Разработка методов и средств повышения эффективности дифференциальной защиты трансформаторов

Критический анализ состояния электроэнергетической отрасли указывает на необходимость существенного повышения надежности транспортировки и распределения электроэнергии, что отмечается во многих работах и официальных документах [1]. Основной причиной этого является рост числа серьезных аварийных событий, приводящих к большим экономическим потерям как в России, так и в мире в целом. Вероятность аварийных событий во многом определяется условиями эксплуатации. При этом в условиях рыночной экономики и дефицита электроэнергии в некоторых регионах, электрогенерирующие и сетевые компании эксплуатируют энергооборудование в максимальных режимах работы, близких к критическим. Этому способствует развитие и все более широкое внедрение новых средств интенсивного управления электрооборудованием, которые недостаточно исследованы. Безусловно, такая эксплуатация приводит к ускоренному износу отдельных электроустановок и повышению их влияния на надежность системы электроснабжения в целом. Это особенно становится актуально для оборудования с близким к истечению нормативным сроком службы или превысившим его.

На сегодняшний день самое широкое применение в энергетике имеет трансформаторное оборудование: силовые трансформаторы, фазоповоротные комплексы, управляемые шунтирующие реакторы. Согласно статистическим данным в 2000 г. в ЕЭС России установленная мощность только силовых трансформаторов и автотрансформаторов 110−750 кВ составила 567 569 МВА при суммарной мощности электрических станций 194 000 МВт [2]. Естественно, что надежность работы электрических сетей во многом определяется надежностью работы трансформаторного оборудования. Из общего числа аварий около 10% приходится на долю повреждений трансформаторов, которые приводят к значительному суммарному экономическому ущербу [3]. Это объясняется значительной стоимость и большой длительностью аварийного ремонта мощного трансформатора. Кроме этого, в большинстве случаев после аварийного возгорания трансформатор вообще не подлежит восстановлению, а последующая экспертиза аварии не выявляет первоначальную причину повреждения из-за большого объема разрушений и, как следствие, не позволяет внести необходимые конструктивные изменения, направленные на повышение надежности силового оборудования. Во время планового ремонта трансформаторного оборудования также сложно оценить состояние (остаточный ресурс) изоляции, поэтому к надежности и эффективности средств релейной защиты трансформаторного оборудования предъявляются повышенные требования.

Развитию систем релейной защиты, автоматики и управления трансформаторами уделяли значительное внимание: Атабеков Г. И., Булычев А. В,.

Ванин В.К., Дмитренко A.M., Дроздов А. Д., Дъяков А. Ф. Засыпкин А. С, Кужеков C. JL, Линт М. Г., Нагай В. И., Новаш. В.И., Подгорный Э. В., Федосеев A.M., Ульяницкий Е. М., Шнеерсон Э. М. и многие другие.

Основное внимание при решении задачи повышения эффективности средств защиты трансформаторов уделяется дифференциальной защите. При этом ее техническое совершенство и надежность функционирования в основном определяются качеством входной информации. В этой связи одним из путей их развития является повышение метрологических характеристик измерительного тракта защиты и разработка методов, учитывающих его динамические свойства. Наиболее актуальной задачей при этом становится разработка алгоритма восстановления первичных токов трансформаторов тока с учетом нелинейности их параметров.

Отмеченные направления совершенствования современных микропроцессорных устройств РЗА неизбежно связано с многочисленными экспериментально-поисковыми исследованиями различных функциональных структур, методов, алгоритмов измерения и контроля параметров режимов работы защищаемого электрооборудования. При этом, практически единственно возможным способом исследования является применение современных численных методов, реализующих адекватное математическое описание всех элементов расчетной схемы электрической сети с учетом их внутренней конструкции и нелинейности электромагнитных параметров. Большой вклад в развитие методов численного моделирования переходных процессов в силовых трансформаторах внесли Александров Г. Н., Евдокунин А. Г., Засыпкин A.C., Попов М. Г., Рагозин A.A., Шакиров М. А. и др.

В связи с вышеизложенным тема диссертационных исследований, целью которых является разработка быстродействующей дифференциальной защиты трансформаторов, а также совершенствование технических средств измерения тока и напряжения, актуальны. Актуальность работы подтверждается тем, что данные исследования были проведены при поддержке правительства РФ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами. Результаты исследований вошли в основу выполнения государственного контракта № П199 от 22 апреля 2010 г.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 75 наименований на 6 с. Работа изложена на 144 страницах, в том числе: 137 с. основного текста, 80 рисунков.

Выводы:

1. Показано, что алгоритмы торможения дифференциальной защиты в функции токов плеч обладают главным, общим недостатком, который заключается в том, что тормозной сигнал при внешних КЗ значительно уменьшается при увеличении погрешности трансформаторов тока, в то время как дифференциальный сигнал возрастает. Это приводит к необходимости существенного занижения чувствительности защиты или к ее блокировке.

2. Усовершенствовать алгоритмы дифференциальной защиты можно за счет использования фильтра тока намагничивания. Предложенные алгоритмы восстановления первичного тока ТТ и тока намагничивания позволили снизить уставку срабатывания защиты до 0.05 в области рабочих токов. При токах, превышающих рабочие токи, необходимо дополнительное торможение. Однако, даже при условии сравнения наибольшего значения тока срабатывания и тока торможения в защите, коэффициент чувствительности будет увеличен более чем в два раза.

3. Разработаны новые алгоритмы торможения токами намагничивания ТТ. Установлено, что способ торможения геометрической разностью токов намагничивания создаст наименьшее загрубление защиты при внутренних КЗ. При работе фильтра тока намагничивания с погрешностью в режиме недокомпенсации для обеспечения селективности необходимо либо увеличивать ток срабатывания защиты, либо увеличивать коэффициент перекомпенсации. В режиме внутреннего КЗ происходит временное снижение чувствительности защиты в течение переходного процесса.

4. В работе также выявлены основные сложности при использовании предложенных выше алгоритмов, которые связаны с трудностями выбора коэффициентов торможения и перекомпенсации, обусловленные необходимостью определения возможных погрешностей восстановления первичного тока. Неоднозначность выбора указанных коэффициентов усугубляется высокой чувствительностью фильтра тока намагничивания к флуктуации параметров измерительной части системы, что приводит к высоким требованиям к алгоритму восстановления первичного тока.

5. Формирование рабочего тока из восстановленных первичных токов при торможении разностью токов намагничивания ТТ плеч защиты позволяет снизить требования к погрешности работы фильтра тока намагничивания. В этом случае гарантируется правильная работа защиты при погрешности расчета тока намагничивания менее 50%. Основным достоинством представленного подхода является отсутствие дополнительного торможения при токах, отвечающих диапазону предельно допустимой кратности по условию 10% погрешности ТТ. При этом величина тока срабатывания защиты принимается равной 0,051ном во всем указанном диапазоне.

Заключение

.

1. Основными причинами снижения чувствительности и быстродействия дифференциальной защиты являются погрешность преобразования первичных токов. Показано, что повысить метрологические характеристики измерительного тракта защиты возможно за счет использования устройств более высокого класса точности и дальнейшего устранения влияния остаточной погрешности путем применения специализированных алгоритмов. Задачей подобных алгоритмов отстройки от тока небаланса, вызванного инструментальной погрешностью является вычисление сигнала пропорционального ошибке измерения и восстановление истинных сигналов первичных токов ТТ плеч защиты.

2. Разработаны опытные образцы вторичных преобразователей напряжения и проведены их всесторонние исследования, которые подтвердили правильность теоретических результатов и правомерность принятых в процессе исследований допущений. При приемлемых массогабаритных и экономических показателей частотный диапазон датчиков составил от 0.5 до 10 кГц, динамический диапазон от 0.1 А до 150 А для ВПТ и от 0.2 В до 200 В для ВПН. Разработанные преобразователи предназначены для применения в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики, цифровых регистраторах аварийных событий, а также в испытательных комплексах.

3. Созданные вторичные преобразователи, средства их тестирования, методы численного расчета нестационарных режимов ЭЭС и соответствующее прикладное программное обеспечение интегрированы в комплексную систему испытаний и диагностики реального времени (DoRTSD — Real-Time System of Diagnostics) силового электрооборудования и микропроцессорных средств РЗА.

4. Разработано цифровое устройство (ФТН) восстановления первичного тока ТТ с учетом нелинейных характеристик его параметров, которое повышает устойчивость и достоверность контроля параметров энергосистемы средств релейной защиты и противоаварийной автоматики. Определена чувствительность алгоритма восстановления первичного тока к отклонению параметров модели от действительных значений. В частности выявлено, что максимально допустимой погрешности алгоритма равной 50%, допускается отклонение характеристики намагничивания обратной модели ТТ от реальной в диапазоне- -5% ^ +10%. Установлена допустимая разница начальных условий модели ТТ и реального ТТ. Показано, что, когда остаточная индукция ТТ не превосходит значений соответствующих индукции при номинальном токе (0.1−0.15 Тл), максимальная погрешность восстановления первичного тока ТТ не превзойдет 15%.

5. В работе предложены и исследованы несколько способов применения нелинейного фильтра тока намагничивания в дифференциальной защите. Показано, что применение разработанного алгоритма восстановления первичного тока совместно с существующими алгоритмами торможения позволяет снизить коэффициент торможения и минимальный ток срабатывания более чем в два раза (до кт =0.1−0,2 и I -0,051) с мин ' HOW 7.

6. Разработанные новые алгоритмы дифференциальной защиты с использованием способов торможения токами намагничивания ТТ позволяют снизить требования к погрешности фильтра тока намагничивания. В этом случае гарантируется правильная работа защиты при погрешности расчета тока намагничивания менее 50%. При использовании нового алгоритма дифференциальной защиты уставка срабатывания принимается равной 0,051ном в всем диапазоне первичных токов ТТ, удовлетворяющих условию 10% погрешности.

7. Усовершенствованная схема дифференциальной защиты обладает лучшими показателями быстродействия, чувствительности, устойчивости, достоверности измерений и может быть использована при разработке микропроцессорных устройств.