книги / Микропроцессорная система релейной защиты энергоблоков

к созданию универсальных и унифицированных средств, что повы­ шает технико-экономическую эффективность производства за счет уменьшения номенклатуры выпускаемых УРЗ, роста объема произ­ водства, его специализации, более широкой автоматизации техно­ логических процессов. Все это ведет к снижению себестоимости УРЗ. В то же время состав функций, параметры, алгоритмы РЗ электро­ энергетического объекта зависят не только от того, какой это объект — генератор или ВЛ, но и от параметров самого объекта (мощность, уровень напряжения и т. д.), внешней энергосистемы, характера связей с ней [22]. Следовательно, для электроэнергети­ ческих объектов, особенно крупных (турбогенераторы Единой серии, мощные силовые трансформаторы и автотрансформаторы, ВЛ 220— 750 кВ), необходима разработка индивидуальной СРЗ.

Данное противоречие между потребителем и производителем решается путем комплексирования РЗ объекта, т. е. проектирования РЗ в виде комплекта отдельных, автономных УРЗ. Эти УРЗ связаны в комплексе РЗ лишь совместным функционированием на одном объекте. Каждое из них защищает 0 3 от одного или нескольких видов КЗ. Подобные комплексы создаются на базе электромехани­ ческих реле, микроэлектронных аналоговых и аналого-цифровых УРЗ. Они обладают параметрической гибкостью и весьма ограни­ ченной алгоритмической и функциональной гибкостью. Эти свойства в большинстве своем реализуются путем переключений, выполняе­ мых персоналом, что является причиной значительной доли отказов функционирования УРЗ. Возможностиавтоматического контроля и диагностики в таких комплексах ограничены.

Анализ состава БГТ (см. табл. 1.1) показывает, что все их многообразие формируется из ограниченной совокупности УРЗ, выполняющих функции реле тока, напряжения, времени, времени с зависимой выдержкой, мощности, сопротивления, дифференциаль­ ного с торможением; фильтров частотных, симметричных состав­ ляющих. Получили распространение следующие способы выполне­ ния полупроводниковых реле тока (напряжения) [36]: сравнение выпрямленного и сглаженного входного сигнала (тока, напряжения) с опорным сигналом, величина которого задается уставкой сраба­ тывания; сравнение заданного интервала времени с временем пре­ вышения выпрямленным или невыпрямленным входным сигналом опорного сигнала; сравнение интервалов превышения и непревышения входным сигналом опорного сигнала. Наиболее перспективен последний способ, поскольку в нем уставка срабатывания не зави­ сит от частоты сети. На мощных турбогенераторах с непосредствен­ ным охлаждением устанавливаются защиты от токов обратной по­ следовательности с зависимой выдержкой времени типа РТФ-6 и РТФ-6М [29]. В них реализована интегральная характеристика вы­ держек времени, моделирующая в известных пределах тепловую

перегрузочную характеристику генератора в несимметричных режи­ мах. Эта характеристика учитывает процесс охлаждения ротора в отсчете выдержек при повторяющихся перегрузках. В защите исполь­ зуется фильтр тока обратной последовательности. Две токовые от­ сечки с различными уставками по току 12 и независимыми выдержка­ ми времени срабатывания служат для резервирования защит смеж­ ных элементов. Сигнальный орган фиксирует превышение длительно­ го допустимого тока обратной последовательности. Пусковой орган используется для запуска органа с зависимой выдержкой времени. Эти реле, использующие заряд-разряд конденсатора, имеют ряд особенностей, которые затрудняют их широкое распространение. Главная трудность — использование конденсаторов в качестве интегрирующего элемента.

Защита от внешних однофазных КЗ на стороне ВН энергоблока предназначена для резервирования защит, отключающих КЗ на землю на стороне ВН блочного трансформатора. Защита реагирует на ток нулевой последовательности и включается в нейтраль транс­ форматора с помощью двух токовых реле. Одно из них выполняет дальнее резервирование защит от КЗ на землю смежных элементов сети ВН и ближнее резервирование защит энергоблока. Второе реле предназначено для деления СШ и ускорения ликвидации неполно­ фазных режимов при отказе в отключении или включении одной (двух) фаз выключателя. На БГТ, которые могут работать с незаземленной нейтралью, используется дополнительная защита от КЗ на землю, которая реагирует на напряжение нулевой последователь­ ности Uo или на ток обратной последовательности. В [18] показано, что токовая защита нулевой последовательности на БГТ с заземлен­ ной нейтралью менее чувствительна, если на других БГТ с незаземленной нейтралью используется защита, реагирующая на Uo, а не на Ь. Однако при использовании защиты Uo условие согласования ее чувствительности с токовой защитой нулевой последовательности не зависит от количества заземленных нейтралей. С точки зрения резервирования более предпочтительна защита, реагирующая на Ь, поскольку она кроме однофазных КЗ может отключать и двух­ фазные КЗ.

Для защиты от внешних междуфазных КЗ применяют односту­ пенчатую дистанционную защиту на реле сопротивления КРС-2 с круговой или эллиптической характеристикой. В реле использован принцип сравнения абсолютных значений двух электрических вели­ чин [5]. Переменная составляющая выпрямленных сигналов позво­ ляет получить эллиптическую характеристику. В алгоритме дистан­ ционного реле можно выделить следующие операции: формирование двух электрических величин, являющихся линейными комбинациями контролируемых сигналов (тока, напряжения); сравнение пара­ метров этих величин — модулей, фаз, интервалов превышения

одного сигнала над другим (амплитудно-фазовый принцип). Дан­ ные операции применяются для реализации характеристик срабаты­ вания в комплексной плоскости Z на базе дискретных полупровод­ никовых элементов. Алгоритмы, использующие их, производят «ко­ свенное» вычисление сопротивления петли КЗ. Цифровая обработка существенно расширяет круг операций преобразования и взаимо­ действия сигналов. Стало возможным реализовать алгоритм «пря­ мого» вычисления сопротивления петли КЗ или его составляющих |Z |, ср, г, х. К выполнению измерительных органов дистанционной защиты существует два подхода: решение дифференциальных урав­ нений, описывающих состояние защищаемых линий с использова­ нием отсчетов токов и напряжений в момент квантования в реаль­ ном масштабе времени [7]; выделение гармоник промышленной частоты токов и напряжений и расчет на их основе информативных параметров (фазы, сопротивления) [37]

Для защиты ротора генератора от перегрузки током возбуждения

внастоящее время используется реле РЗР-1М на полупроводниках

свыдержкой времени, зависящей от тока возбуждения 1а [18]:

t= B /[(k (I„ — С )]2,

где В — постоянная, учитывающая накопление тепла в роторе, его перегрузочную способность; k, С — коэффициенты, зависящие от вида характеристик и диапазона уставок.

Интегральный орган учитывает накопление тепла в обмотке ротора в период его перегрузки и охлаждения. Интегральный орган реализует модель процесса нагрева обмотки ротора при допущении, что процесс изменения температуры при нагреве и охлаждении имеет экспоненциальный характер.

Известна защита [38] на базе микроЭВМ, которая использует сигнал с датчика действующего значения тока возбуждения. Алго­ ритм моделирует тепловые процессы в обмотке ротора с учетом трех путей отвода тепла: с помощью газа, циркулирующего по вентиля­ ционным каналам обмотки; через изоляцию обмотки и зубцы ротора

взазор между статором и ротором; через изоляцию обмотки ротора

втело ротора. Алгоритм реализует способ определения средней температуры обмотки ротора в режиме перегрузки путем численного решения дифференциального уравнения нагрева в реальном мас­ штабе времени. Начальное значение средней температуры обмотки вычисляется с помощью периодических замеров ее сопротивления, которое определяется по току и напряжению возбуждения в нор­ мальном режиме. Условие срабатывания защиты — достижение средней температуры обмотки, температуры «срабатывания». При малых перегрузках большой длительности критерием срабатывания является также параметр, характеризующий ускоренное старение изоляции.

Для защиты турбогенератора от симметричных перегрузов по току статора служит максимально-токовая защита с независимой выдержкой времени. Выдержка времени отстраивается от макси­ мального времени действия резервных защит. В защите исполь­ зуется реле тока с высоким коэффициентом возврата типа РТВК. Оно позволяет сигнализировать о перегрузках, начиная с 1,06 1|10М. В дифференциальных защитах применяются электромагнитные реле типа РНТ и ДЗТ-11 [32], кроме того для силовых трансформаторов промышленность выпускает полупроводниковую дифференциальную защиту ДЗТ-21. В ней для отстройки от бросков тока намагничива­ ния в качестве параметра срабатывания используется интервал непревышения входным сигналом заданного уровня [6]. Уставка срабатывания защиты зависит от частоты переменного тока, поэтому ДЗТ-21 может иметь ограниченное применение для защиты энерго­ блоков, на которых возможны существенные изменения частоты.

Обеспечение селективности дифференциальной защиты — основ­ ной вопрос при выборе алгоритма функционирования, поэтому оста­ новимся на этом подробнее. Основные элементы дифференциальной защиты — это ТА на каждом присоединении защищаемого объекта, соединительные линии и дифференциальные реле (Д Р). Соедини­ тельные линии могут существенно влиять на работу защиты, увели­ чивая погрешности ТА. На основе анализа выходных сигналов ТА Д Р должно формировать сигнал отключения только при КЗ в зоне защиты. Рабочим сигналом реле является дифференциальный ток

2 К ,

к=1

где п — число присоединений защищаемого объекта; ik — вторич­ ный ток ТА k-го присоединения.

Поскольку возможна работа ТА с погрешностями до 70% и более в установившихся и переходных режимах [39], при внешних КЗ появляются значительные токи небаланса. Кроме того существует и ряд других источников тока небаланса [40]. Вследствие этого по дифференциальному току нельзя во всех случаях однозначно опре­ делить место повреждения из-за потерь информации в ТА. Возникает необходимость в дополнительной информации, источником которой в дифференциальной защите могут быть только токи плеч защиты {ik}. Ток внешнего КЗ и ток небаланса являются случайными корре­ лированными величинами: чем больше кратность тока внешнего КЗ, тем вероятнее появление тока небаланса. Из этого вытекает способ повышения селективности защиты — автоматическое изменение тока срабатывания защиты ic э с изменением кратности тока КЗ, иными словами, использование Д Р с торможением. Отсюда

*С, 3 ^С, I! "Т"

где ic и — начальный ток срабатывания защиты без торможения; кт — коэффициент торможения; iT— тормозной ток.

С точки зрения селективности ток срабатывания защиты с тор­ можением при внешнем КЗ должен увеличиваться с ростом крат­ ности тока КЗ. Если иметь в виду быстродействие и надежность, то желательно, чтобы при внутреннем КЗ ток срабатывания имел более слабую зависимость (или вообще не зависел) от величины тока КЗ. Тормозной сигнал ДР должен быть функцией величины токов при­ соединений защищаемого объекта и разности их фаз Д<р:

Классифицировать ДР возможно по следующим основным при­ знакам: а) алгоритм формирования рабочего ip или тормозного ц. сигналов; б) используемый параметр рабочего и тормозного сигна­ лов; в) способ использования во времени токов плеч для формиро­ вания рабочего и тормозного сигналов (непрерывный или дискрет­ ный); г) критерий внешнего КЗ. Эти признаки (табл. 1.3) опре­ деляют значительное число вариантов алгоритмов функциониро­ вания ДР [41]. Алгоритмы тормозного сигнала L, (табл. 1.4), за исключением циркулирующего тока iu, описываются выражением

В силу условий технической реализации и целесообразности k4,...,k7 могут принимать значения только 0 или 1, т. е. при выборе из указанного множества все его элементы должны иметь равные значения, если не равны нулю. Для алгоритмов формирования iMKII

и контроля в СРЗ — аппаратная; обработка сигналов в измеритель­ ной части защит — аналоговая; техническая, элементная база СРЗ — электромеханические реле, электромагнитные, магнитные элементы и устройства, дискретные полупроводниковые элементы, аналоговые микросхемы, ИМС малой и средней степени интеграции; СРЗ — совокупность отдельных реле и УРЗ, каждое из которых выполняет функцию защиты от одного или нескольких видов КЗ, повреждений или ненормальных режимов; структура СРЗ — про­ стая, жесткая; современная СРЗ мощных блоков и других энерге­ тических объектов — резервированные и восстанавливаемые си­ стемы; контроль состояния СРЗ — периодический, ручной; для каждого объекта индивидуальное проектирование.

1.6. Качество релейной защиты

Качество технической системы (ТС) определяется совокупностью ее полезных, с точки зрения целевого назначения, свойств. Оно по­ казывает степень приспособленности ТС к выполнению ею основного назначения и степень достижения поставленной цели. Ранее для этого использовались термины «эффективность» и «эффективность функционирования», которые в настоящее время обозначают отно­ шение конечного выходного эффекта к затратам ресурсов на его получение. Качество представляется в виде дерева свойств, на верх­ нем уровне которого находится само качество, которое рассматри­ вается как наиболее общее, сложное свойство ТС [42], а на нижнем уровне — простые свойства. В РЗ качество также рассматривается

как «обобщающее свойство, характеризующее устройства релей­ ной защиты» [4] •

Традиционно основные свойства РЗ — селективность, чувстви­ тельность, быстродействие и надежность — рассматриваются как свойства одного уровня. Однако, как отмечено в [43], они находятся

подхода к созданию РЗ крупных электроэнергетических объектов. Следует отметить, что первая попытка классификации и структури­ рования основных свойств РЗ предпринята в 70-е гг. Э. П. Смир­ новым [43]. Он ввел уровни свойств, общие и частные свойства, предложил показатель общей эффективности функционирования, ввел ряд понятий. Развитие техники РЗ, создание микропроцессор­ ных систем обусловило расширение группы свойств РЗ, а необходи­ мость рационального ее проектирования требует дальнейшей дета­ лизации свойств, уточнения их структуры и ее развертывания. ГОСТ 22851—77 предусматривает следующие группы свойств и их показателей; назначения; надежности; экономного использования ресурсов; технологичности; стандартизации и унификации; эргоно­