Способ релейной защиты трехфазного трансформатора

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – расширение функциональных возможностей способа. Операции способа ориентированы на наиболее распространенный тип силовых трансформаторов с первичными обмотками, соединенными по схеме «звезда с нулем», и вторичными обмотками, соединенными в треугольник. Наблюдают токи и напряжения первичных обмоток и токи на выходе треугольника вторичных обмоток. Наблюдаемые величины преобразуют в двумерные сигналы с использованием модели неповрежденного трансформатора, которую разделяют на три подмодели - первичных обмоток, вторичных обмоток и магнитопровода. В первой подмодели преобразуют первичные токи и напряжения в напряжения намагничивания. Во второй подмодели напряжения намагничивания преобразуют совместно с токами вторичной стороны трансформатора в токи его вторичных обмоток. Третья подмодель реализует закон полного тока, преобразуя токи первичных и соответствующих вторичных обмоток каждой фазы в токи намагничивания. Двумерные сигналы формируют из напряжений и токов намагничивания. На плоскостях двумерных сигналов задают характеристики блокирования защиты, играющие в данном способе приоритетную роль. Срабатывание защиты производят в случае выполнения двух условий: первое - несрабатывание ни одного из блокирующих органов; второе - срабатывание хотя бы одного из разрешающих органов. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике. Предназначено для защиты силовых трансформаторов. Ориентировано на применение в микропроцессорной релейной защите.

В последние двадцать лет начал складываться новый класс алгоритмов релейной защиты, предполагающих моделирование защищаемого объекта [1]. Имеются в виду модели неповрежденного объекта, получившие название алгоритмических [2]. Они играют роль формирователей замеров и функционируют в реальном времени. Их не следует путать с имитационными моделями тех электрических систем, в состав которых входят защищаемые объекты. Имитационные модели охватывают всевозможные режимы системы, включая и повреждения объекта. Они воспроизводят любые ситуации, что востребовано не только при тестировании релейной защиты, но и при ее обучении [3, 4]. Имитационное моделирование совершается в отложенном времени.

Алгоритмические модели работают в реальном времени, являясь структурной частью релейной защиты. Они моделируют не всю систему, а исключительно защищаемый объект, выполняя функцию преобразователей наблюдаемых токов и напряжений.

Способы релейной защиты, основанные на применении алгоритмических моделей, получили развитие и внедрение в защите линий электропередачи [5]. Защита трансформаторов имеет ряд особенностей [6]. Алгоритмическая модель трансформатора представляет собой сложную структуру, состоящую из трех составных частей (подмоделей) - первичных обмоток, вторичных обмоток и магнитопровода. Способ защиты трансформатора по [6] исходит из предположения о полноте и даже избыточности информационной базы. Полнота относится к априорной информации, а избыточность - к текущей. Априорная информация задается в виде значений фиксированных параметров модели, возможно в интервальной форме, а также характеристики намагничивания сердечника. Текущую информацию представляют результаты наблюдения токов и напряжений на выводах обмоток трансформатора. В таких условиях структура и параметры алгоритмической модели полностью определены, и для ее активирования достаточно лишь части наблюдаемых величин. Остальные величины остаются в резерве, модель формирует их оценки, а по возникающей невязке между наблюдаемыми величинами и их оценками судят об адекватности модели и объекта или же о неадекватности. В случае адекватности делается вывод о нормальном состоянии объекта, коль скоро модель предполагает его исправность. А в случае явной неадекватности делается вывод о повреждении объекта и, следовательно, о том, что он нуждается в защите.

Несмотря на то что способ защиты трансформатора по [6] представляет собой решение общей задачи, в распространенном частном случае он оказывается недостаточно эффективным и нуждается в совершенствовании. Имеется в виду исполнение трехфазного трансформатора с соединением вторичных обмоток в треугольник. В обсуждаемом способе, как и в существующей практике, при моделировании такой конструкции осуществляется переход от фазных координат к линейным, т.е. к разностям фазных величин. Как следствие, сокращается информационная база релейной защиты: вместо трех независимых фазных контуров получаются два линейных, иначе говоря, из рассмотрения исключается нулевая последовательность электрических величин. Между тем, ток нулевой последовательности замыкается в треугольнике обмоток и существенно влияет на токи намагничивания стержней магнитопровода. Понятно, что в базисе линейных координат невозможно полноценно распознать насыщение одной или нескольких фаз магнитной цепи.

Цель настоящего изобретения - расширение функциональных возможностей способа защиты трехфазного трансформатора, у которого имеется хотя бы одна группа обмоток, соединенных в треугольник, притом, что токи в треугольнике не наблюдаются. Вносимые усовершенствования направлены на то, чтобы и в таких условиях получить возможность отслеживать процессы в магнитопроводе, в каждой его фазе. Выполняемые операции подобраны в расчете на простейшую конструкцию трансформатора с двумя группами обмоток. Первичные обмотки соединены в звезду, вторичные - в треугольник. Наблюдают токи и напряжения на выводах первичных обмоток (первые величины), а также токи на выводах треугольника (вторые токи). Как и в прототипе, наблюдаемые величины преобразуют в двумерные сигналы, правда, иной природы, нежели в прототипе. Преобразование совершают при помощи модели трансформатора в неповрежденном состоянии, что является центральным ограничительным признаком изобретения. Модель, предназначенную для преобразования информации, составляют из трех автономных частей (подмоделей): первая - подмодель первичных обмоток, вторая - вторичных обмоток, третья - подмодель магнитной системы. Именно подмодели осуществляют формирование двумерных сигналов, на плоскостях которых задают характеристики защиты.

Первую подмодель используют, как и в прототипе, для преобразования первых токов и напряжений в напряжения намагничивания. Вторую и третью подмодели в предлагаемом способе используют не так, как в прототипе, и это обстоятельство относится к числу ограничительных признаков. Вторую подмодель используют для преобразования напряжений намагничивания совместно со вторыми токами в токи вторичных обмоток, соединенных в треугольник. Наконец, третью подмодель, относящуюся к магнитопроводу, используют для преобразования токов первичных и вторичных обмоток каждой фазы в токи намагничивания. Принципиально важную роль играет операция формирования двумерных сигналов. Их формируют из величин, относящихся к магнитной системе трансформатора, а именно из напряжений намагничивания и токов намагничивания каждой фазы магнитопровода. Существенно и то, что на плоскостях двумерных сигналов задают характеристики блокирования защиты, которым в данном способе придается первостепенное значение. Характеристики срабатывания играют подчиненную роль. Срабатывание защиты производят в случае выполнения главного условия. Оно заключается в том, что ни один из двумерных сигналов не отобразится в области блокирования, ограниченной на его плоскости характеристикой блокирования. Для большей надежности могут быть задействованы еще и характеристики срабатывания.

В зависимом пункте формулы изобретения конкретизуется вид двумерных сигналов и операция их формирования.

На фиг. 1 приведена структурная схема трехфазного двухобмоточного трансформатора; на фиг. 2 - его схемная модель; на фиг. 3-5 - алгоритмические модели (подмодели), первая (фиг. 3) - первичных обмоток, вторая (фиг. 4) - вторичных обмоток, третья (фиг. 5) имеет отношение к магнитопроводу. На фиг. 6 дана иллюстрация операции формирования двумерного сигнала, а на фиг. 7 изображена плоскость двумерного сигнала с указанной на ней областью блокирования релейной защиты. На фиг. 8 - примерный вид характеристики намагничивания стали. Функциональные схемы по фиг. 9-11 поясняют действие релейной защиты трансформатора, на фиг. 9 - структура первой подмодели в трехфазном исполнении, фиг. 10 - структура формирователя двумерных сигналов, фиг. 11 - оконечный модуль защиты трансформатора. На фиг. 12 представлены результаты экспериментальной проверки предлагаемого способа.

Предлагаемый способ излагается на примере трансформатора с минимальным набором трехфазных обмоток - первичной 1 и вторичной 2 - и магнитопроводом 3. Первичная трехфазная обмотка состоит их фазных обмоток 4-6, соединенных по схеме «звезда с нулем». Вторичная трехфазная обмотка состоит из обмоток 7-9, соединенных в треугольник. Наблюдаются фазные токи и напряжения iν1(t), uν1(t), ν=A, B, C на выводах A1, B1, C1 первичной обмотки. Фазные токи iνΔ(t) вторичной обмотки не наблюдаются. Наблюдаются линейные токи iν2(t) на выводах треугольника A2, B2, C2.

В схемной модели трансформатора магнитопровод представлен в виде фазных сердечников 10-12. Выделены параметры обмоток - активные сопротивления R1, R2, индуктивности рассеяния L1, L2. В обмотках остаются напряжения намагничивания - первичные uμν1(t) и вторичные uμν2(t), связанные с потоком в сердечнике Фν законом электромагнитной индукции

где Ψ - потокосцепления, w1 и w2 - числа витков обмоток, ν+1 - индекс опережающей фазы.

Заметим, что фазные напряжения вторичных обмоток являются вместе с тем линейными напряжениями отходящей сети, в связи с чем они и обозначаются так, как это принято для линейных напряжений.

Первая подмодель 13 функционирует в соответствии со схемой первичной обмотки, ее входы 14, 15 передают на выход 16 сигнал, представляющий напряжение намагничивания со стороны первичной обмотки

а после умножения на коэффициент трансформации k=w2/w1 - и со стороны вторичной обмотки

Вторая подмодель 17 действует в соответствии с закономерностями, присущими вторичной стороне трансформатора

Входными величинами для подмодели 17 являются напряжения uμAC2, uμBA2, uμCB2, подаваемые на входы 18-20, и токи на выходе треугольника вторичных обмоток iA2, iB2, iC2, поступающие на входы 21-23. Выходные величины - токи вторичных обмоток i, i, i на выходах 24-26. Описание (3) представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка, моделируемое разностной схемой.

Наконец, третья подмодель 27 действует в соответствии с законом полного тока в приложении к магнитопроводам 10-12

Состояние каждого фазного магнитопровода отслеживается при помощи напряжения и тока ветви намагничивания uμν1 и iμν1. Возможны различные варианты преобразования этих величин в двумерный сигнал z. Простейший из них - разделение формирователя 31 двумерного сигнал на автономные модули 32, 33. На вход 34 первого из них подается напряжение намагничивания uμν1(t), а с выхода 35 снимается интегральная величина - приращение потокосцепления за время Δt, начиная от момента tx

Второй модуль 33 выполняет более простую операцию определения приращения за то же время тока намагничивания. Из величины iμν1(t), поступающей на вход 36, выбирают два отсчета iμν1(tx) и iμν1(tx+Δt). На выход 37 подается разность

Двумерный сигнал zν представляет собой вектор, компонуемый путем совмещения элементов 38, 39

который отображается точкой 40 на плоскости 41. Задаваемая на плоскости область блокирования защиты Sбл состоит из двух частей 42, 43, которые располагаются вблизи оси координаты Δiμν1 в первом и третьем квадранте, что имеет простое объяснение. В альтернативных режимах трансформатор не поврежден, как следствие, соотношение между потокосцеплением и током намагничивания сердечника определяется характеристикой намагничивания стали B(H), где B - индукция, H - напряженность магнитного поля. Электротехническая сталь характеризуется малым гистерезисом, поэтому характеристика B(H) проходит по первому и третьему квадрантам и состоит из трех частей - почти вертикального рабочего участка 44 и почти горизонтальных участков насыщения 45, 46. Совпадение знаков индукции B и напряженности H имеет следствием совпадение знаков потокосцепления Ψν1 и тока намагничивания iμν1. Далее тоже правило распространяется на приращения ΔΨν1 и Δiμν1.

Трехфазная структурная схема защиты, реализующая предлагаемый способ, начинается с модели 47 первичной обмотки трансформатора, детализирующей модель 13. Масштабирующей блок 48 переводит первичные напряжения намагничивания во вторичные uμAC2, uμBA2, uμCB2, которые необходимы для активирования модели вторичной обмотки 17, а затем и моделей 27 магнитопровода. Структурные элементы 49-59 детализируют операции, совершаемые формирователями 32, 33. Формирователь замеров имеет собственную структуру, состоящую из пускового органа 49 и формирователя переменных двумерных сигналов 50.

Структура оконечной части защиты включает в свой состав разрешающие исполнительные органы 51-53, блокирующие органы 54-56, трехвходовые логические элементы ИЛИ 57, 58, двухвходовый логический элемент И 59 с одним инверсным входом.

На подготовительном этапе, до ввода релейной защиты в эксплуатацию, задают параметры трех подмоделей трансформатора 47, 17, 27: сопротивления R1 и R2, индуктивности L1 и L2, коэффициент трансформации k. На этом же этапе проводят обучение защиты и определяют блокирующую характеристику 39. Характеристику срабатывания, иначе разрешающую характеристику, задают в соответствии с общим критерием повреждения, обеспечивающим отстройку от коммутаций нагрузки и от случайных помех. Блокирующие характеристики придают исполнительным органам 54-56, а разрешающие - органам 51-53.

Терминал релейной защиты, подключенный к реальному трансформатору, получает девять входных величин - токи iν1, iν2 и напряжения uν1, ν=A, B, C. Их обработка осуществляется в последовательности, предусмотренной предлагаемым способом. Первая подмодель 47 играет роль входного блока защиты, обрабатывающего шесть входных величин iν1, uν1 в соответствии с алгоритмом (1). Масштабирующий блок 48 осуществляет операцию (2), приводящую его входные напряжения ко вторичной стороне трансформатора. Вторая подмодель 17 является вторым каскадом структурной схемы защиты, получающим сигналы от блока 48, а также со входа терминала защиты - токи iν2 вторичной стороны трансформатора. Модель описывается соотношением (3), правая часть которого определена входными сигналами. Алгоритм действия модели заключается в интегрировании дифференциального уравнения первого порядка, определяющего токи обмоток, соединенных в треугольник.

Третья подмодель 27 и, соответственно, третий каскад защиты, реализует закон полного тока, например, в простейшей форме (4). Четвертый каскад - формирователь двумерных сигналов 50 с пусковым органом 49. Пусковой орган реагирует на изменение закономерности своих входных сигналов

а формирователь 50 реализует операции (5)-(7).

Оконечный каскад 51-59, не задействованный на предварительном этапе обучения защиты, включается в работу при вводе защиты в эксплуатацию. Исполнительные органы 51-56 сравнивают отображения двумерных сигналов zν с заданными областями. Каждый орган срабатывает, если сигнал отобразится в его области. Если сработает хотя бы один из блокирующих органов 54-56, то блокируется и выходной орган 59, предотвращая срабатывание защиты. Для срабатывания защиты требуется выполнения двух условий: первое - несрабатывание всех блокирующих органов 54-56; второе - срабатывание по меньшей мере одного из трех разрешающих органов 51-53.

Результаты испытания распознающей способности предлагаемого способа защиты трансформатора приведены на фиг. 12. Броски намагничивающего тока вызывались путем подачи на имитационную модель ненагруженного трансформатора симметричной трехфазной системы напряжений при γA=0. Параметры обмоток трансформатора: R1=0,4082 Ом, L1=0,0351 Гн, R2=0,1373 Ом, L2=0,0118 Гн, коэффициент трансформации k=0,5799. Характеристика намагничивания стали в координатах Ψ1(iμ1) задавалась в кусочно-линейном виде с двумя фиксированными точками на участке насыщения: первая - 298,88 Вб и 2,236 А, вторая - 298,97 Вб и 4,473 А. Витковое замыкание через переходное сопротивление 0,1 Ом создавалось в одном витке фазы B первичной обмотки. Момент времени tx совпадал либо с моментом начала броска намагничивающего тока, либо с началом короткого замыкания. Приращение времени Δt увеличивалось непрерывно, начиная с минимального значения в 2 мс. Как видно из фиг. 12, во всех трех фазах трансформатора при включении под напряжение наблюдается бросок намагничивающего тока, годограф которого располагается в первом квадранте (фаза A) или в третьем (фазы B и C). Внутривитковое замыкание характеризуется иной формой и иным место расположения годографов, что свидетельствует о надежном разграничении режимов замыкания и броска намагничивающего тока трансформатора.

Источники информации

1. Патент США №5671112, H02H 3/18, 1997.

2. Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С., Павлов А.О. Эволюция дистанционной релейной защиты. - Электричество, 1999, №3, с. 8-15.

3. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С., Романов Ю.В., Воронов П.И. Обучаемая релейная защита. Ч. 1. Методы условных отображений. - Электричество, 2012, №2, с. 15-19.

4. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С., Романов Ю.В., Воронов П.И. Обучаемая релейная защита. Ч. 2. Информационный портрет многомодульной распознающей структуры. - Электричество, 2012, №3, с. 12-18.

5. Патент РФ на полезную модель №166909, H02H 7/26, G01R 31/08, 2015.

6. Патент РФ №2617714, H02H 7/045, 2017.

1. Способ релейной защиты трехфазного трансформатора, состоящего из магнитопровода, первичных обмоток, соединенных в звезду с заземленной нейтралью, вторичных обмоток, соединенных в треугольник, путем наблюдения первых токов и напряжений на выводах первичных обмоток и вторых токов на выводах треугольника вторичных обмоток, преобразования наблюдаемых величин в двумерные сигналы с использованием модели неповрежденного трансформатора, задания характеристик релейной защиты на плоскостях двумерных сигналов, составления модели неповрежденного трансформатора из трех подмоделей, первая из которых моделирует первичные обмотки, вторая - вторичные обмотки, третья - магнитопровод, причем в первой подмодели преобразуют первые токи и напряжения в напряжения намагничивания трансформатора, отличающийся тем, что во второй подмодели преобразуют напряжения намагничивания совместно со вторыми токами в токи вторичных обмоток, в третьей подмодели преобразуют токи первичных и соответствующих вторичных обмоток каждой фазы в токи намагничивания, формируют двумерные сигналы из напряжений и токов намагничивания, задают на плоскостях двумерных сигналов характеристики блокирования защиты и производят срабатывание релейной защиты, если ни один из двумерных сигналов не отобразится в своей области, ограниченной характеристикой блокирования, и по меньшей мере один двумерный сигнал отобразится в своей области, ограниченной характеристикой срабатывания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двумерные сигналы формируют в виде векторов

,

элементами которых являются приращения ΔΨν1, Δiμν1, за время Δtx, начиная с момента tx, основных потокосцеплений Ψν1 и токов намагничивания iμν1 трансформатора в фазах ν=A, B, С, причем указанные приращения определяют по соотношениям

,

Δiμν1=iμν1(tx+Δtx)-iμν1(tx),

где uμν1 (t) - напряжение намагничивания на первичной стороне трансформатора.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности способа дифференциальной защиты трансформатора путем выявления неисправностей трансформаторов тока, а также повреждений на ошиновках трансформатора без ухудшения быстродействия защиты и применения сложных устройств.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение чувствительности дифференциальной отсечки к внутренним коротким замыканиям и упрощение способа.

Использование: в области электротехники. Технический результат - расширение функциональных возможностей и адаптивности способа.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкции дифференцирующих индукционных преобразователей тока (ДИПТ), и предназначено для измерения тока в проводниках высоковольтных электроэнергетических систем.

Использование: в области электротехники. Технический результат - предотвращение ущерба от невосстанавливаемого повреждения автотрансформатора вследствие длительного протекания через автотрансформатор тока короткого замыкания, возникшего на стороне низшего напряжения и в условиях отказа в срабатывании основной или резервной релейной защиты автотрансформатора.

Изобретение относится к области электроэнергетики и направлено на построение универсальной защиты трансформатора, использующей имеющуюся информацию в максимально полном объекте.

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%.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности способа дифференциальной защиты трансформатора путем выявления неисправностей трансформаторов тока, а также повреждений на ошиновках трансформатора без ухудшения быстродействия защиты и применения сложных устройств.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности способа дифференциальной защиты трансформатора путем выявления неисправностей трансформаторов тока, а также повреждений на ошиновках трансформатора без ухудшения быстродействия защиты и применения сложных устройств.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение чувствительности дифференциальной отсечки к внутренним коротким замыканиям и упрощение способа.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение чувствительности дифференциальной отсечки к внутренним коротким замыканиям и упрощение способа.

Использование: в области электротехники. Технический результат - расширение функциональных возможностей и адаптивности способа.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение точности разграничения режимов повреждения трансформатора и альтернативных им режимов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкции дифференцирующих индукционных преобразователей тока (ДИПТ), и предназначено для измерения тока в проводниках высоковольтных электроэнергетических систем.

Использование: в области электротехники. Технический результат - предотвращение ущерба от невосстанавливаемого повреждения автотрансформатора вследствие длительного протекания через автотрансформатор тока короткого замыкания, возникшего на стороне низшего напряжения и в условиях отказа в срабатывании основной или резервной релейной защиты автотрансформатора.

Использование: в области электротехники. Технический результат - предотвращение ущерба от невосстанавливаемого повреждения автотрансформатора вследствие длительного протекания через автотрансформатор тока короткого замыкания, возникшего на стороне низшего напряжения и в условиях отказа в срабатывании основной или резервной релейной защиты автотрансформатора.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - расширение функциональных возможностей защиты за счет возможности предотвращения возникновения виткового замыкания из-за разрушения изоляции под воздействием вибрации в месте соприкосновения сместившихся витков.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – расширение функциональных возможностей способа. Операции способа ориентированы на наиболее распространенный тип силовых трансформаторов с первичными обмотками, соединенными по схеме «звезда с нулем», и вторичными обмотками, соединенными в треугольник. Наблюдают токи и напряжения первичных обмоток и токи на выходе треугольника вторичных обмоток. Наблюдаемые величины преобразуют в двумерные сигналы с использованием модели неповрежденного трансформатора, которую разделяют на три подмодели - первичных обмоток, вторичных обмоток и магнитопровода. В первой подмодели преобразуют первичные токи и напряжения в напряжения намагничивания. Во второй подмодели напряжения намагничивания преобразуют совместно с токами вторичной стороны трансформатора в токи его вторичных обмоток. Третья подмодель реализует закон полного тока, преобразуя токи первичных и соответствующих вторичных обмоток каждой фазы в токи намагничивания. Двумерные сигналы формируют из напряжений и токов намагничивания. На плоскостях двумерных сигналов задают характеристики блокирования защиты, играющие в данном способе приоритетную роль. Срабатывание защиты производят в случае выполнения двух условий: первое - несрабатывание ни одного из блокирующих органов; второе - срабатывание хотя бы одного из разрешающих органов. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

Наверх