Развитие методов моделирования и разработка микропроцессорных защит трансформаторов и шин

Актуальность темы

Развитие защит трансформатора и шин, одних из важнейших объектов электроэнергетических систем, является актуальной задачей в течение всего времени. Этим вопросам посвящены исследования многих российских и зарубежных ученых.

Подробные теоретические исследования режимов, влияющих на работу защиты трансформаторов, приведены в работах Дроздова А. Д. [1, 2], Богуша А. Г. [3], Засыпкина A.C. [4, 5]. Вопросы анализа работы разных типов реле дифференциальной защиты трансформаторов в основных и специальных режимах и повышения их технического совершенства подробно рассмотрены в монографии Засыпкина A.C. [4]. Разработка защит трансформаторов типа ДЗТ-20, ДЗТ-21 отражена в работах Дмитренко A.M. [6, 7, 8], в дальнейшем развитых в [9, 10]. На современном этапе развития микропроцессорной базы релейной защиты интересные исследования проведены 3. Гажичем (Z. Gajic, ABB), результаты которых отражены в [11, 12, 13] и внедрены в составе микропроцессорного интелектуального устройства защиты трансформаторов типа RET 670.

Вопросами применения защиты для шин электростанций и подстанций 110 и 220 кВ одними из первых в отечественной практике начали заниматься Соловьев И. И. [14, 15], АтабековГ.И. [16], Царев М. И. [17]. Заложенные в их работах основы получили свое развитие в разработке дифференциальной защиты типа ДЗШТ, выполненной Петровым С. Я. и Греком Г. Т. [18, 19]. Подробные обзор и исследование защит шин проведены Кужековым C.JI. и Синельниковым В. Я. в [20], где ими были тщательно проанализированы особенности реализации и поведения в различных режимах нескольких поколений дифференциальных защит шин, выполненных на разных принципах. Вклад в исследование измерительных органов дифференциальных защит шин внес Дмитренко A.M. [21]. Из зарубежных устройств следует выделить защиту шин типа RADSS [22], разработанную Т. Форфордом (Th. Forford, ASEA), которая лежит в основе реле следующих поколений типа REB 103 и RED 521 (ABB, Швеция). Отдельным классом устройств среди дифференциальных защит шин являются дифференциально-фазные защиты, из которых наиболее известны ДФЗШФ [23, 24], ДФЗШ [25].

Развитие релейной защиты и автоматики связано с широким внедрением микропроцессорной техники и обусловило интерес к исследованию информационных свойств релейной защиты. Инструментом исследования стал метод информационного анализа [26, 27, 28, 29]. На его основе уже реализованы и продолжают разрабатываться новые модули релейной защиты, распознающие способности которых приближаются к физическому пределу распознаваемости аварийных режимов защищаемого объекта. Исследование распознаваемости, также как и повышение распознающих свойств модулей защиты, является одной из основных задач информационного анализа. Решение этих задач требует разработки эффективных имитационных и алгоритмических моделей энергообъектов [30, 31, 32]. Особого внимания требуют методы моделирования и эквивалентирования систем с трансформаторами, необходимые для разработки и верификации защиты трансформатора, которые наименее развиты. В частности, востребована обобщенная модель нелинейного трансформатора в режиме витковых замыканий, обеспечивающая задание параметров на основе номинальных данных.

Усовершенствование методов моделирования режимов трансформатора закладывает основу для развития его защиты от всех видов замыканий в направлении повышения распознающих свойств, актуальность которого обусловлена недостаточной чувствительностью существующих защит к витковым замыканиям в обмотках трансформатора. Это, в свою очередь, делает актуальной задачу обеспечения надежной работы защиты в анормальных режимах, в том числе при неисправностях в цепях тока.

Внедрение микропроцессорной техники предоставляет широкие возможности для усовершенствования характеристик защиты шин, связанных с быстродействием и надежностью отстройки от внешних КЗ, что актуально в связи с увеличивающими уровнями передаваемых мощностей и токов КЗ. Применение новых типовых схем распределительных устройств 110−220 кВ требует внимательного подхода к реализации защиты шин.

Целью работы является развитие методов моделирования и эквивалентирования систем с трансформаторами, исследование на этой основе распознаваемости витковых замыканий в обмотках трансформатора и автотрансформатора и разработка усовершенствованных микропроцессорных защит трансформатора и шин.

Методы исследования. Исследования проводились с использованием теоретических основ электротехники, теоретических основ релейной защиты, методов теории распознавания, линейной алгебры, нелинейного программирования, математического моделирования, а также программных вычислительных комплексов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием обоснованных методов исследования, обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами и учеными на конференциях, экспериментальной проверкой разработанных защит в лабораторных условиях и особенно в эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенный метод каскадного эквивалентирования при наличии произвольных ограничений на каскадное соединение и трансформаторных связей в многопроводной системе.

2. Имитационная модель нагрузочных, аномальных и аварийных режимов нелинейного многообмоточного трансформатора и ее применение при исследовании распознаваемости замыканий в обмотках трансформаторов и автотрансформаторов и распознающих свойств их защиты.

3. Реализация токового входа с учетом переходных режимов и его применение в микропроцессорной защите шин.

4. Реализация органа контроля исправности вторичных цепей переменного тока и его применение для дифференциальной защиты трансформатора.

Научная новизна работы.

1. Развитый в работе метод каскадного эквивалентирования многопроводных систем отличается от известных примененным способом восстановления каскадного соединения многополюсников при наличии произвольных ограничений и использованием каскадной модели силового трансформатора, что позволило применить метод для эквивалентирования электрических систем с трансформаторными связями.

2. Разработанная модель нелинейного трансформатора отличается от известных способом моделирования виткового КЗ в обмотке при наличии произвольной магнитной системы с упрощенным заданием параметров.

3. Приведенная в работе реализация токового входа отличается от известных схемой размагничивания магнитопровода для предотвращения насыщения промежуточного трансформатора тока в переходных режимах.

4. Предложенный в работе орган контроля исправности токовых цепей отличается от известных тем, что он адаптирован для применения в составе дифференциальных защит трансформаторов при наличии токов небаланса, возникающих в связи с неучетом положения устройства РПН.

Практическая ценность работы.

1. Развитый в работе метод каскадного эквивалентирования многопроводных систем позволил реализовать программный модуль для расчета нагрузочных режимов и режимов коротких замыканий в трансформаторах, примененный для моделирования режимов и для анализа работы устройств защиты трансформаторов.

2. Проведенное исследование распознаваемости замыканий и распознающих свойств дифференциальной защиты на базе модели трансформатора с витковым КЗ позволило предложить и реализовать меры для повышения чувствительности защиты к повреждениям в обмотках автотрансформатора.

3. Реализация токового входа была применена при разработке микропроцессорной защиты шин с использованием характеристик, предназначенных для упрощенного выбора параметров промежуточных трансформаторов тока с учетом требований к их поведению в переходных режимах. Реализован пусковой орган дифференциальной токовой защиты шин, обеспечивающий требуемый коэффициент чувствительности ко всем внутренним КЗ в схемах с «развилкой» из двух выключателей автотрансформатора.

4. Предложенный в работе орган контроля исправности токовых цепей применен для реализации дифференциальной защиты трансформаторов, устойчивой к обрывам и замыканиями вторичных токовых цепей.

5. Разработанные микропроцессорные терминалы защиты трансформаторов и шин серии «Бреслер» освоены в производстве и введены в эксплуатацию более чем на 100 объектах электроэнергетики.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и республиканских конференциях: «Релейная защита и автоматика энергосистем» (Москва, ВВЦ, 2008), коллоквиуме СИГРЭ (Австралия, Сидней, 2003), DPSP-2004 (Нидерланды, Амстердам, 2004), «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, ЧТУ, 2000, 2006), «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (Чебоксары, ЧГУ, 2001, 2003, 2005), «Релейная защита, низковольтная аппаратура управления, регулируемый электропривод» (Чебоксары, ВНИИР, 2001), а также на семинарах компании ABB Automation Technology Products AB по итогам стажировок (Швеция, Вестерос, 2000, 2001, 2003).

Реализация результатов работы. Основные результаты работы были использованы при разработке терминала защиты трансформаторов серии «Бреслер ТТ 2108» и терминала защиты шин серии «Бреслер ТШ 2310».

Публикации. Содержание диссертационной работы нашло отражение в 22 научных работах, включая две статьи, опубликованные в изданиях из перечня ВАК. Получено решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, одного приложения. Общий объем работы 168 страниц включает: текст диссертации — 153 стр., список литературы — 10 стр., приложения — 1 стр., 63 рисунка, И таблиц.

5.4. Выводы.

1. Проведен информационный анализ распознающей способности дифференциальных защит трансформатора (автотрансформатора) с различными способами формирования тормозного тока. Определено, что ДЗТ с направленным торможением во всех рассмотренных режимах замыканий имеет немного лучшие характеристики распознавания по сравнению с ДЗТ, использующей торможение максимальным токов плеча.

2. Проведено сравнение с распознающей способностью существующих дифференциальных защит. Определено, что при распознавании замыканий в обмотках трансформатора в режиме одностороннего питания характеристики распознавания значительно ухудшаются, при том что распознаваемость таких режимов выше, чем при двухстороннем питании. В случае автотрансформатора распознавание витковых замыканий в ПО и 00 при использовании замера токов ВН и СН значительно хуже предела распознаваемости, также как и в случае витковых замыканий 00 при использовании токов ВН и 00.

3. Проведено сравнение распознающей способности ДЗТ с включением на токи ВН и СН и ДЗТ, включенной на токи ПО и 00. Выявлено, что второй способ защиты имеет намного лучшие распознающие свойства при витковых замыкания в ПО и 00, а также при замыканиях 00 на землю вблизи нейтрали. Замыкания 00 и ПО вблизи ввода СН лучше распознаются при первом способе включения ДЗТ.

2. Предложен способ повышения чувствительности защиты к замыканиям в обмотках автотрансформатора путем применения второй дифференциальной зоны, включенной на токи обмоток ВН, НН и в нейтрали 00. Приведена методика расчета токов небаланса и уставок такой защиты.

3. Предложен способ повышения надежности к неисправностям во вторичных цепях переменного тока. Реализована дифференциальная защита трансформаторов, устойчивая к обрывам и замыканиями вторичных токовых цепей, для чего разработан и применен быстродействующий орган контроля исправности токовых цепей. Защита устойчива к одно-, двухи трехфазным обрывам и замыканиям вторичных цепей переменного тока.

4. Разработан микропроцессорный терминал защиты трансформаторов и автотрансформаторов серии «Бреслер ТТ 2310», который освоен в производстве и введен в эксплуатацию более чем на 100 объектах энергосистемы. Опыт эксплуатации — положительный.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенной работы были получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Дано развитие метода каскадного эквивалентирования для имитационного и алгоритмического моделирования многопроводных систем с произвольными ограничениями на каскадное соединение многополюсников. Предложена каскадная модель трансформатора, что позволило применить метод для эквивалентирования систем с трансформаторными связями.

2. Разработана имитационная модель силового трансформатора с произвольным числом обмоток и произвольной нелинейной магнитной системой. Для исследования аварийных режимов предложена модель виткового замыкания в обмотке. Разработан алгоритм расчета модели трансформатора, позволяющий получить решение с заданной точностью. Реализовано упрощенное задание параметров модели с использованием каталожных данных рассматриваемого трансформатора.

3. Разработаны элементы методики исследования распознаваемости аварийных ситуаций в электрических системах, в том числе витковых замыканий в обмотках силового трансформатора. Проведено исследование распознаваемости витковых замыканий в двухобмоточном трансформаторе, а также в последовательной и общей обмотке автотрансформатора.

4. Предложена методика выбора трансформаторов тока для применения в составе устройств релейной защиты с учетом требований к передаче токов переходного режима. Предложен и реализован способ уменьшения погрешностей, вызванных насыщением трансформатора тока при передаче токов переходного режима.

5. Разработана и внедрена в производство микропроцессорная защита шин серии «Бреслер», обладающая высоким быстродействием при внезапных и развивающихся КЗ, а также устойчивостью к насыщению ТТ при внешних КЗ. В схеме защиты реализован пусковой орган с расширяемой зоной срабатывания для обеспечения чувствительности к внутренним КЗ в существующих схемах систем шин.

6. Разработан и внедрен в производство микропроцессорный терминал защиты трансформаторов серии «Бреслер». Разработана методика определения распознающих свойств дифференциальных защит, проведено сравнение с пределом распознаваемости. Предложено использование дополнительной дифференциальной зоны, включенной на токи общей обмотки, для повышения чувствительности к витковым замыканиям в автотрансформаторе. Разработан орган контроля исправности вторичных токовых цепях для повышения надежности к несрабатыванию ДЗТ в режимах их обрыва и замыкания.