов uр2(k)=[Δuр2(k), up2(k)]T, а в случае фиг. 8 или фиг. 9 - на двух плоскостях uAB2(k)=[ΔuAB2(k), uAB2(k)]T, uBC2(k)=[ΔuBC2(k), uBC2(k)]T

Операции, определяющие первые и вторые магнитные напряжения, иллюстрируются на примере магнитной цепи трехстержневого магнитопровода 32. Модели первых обмоток 33-35 определяют потоки стержней Фq, q=a, b, c, и, как следствие, средние значения магнитных индукций Bqq/S, где - площадь сечения магнитопровода, и напряженности Hq(Bq). Первые магнитные напряжения в независимых контурах 39, 30 магнитопровода 32 определяются напряженностями Hq и длинами стержней lq

Вторые магнитные напряжения определяют в тех же контурах 39, 40, но выражают их через магнитодвижущие силы ем всех четырех обмоток, входящих в контур. В контуре 39 действуют МДС емА1=w1iA1, eмB1=w1iB1, eмA2=w2iA2, eмB2=w2iB2 обмоток 33, 34, 36, 37, а в контуре 40 - МДС eмB1, eмB2, eмC1= w1iC1, eмC2= w2iC2 обмоток 35, 38. Искомые магнитные напряжения

Разностные магнитные напряжения контуров 39, 40

9 ,

а двумерные магнитные сигналы , , , . В дополнение к характеристикам срабатывания защиты на плоскостях электрических двумерных сигналов uАВ, uВС2 появляется возможность задания еще двух характеристик срабатывания на плоскостях магнитных сигналов uМаb, uМbс.

Описываемый способ релейной защиты трансформаторов реализуется последовательностью операций, наглядно иллюстрируемой на примере двухобмоточного трансформатора (фиг. 1). Наблюдаются отсчеты токов и напряжений двух обмоток 1 и 2: i1(k), u1(k), i2(k), u2(k). Ток и напряжение первой обмотки 1, а также ток второй обмотки 2 преобразуют в непрерывные сигналы: i1(k)→i1(t), u1(k)→u1(t), i2(k)→i2(t). В модели 4 первой обмотки 1 непрерывные величины i1(t), u1(t) преобразуют в сигнал (фиг. 2, выражение (1)). В модели 7 второй обмотки 2 сигналы и i2(t) преобразуют в непрерывное напряжение (фиг. 3, выражение (2)). Непрерывную величину дискретизируют: . Определяют разностное напряжение Δu2(k) и отображают двумерный сигнал u2(k) на его плоскости. Если он отображается в области срабатывания защиты, подают сигнал о несоответствии модели исправного трансформатора результатам его наблюдения, следствием чего становится срабатывание защиты.

В резерве остаются закономерности магнитной цепи трансформатора. Для проверки их выполнения интегрируют сигнал , преобразуя его в поток Φ(t) и далее в индукцию B(t) и напряженность H(t). Получают первое магнитное напряжение (выражение (6)). Определяют второе магнитное напряжение (выражения (4), (5)), затем разностное напряжение (7), усредняющий сигнал и двумерный магнитный сигнал uм, отображаемый на плоскости с координатами Δuм и . Еще одна область срабатывания защиты задается на этой плоскости.

Алгоритмы работы релейной защиты с любым числом двумерных выходных сигналов разработаны ранее [5-8]. Они позволяют использовать имеющуюся информацию о защищаемом объекте в полном объеме. Это касается как текущей информации о наблюдаемом режиме, так и информации о предшествующем режиме, хранящейся в памяти микропроцессорных терминалов защиты. Сюда же относится и априорная информация о параметрах объекта, используемая при задании его моделей. Важное технико-экономическое достоинство рассматриваемого способа защиты трансформатора заключается в том, что он не предполагает изменения уставок. В необходимых случаях корректируются параметры модели, что напрямую связано с физической стороной работы трансформатора.

Источники информации

1. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М: Энергоатомиздат, 1998 (С. 544-566).

2. Dashti Η., Sanaye-Pasand Μ. Power transformer protection using a multiregion adaptive differential relay. IEEE Trans. Power Deliver, 2014, V. 29, №2, C. 777-785.

3. Засыпкин A.C. Релейная защита трансформаторов. - Μ.: Энергоатомиздат, 1989 (С. 185-188).

4. Патент США №5671112, Н02Н 3/18,1997 (прототип).

5. Патент РФ №2444829, Н02Н 6/00, Н02Н 3/16, Н02Н 3/40, G01R 31/08, 2010.

6. Патент РФ №2450402, Н02Н 3/40, 2010.

7. Патент РФ №2537652, Н02Н 3/40, 2013.

8. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С., Романов Ю.В., Воронов П.И. Обучаемая релейная защита. Ч. 1 и 2. - Электричество, 2012, №2, С. 15-19; №3, С. 12-18.

Способ релейной защиты трансформатора путем синхронного наблюдения отсчетов токов и напряжений его обмоток, интерполяционного преобразования отсчетов токов и напряжений во входные непрерывные токи и напряжения, преобразования входных величин в двумерные сигналы и задания характеристик срабатывания защиты на плоскостях двумерных сигналов, отличающийся тем, что входные величины преобразуют с использованием моделей неповрежденных обмоток и моделей контуров магнитопровода, в моделях первых обмоток преобразуют их входные токи и напряжения в магнитные потоки стержней магнитопровода и в первые магнитные напряжения его контуров, в моделях остальных обмоток преобразуют их входные токи и магнитные потоки соответствующих стержней в предполагаемые напряжения этих обмоток, дискретизируют предполагаемые напряжения синхронно с наблюдаемыми напряжениями, в моделях контуров магнитопровода преобразуют токи соответствующих обмоток во вторые магнитные напряжения, определяют разностные электрические напряжения как разности между отсчетами наблюдаемых и соответствующих предполагаемых напряжений, определяют разностные магнитные напряжения как разности между первыми и вторыми магнитными напряжениями, формируют двумерные сигналы из разностных электрических напряжений и отсчетов наблюдаемых напряжений, а также из разностных магнитных напряжений и полусуммы соответствующих первых и вторых магнитных напряжений, отображают двумерные сигналы на их собственных плоскостях и производят срабатывание релейной защиты трансформатора в тех случаях, когда отображение по меньшей мере одного из двумерных сигналов попадает в область, ограниченную характеристикой срабатывания, заданной на плоскости этого двумерного сигнала.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и чувствительности защиты.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к дифференциальной защите, и может быть использовано для дифференциальной защиты трансформаторов. Техническим эффектом предлагаемого устройства является отстройка от бросков тока намагничивания при включении под напряжение для дифференциальной защиты трансформаторов, которая не вызывает замедления действия при насыщении трансформаторов тока в приделах до пятидесяти процентов токовой погрешности ТТ, повышение чувствительности дифференциальной защиты по току срабатывания ниже 0,3Iном.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к дифференциальной защите, и может быть использовано для дифференциальной защиты трансформаторов. Техническим результатом предлагаемого способа является отстройка от бросков тока намагничивания при включении под напряжение для дифференциальной защиты трансформаторов, которая в переходном процессе не вызывает замедления действия при насыщении трансформаторов тока в приделах до пятидесяти процентов токовой погрешности ТТ, а также значительное повышение чувствительности дифференциальной защиты силового трансформатора.

Изобретение относится к устройствам релейной защиты силовых трансформаторов. Технический результат - возможность установки тока срабатывания защиты в четыре и более раз меньше, чем у электромагнитных реле, при регулировании напряжения трансформатора под нагрузкой до ±12,5%.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для релейной защиты трансформаторов от коротких замыканий (КЗ), и может быть использовано для защиты двухобмоточных и трехобмоточных силовых трансформаторов.

Изобретение относится к электротехнике, к релейной защите силовых трансформаторов распределительных сетей. .

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты силовых трансформаторов. .

Изобретение относится к электротехнике, к релейной защите силового трансформатора и может быть использовано для быстрой блокировки дифференциальной защиты при бросках тока включения, когда имеется доступ к замеру напряжения, создающего ток короткого замыкания и ток броска.
Наверх