Разработка методов и средств повышения устойчивости функционирования дифференциальной защиты генератора

Актуальность работы.

Генератор — сложный и дорогостоящий объект энергосистемы, осуществляющий выработку электроэнергии, который наиболее подвержен различным повреждениям. Внутренние междуфазные короткие замыкания способны привести к значительным разрушениям машины, таким как повреждения пазовых клиньев, обмотки и активной части статора. Более того, короткое замыкание (КЗ) в генераторе создает угрозу устойчивости энергосистемы, поэтому на синхронных генераторах, в обязательном порядке, должна устанавливаться быстродействующая защита, способная отключать внутренние КЗ без выдержки времени.

Основной защитой генератора от внутренних междуфазных коротких замыканий является продольная дифференциальная токовая защита. Современные микропроцессорные дифференциальные защиты надежно не срабатывают при внешних повреждениях в случае точного преобразования первичных сигналов трансформаторами тока (ТТ). Однако при насыщениях трансформаторов тока под действием высоких уровней токов КЗ с большим содержанием апериодической составляющей тока и большой постоянной времени первичной сети возможна ложная работа этих защит в сквозных режимах и задержка в срабатывании при внутренних повреждениях. Немаловажным фактором, негативно влияющим на устойчивость несрабатывания защит при внешних КЗ является различие в характере протекания переходных процессов во вторичных цепях ТТ, установленных по концам защищаемого объекта, что может быть обусловлено как использованием разнотипных ТТ, так и различием по величине вторичной нагрузки. Стоит отметить, что в зависимости от принципа построения, способа формирования тормозного сигнала и тормозной характеристики (или характеристики срабатывания), использования дополнительных мер в алгоритмах защиты нарушение устойчивости их функционирования будет проявляться по-разному.

Подтверждением недостатков дифференциальных защит могли бы являться реальные осциллограммы повреждений, при которых функционирование дифференциальных защит некорректно. Однако реальные осциллограммы вторичных токов ТТ, а также тока, протекающего в дифференциальной цепи основной защиты генератора, характеризующихся насыщением ТТ в переходном процессе, практически отсутствуют по причине малой вероятности экстремальных переходных процессов, а также по причине отсутствия достаточного количества достоверной информации от регистраторов аварийный событий на электрических станциях. Проведение натурных испытаний на генераторе затруднительно из-за вероятности повреждения защищаемого объекта во время проведения экспериментов и из-за необходимости проведения большого числа дорогостоящих опытов. Полноценное аналитическое исследование поведения дифференциальных защит в переходных режимах затруднительно из-за сложности взаимодействия ТТ в группах, поэтому для анализа переходных процессов в цепях дифференциальной защиты необходимо применять методы математического моделирования на ЭВМ как аварийных режимов в первичной сети, так и работы ТТ в группах.

В связи с этим актуальной является разработка методов и средств оценки устойчивости функционирования дифференциальной защиты, необходимой как при расчёте её уставок, так и при реконструкции вторичных цепей или замене ТТ. К этой задаче можно отнести и оценку эффекта от использования дополнительных мер отстройки от переходного тока небаланса, например при установке добавочного сопротивления в дифференциальную цепь.

При подтверждении описанных недостатков существующих защит актуальной становится разработка алгоритма функционирования дифференциальной защиты генератора, превосходящего по основным показателям устойчивости функционирования (селективность, быстродействие и чувствительность) устройства, выпускаемые серийно.

Не менее важно отметить, что в виду большого многообразия серийно выпускаемых в настоящее время продольных дифференциальных защит, актуальной является разработка методик выбора наиболее подходящего устройства защиты для конкретного генератора и установленных на нём ТТ, исходя из оценки уровня чувствительности к внутренним повреждениям, устойчивости несрабатывания при сквозных аварийных режимах и быстродействия при внутренних КЗ.

Целью работы является разработка методов и средств количественной оценки устойчивости функционирования продольных дифференциальных защит генератора, а также выявление набора наиболее устойчивых признаков внешнего и внутреннего КЗ и их применение при совершенствовании алгоритма функционирования дифференциальной защиты.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Произведён анализ способов отстройки от тока небаланса в переходном режиме, используемых в алгоритмах дифференциальных защит.

2. .Разработан комплекс для проведения исследований, включающий в себя математические модели первичного оборудования и модели ТТ с учётом их взаимодействия друг с другом в группах «звезда» и «двойная звезда».

3. Разработана методика преобразования выходных сигналов ТТ, полученных путем математического моделирования, в аналоговые сигналы, подаваемые непосредственно на входы устройства релейной защиты.

4. Разработана методика анализа устойчивости функционирования защит, созданный программный комплекс имитационного моделирования переходных процессов в ТТ.

5. Проведены вычислительные и физические исследования устойчивости функционирования дифференциальных защит в различных аварийных режимах.

6. Разработана методика оценки чувствительности дифференциальных защит к внутренним повреждениям при наличии сквозного тока нагрузки.

7. Разработана с учётом созданных средств компьютерного моделирования методика оценки дифференциальных защит генератора по устойчивости несрабатывания при сквозных аварийных режимах и быстродействию при внутренних КЗ.

8. Определены средствами компьютерного моделирования переходных процессов в трехфазных цепях ТТ фиксируемые алгоритмом защиты наиболее информативные параметры, характерные только режимам внешнего или внутреннего КЗ.

9. Разработан новый, более совершенный алгоритм функционирования дифференциальной защиты генератора, оценена его эффективность и возможность технической реализации.

Методы исследования. Разработанные в диссертации научные положения основываются на применении теоретических и экспериментальных методов исследования в этой области и используют системный подход к проблеме. Решение поставленных в работе задач базируется на выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, теоретические основы электротехники, теория имитационного моделирования, цифровая обработка сигналов, аналитические методы исследования продольных дифференциальных защит, теория планирования эксперимента, теория распознавания образов.

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов работы подтверждается теоретическими обоснованиями, совпадением характера протекания переходных процессов в цепях ТТ, полученных при моделировании, с осциллограммами натурных экспериментов, апробацией результатов работы на конференциях и семинарах, а также положительным опытом их внедрения в процесс проектирования ЗАО «Е4-СибКОТЭС».

Научная новизна работы.

1. Произведён анализ и классификация способов отстройки от установившихся и переходных токов небаланса, используемых в алгоритмах дифференциальных защит генератора.

2. .Разработаны математические модели групп ТТ «двойная звезда» и групп ТТ «звезда», работающих на общую нагрузку, с учётом реальной усреднённой характеристики намагничивания их сердечников.

3. Предложена методика анализа чувствительности дифференциальных защит генератора к внутренним повреждениям при наличии сквозного тока нагрузки, основанная на преобразовании тормозных характеристик в характеристики срабатывания.

4. Предложена методика выбора конкретного устройства дифференциальной защиты генератора, исходя из обеспечения чувствительности к внутренним КЗ при наличии сквозного тока нагрузки.

5. Предложена методика анализа устойчивости функционирования дифференциальных защит при внешних КЗ, позволяющая оценить эффективность использования в них дополнительных мер отстройки от токов небаланса.

6. Предложена методика выбора конкретного устройства дифференциальной защиты генератора, исходя из оценки устойчивости несрабатывания при сквозных режимах и быстродействия при внутренних КЗ.

7. Определены и предложены решения по реализации новых отличительных признаков аварийных режимов защищаемого объекта.

8. Разработан алгоритм функционирования дифференциальной защиты генератора, основанный на структурных методах теории распознавания образов и обеспечивающий более устойчивую идентификацию аварийных режимов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработан программный комплекс имитационного моделирования переходных процессов в цепях дифференциальной защиты генератора, в который интегрированы математические модели первичного оборудования и ТТ, собранных в группы, а также модуль сохранения осциллограмм вторичных токов ТТ в формат СОМТЯАВЕ, необходимый для сопряжения данного комплекса с испытательными установками релейной защиты.

2. Разработанные программные средства могут быть использованы в проектных институтах, научно-исследовательских центрах, вузах и других организациях для решения задач анализа функционирования дифференциальных защит при заданной конфигурации защищаемого оборудования, а также для анализа эффективности работы защиты при выбранных уставках.

3. Разработанные методы и средства могут быть использованы проектными организациями при выборе наиболее полно отвечающей требованиям устойчивости функционирования дифференциальной защиты для заданного сочетания генератора и установленных на нём ТТ.

4. Предложенный алгоритм дифференциальной защиты генератора обладает лучшим сочетанием показателей устойчивости функционирования (устойчивости несрабатывания при сквозных аварийных режимах, быстродействия и чувствительности при внутренних повреждениях) по сравнению с алгоритмами серийно выпускаемых защит генераторов. Это обуславливает целесообразность их использовании при реализации комплекса устройств релейной защиты синхронных генераторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели групп ТТ «двойная звезда» и групп ТТ «звезда», работающих на общую нагрузку.

2. Методика оценки чувствительности дифференциальных защит генератора к внутренним повреждениям при наличии сквозного тока нагрузки.

3. Методика анализа устойчивости функционирования дифференциальных защит генератора при внешних и внутренних КЗ.

4. Методика выбора рекомендуемого к использованию устройства дифференциальной защиты генератора, исходя из оценки его устойчивости несрабатывания при сквозных аварийных режимах, чувствительности и быстродействия при внутренних КЗ.

5. Структурная схема и принцип действия разработанной дифференциальной защиты.

6. Сопоставление полученных в результате расчетов показателей устойчивости функционирования для разработанной защиты и для моделей некоторых серийно выпускаемых устройств.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электрических станций Новосибирского государственного технического университета (НГТУ), на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» в 2009, 2010 и 2012 гг. в г. Новосибирске, на международной молодёжной научно-технической конференции «Управление, информация и оптимизация в электроэнергетических системах» (г.Новосибирск, 2011 г.), на днях науки НГТУ в 2009, 2010 и 2012 гг., на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2010 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 научные статьи в изданиях, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 1 статья в сборнике научных трудов, 7 работ, опубликованных в сборниках международных и всероссийских конференций, 1 тезисы доклада.

Личный вклад. Автором совместно с научным руководителем определены принципы построения математических моделей ТТ, сформулированы минимальные требования к разработанному программному комплексу моделирования переходных процессов, предложен подход к оценке чувствительности защит при наличии сквозных токов нагрузки, предложен подход к построению более совершенного алгоритма защиты. Самостоятельно разработаны математические модели первичного оборудования, модель группы ТТ «двойная звезда», модель групп ТТ «звезда», работающих на общую нагрузку, критерий ограничения области исследования защит и метод оценки их несрабатывания при внешних КЗ, подход к выбору используемого устройства дифференциальной защиты генератора, основанный на оценке быстродействия при внутренних КЗ, разработан и реализован новый алгоритм функционирования дифференциальной защиты, выполнены вычислительные и физические эксперименты как на разработанной защите, так и на серийно-выпускаемых устройствах.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений. Основное содержание диссертации изложено на 182 страницах, содержит 40 рисунков и 14 таблиц.

Список использованных источников

содержит 104 наименования.

Основные результаты теоретических исследований и разработок автора, направленные на создание методов и средств анализа и повышения устойчивости функционирования продольных дифференциальных токовых защит генератора, заключаются в следующем:

1. Разработан программный комплекс имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в цепях трансформаторов тока, содержащий математические модели оборудования первичной сети (генератор и система), которые позволяют формировать осциллограммы токов, протекающих по плечам защиты во всех фазах защищаемого объекта, и математические модели групп ТТ «звезда» и «двойная звезда», а также групп ТТ «звезда», работающих на общую нагрузку, которые в зависимости от осциллограмм первичных сигналов позволяют формировать вторичные токи ТТ, поступающие в дифференциальную защиту.

2. Разработан графический интерфейс комплекса имитационного моделирования, обеспечивающий с достаточной степенью наглядности ввод параметров, определяющих режим работы первичного оборудования (параметры генератора, системы, предаварийного и аварийного режимов), технических параметров и начальных условий трансформаторов тока, используемых защитой, а также вывод на экран необходимых результатов вычислительного эксперимента в виде графиков.

3. Обеспечена возможность использования результатов вычислительных экспериментов для исследования устойчивости функционирования физических устройств дифференциальных защит генератора в различных режимах путем сохранения осциллограмм вторичных токов плеч защиты, рассчитанных на математических моделях программного комплекса, в формате СОМ-Т1ШЖ.

4. Обеспечена возможность оценки и сравнения устойчивости функционирования дифференциальных защит генератора в различных переходных режимах, в том числе и при наличии сопровождающих токов нагрузки, путём моделирования их алгоритмов.

5. Предложена методика выбора рекомендуемого к использованию устройства дифференциальной защиты генератора, исходя из обеспечения чувствительности к внутренним повреждениям при наличии сквозного тока нагрузки. При использовании этой методики определяются характеристики срабатывания рассматриваемых защит, получаемые из тормозных характеристик. Характеристика срабатывания непосредственно связывает ток срабатывания защиты со сквозным током нагрузки, характеризующим режим работы генератора.

6. Предложена методика анализа устойчивости функционирования дифференциальных защит генератора при внешних КЗ, позволяющая оценить эффективность использования дополнительных мер отстройки от токов небаланса. Результаты исследований показали, что наличие в алгоритмах дифференциальных защит дополнительных мер, улучшающих их отстроенность от таких токов, может приводить к ухудшению быстродействия устройств при внутренних КЗ. Более того, выявлены режимы внешнего КЗ, в которых, несмотря на применение дополнительных мер, фиксируется излишняя работа дифференциальных защит, то есть использование дополнительных мер в том виде, в котором они применяются в алгоритмах существующих устройств, является недостаточным.

7. Предложена методика выбора используемого устройства дифференциальной защиты генератора, исходя из оценки устойчивости несрабатывания при сквозных аварийных режимах и быстродействия при внутренних КЗ. Получаемые количественные показатели определяются на основе метода статистических испытаний, который в совокупности с предложенным критерием «отсеивания» части режимов, не являющихся репрезентативными с точки зрения оценки устойчивости функционирования дифференциальной защиты, приводит к уменьшению суммарного времени исследования переходных процессов в цепях защиты на ЭВМ в автоматическом режиме.

8. Разработан алгоритм функционирования продольной дифференциальной защиты генератора, основанный на использовании структурных методов теории распознавания образов. Используемый подход позволил записать существующие отличительные признаки различных режимов в форме, более удобной для их идентификации, а также выявить и сформулировать дополнительные отличительные признаки внешнего и внутреннего КЗ, которые невозможно идентифицировать в алгоритмах, основанных на традиционном подходе. В алгоритме дополнительно применены новые интегрально-качественные признаки «удалённого» внешнего КЗ, а также реализованы выявленные дополнительные возможности дифференциально-фазного принципа, позволяющие ускорить идентификацию внутреннего КЗ.

9. Доказана возможность реализации разработанных алгоритмов защиты на базе современных микропроцессорных средств.

10. В разработанном алгоритме в полной мере учтены предложенные подходы к выбору используемого устройства дифференциальной защиты генератора, исходя из требований чувствительности и быстродействия при внутренних повреждениях и устойчивости несрабатывания при внешних КЗ. Результаты сопоставления разработанного алгоритма дифференциальной защиты с алгоритмами серийно-выпускаемых устройств, на примере генератора ТВВ-320−2, показали, что он имеет более высокие показатели устойчивости функционирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.