СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

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 L_1s - 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 L_2s - 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, е_м1 и е_м2 - магнитодвижущие силы (МДС), создаваемые токами в обмотках

е_м1=w₁i₁, е_м2=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 u_AB1 и u_BC1, а также два из трех линейных тока, определяемых как

i_AB1=i_A1-i_B1, i_BC1=i_B1-i_C1.

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 u_AB1, u_ВС1, но в отличие от того случая токи в обмотках 20-22, обозначенные как i_al, i_bl, i_c1, неизвестны, поэтому используются их разности. Для соединения, показанного на фиг. 6

i_a1-i_b1=-i_B1, i_b1-i_c1=-i_C1 (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 i_p2, 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 i_A2-i_B2 и i_B2-i_С2, в то время как для случая фиг. 9 востребованы инвертированные токи (-i_В2) и (-i_С2). 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 u_р2(k)=[Δu_р2(k), u_p2(k)]^T, а в случае фиг. 8 или фиг. 9 - на двух плоскостях u_AB2(k)=[Δu_AB2(k), u_AB2(k)]^T, u_BC2(k)=[Δu_BC2(k), u_BC2(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 Ф_q, q=a, b, c, и, как следствие, средние значения магнитных индукций B_q=Ф_q/S, где - площадь сечения магнитопровода, и напряженности H_q(B_q). Первые магнитные напряжения в независимых контурах 39, 30 магнитопровода 32 определяются напряженностями H_q и длинами стержней l_q

Вторые магнитные напряжения определяют в тех же контурах 39, 40, но выражают их через магнитодвижущие силы е_м всех четырех обмоток, входящих в контур. В контуре 39 действуют МДС е_мА1=w₁i_A1, e_мB1=w₁i_B1, e_мA2=w₂i_A2, e_мB2=w₂i_B2 обмоток 33, 34, 36, 37, а в контуре 40 - МДС e_мB1, e_мB2, e_мC1= w₁i_C1, e_мC2= w₂i_C2 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 u_АВ, u_ВС2 появляется возможность задания еще двух характеристик срабатывания на плоскостях магнитных сигналов u_Маb, u_Мbс.

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 u_м, отображаемый на плоскости с координатами Δu_м 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.