телефон: (812) 309 24 79
факс: (812) 309 24 79

DRP-105-ДД - новые технологии в дифференциальной защите

Устройство дифференциальной защиты электрических машин с током срабатывания ниже номинального и алгоритмом быстродействующего контроля исправности токовых цепей.

 

     Не секрет, что излишняя работа дифференциальной защиты электродвигателей и генераторов при неисправностях цепей тока или трансформаторов тока – актуальная проблема, не имеющая на сегодняшний день общепринятого простого и надежного решения, позволяющего выполнять защиту с током срабатывания ниже номинального. В настоящей статье рассмотрено устройство разработки ООО «Механотроника РА», реализующее быстродействующий алгоритм контроля исправности цепей тока, позволяющий исключить излишние действия защиты.

 

     В настоящее время в Российской энергетике отсутствуют нашедшие широкое распространение устройства дифференциальной защиты электродвигателей и генераторов, позволяющие выполнить защиту с током срабатывания ниже номинального и при этом обеспечивающие отсутствие излишних срабатываний защиты при неисправностях цепей тока (обрывах, замыканиях и т.п.) или трансформаторов тока (ТТ). В то же время, НТД (например, [1]) требуют для выполнения продольной дифференциальной защиты генераторов иметь ток срабатывания не выше 0,6 от номинального. При выполнении защиты с током срабатывания ниже номинального приходится считаться с возможным излишним действием защиты при неисправностях цепей тока (ЦТ) или ТТ.

     Существует два подхода к выбору уставок дифференциальной защиты с торможением:

-  отстройка от обрыва цепей тока при номинальной нагрузке;

- без отстройки от обрыва цепей тока, исходя из требования обеспечения необходимой чувствительности и быстродействия.

     Как правило, производители современных устройств релейной защиты в методиках по расчету уставок рекомендуют применять первый вариант для наиболее ответственных объектов, когда ущерб от излишнего действия превышает ущерб от повреждения оборудования. Второй вариант рекомендуется для снижения ущерба от внутренних коротких замыканий (КЗ), но допускает излишнюю работу защиты.

     Ведущие производители устройств РЗА предлагают в своих терминалах различные варианты выполнения алгоритмов выявления неисправностей ЦТ и ТТ. Наиболее распространенное решение среди отечественных разработчиков – контроль уровня дифференциального тока с выдержкой времени. Однако, в силу принципа действия, данный алгоритм способен лишь обеспечить сигнализацию, но не определить истинную причину роста дифференциального тока: КЗ или неисправность ЦТ или ТТ. У зарубежных производителей РЗА [2] представлены более сложные алгоритмы контроля, способные быстро срабатывать при обрывах ЦТ (о способности выявлять замыкания в ЦТ в описании алгоритма не упоминается) и не допускать излишней работы дифференциальной защиты посредством вывода ее из работы. Однако, несмотря на разнообразие решений, на сегодняшний день отсутствует единый общепринятый подход, позволяющий реализовать простой и эффективный вариант выполнения контроля цепей тока, позволяющий использовать дифференциальную защиту с уставкой ниже номинального тока защищаемого объекта.

     В одной из публикаций [3] появилась информация о серийно выпускаемом устройстве дифференциальной защиты электродвигателей, способном, по заявлению разработчиков, реализовать работу с уставкой ниже номинального тока электродвигателя. Авторы настоящей статьи участвовали в разработке устройств описываемой линейки, поэтому считают спорной эффективность данного решения. Несмотря на заявленную возможность, устройство не обеспечивает сколь либо бóльшую чувствительность и быстродействие. Из описания заложенного алгоритма следует, что чувствительный орган защиты вводится в работу только при обнаружении устройством приращения тока выше величины, равной 3,5 порога срабатывания грубого пускового органа. Работа программного обеспечения в рассматриваемых устройствах осуществляется циклически, поэтому чувствительный орган может быть введен в работу не раньше цикла, в котором будет зафиксировано приращение тока заданной величины. Между тем, широко известно, что время срабатывания цифрового РЗА имеет зависимость от кратности величины тока. Из этого следует, что на момент срабатывания при внутреннем КЗ (даже без учета подпитки от самой машины) органа, реагирующего на приращение тока электродвигателя, уже обеспечена кратность равная минимум 3,5 к уставке грубого органа. А это означает, что в цикле, в котором сформирован признак ввода чувствительного органа уже произошло срабатывание грубого органа? Более того его срабатывание могло произойти и на предыдущем цикле работы устройства из–за более высокой кратности к току уставки! Таким образом получается, что, несмотря на заявленную возможность работы дифференциальной защиты с током срабатывания ниже номинального, никакого выигрыша в быстродействии и чувствительности устройство не обеспечивает.

 

Эффективное решение

     Специалистами ООО Механотроника РА предлагается новое эффективное решение проблемы излишнего срабатывания дифференциальной защиты с током ниже номинального тока защищаемого объекта. Авторы считают, что применяемый зарубежными специалистами метод полного вывода защиты при срабатывании быстродействующего алгоритма контроля цепей тока кардинально отличается от общепринятых в России принципов построения дифференциальной защиты. Поэтому предлагается не блокировка, а дополнение защиты, выполненной с током срабатывания выше номинального, чувствительным органом, работающим под управлением быстродействующего контроля ЦТ. Таким образом не нарушается текущая идеология построения защиты с током срабатывания выше номинального тока защищаемого объекта, но в тоже время защита снабжается постоянно находящимся в работе чувствительным органом. Для обеспечения несрабатывания этого органа при повреждениях ЦТ или ТТ, наряду с медленно действующим требуется применение простого и эффективного быстродействующего алгоритма контроля.

     Рассмотрим боле детально реализацию предлагаемого механизма на примере устройства дифференциальной защиты электродвигателей. На рис.1 приведена тормозная характеристика срабатывания дифференциальной защиты.

 

Рисунок 1

Рисунок 1 – Тормозная характеристика срабатывания дифференциальной защиты

 

     Характеристика разделена на три участка. По оси абсцисс отложены значения тормозного тока (IТ), а по оси ординат значения дифференциального тока (IД) в долях от номинального тока электродвигателя. Угол наклона характеристики на первом участке равен нулю и характеристика срабатывания однозначно определяется только значением уставки начального тока срабатывания IДЗТ. Второй участок имеет наклон к оси абсцисс равный некоторому углу α, определяемому уставкой коэффициента торможения КТ ДЗТ, на этом участке характеристика срабатывания описывается функцией от двух величин:

Формула 1

     Коэффициент торможения представляет собой отношение приращения дифференциального тока к соответствующему ему приращению тормозного тока на границе зоны срабатывания ДЗТ:

Формула 2

     Угол наклона характеристики на третьем участке равен нулю и характеристика срабатывания определяется только уставкой тока срабатывания дифференциальной токовой отсечки (ДТО) IДТО. Ток срабатывания ДТО отстроен от максимально возможного небаланса (Iнеб.макс.) протекающего через защиту электродвигателя, возникающего при протекании токов пуска и самозапуска (Iпуск.дв.).

     Устройство производит вычисление мгновенного значения дифференциального тока для контура каждой фазы по выражению:

Формула 3

     где i1(t) – мгновенные значения тока стороны ввода питания;

           i2(t) – мгновенные значения тока стороны нейтрали;

           k – масштабный коэффициент, позволяющий в случае необходимости производить выравнивание цепей (регулируется в диапазоне 0,50 – 1,50);

           IНОМ – номинальный ток электродвигателя.

     Далее для работы алгоритма дифференциальной защиты устройство производит вычисление действующего значения первой гармонической составляющей из мгновенных значений дифференциальных токов каждого из контуров фаз.

     Тормозные токи вычисляются как арифметическая «полусумма» действующих значений по выражению:

Формула 4

     где I1(t) и I2(t) – действующие значения первой гармонической составляющей токов стороны ввода питания и стороны нейтрали соответственно.

     Чувствительный орган ДЗТч вводится при конфигурировании устройства при помощи программного ключа. Характеристика срабатывания дифференциальной защиты в этом случае приведена на рис.2. Штриховкой показано расширение зоны срабатывания по сравнению с грубым пусковым органом ДЗТ.

 

Рисунок 2

Рисунок 2 – Тормозные характеристики срабатывания грубого и чувствительного пусковых органов дифференциальной защиты

 

     Уставка срабатывания чувствительного органа ДЗТч выбирается меньшей, чем номинальный ток электродвигателя, поэтому наряду с медленнодействующим требуется применение особого быстродействующего алгоритма контроля исправности ЦТ и ТТ. Упрощенная логическая схема работы дифференциальной защиты приведена на рис.3. Ввод в работу чувствительного ПО дифференциальной защиты с торможением осуществляется при помощи программного ключа «ДЗТч». Пусковой орган находится в работе постоянно и управляется быстродействующим алгоритмом контроля ЦТ. При срабатывании ПО ДЗТч устройство выполняет анализ изменения соотношения дифференциальных и тормозных токов и принимает решение: если увеличение дифференциального тока вызвано КЗ, то происходит срабатывание защиты, если же увеличение вызвано неисправностью ЦТ или ТТ, то устройство формирует соответствующий предупредительный сигнал и блокирует работу ДЗТч. Пусковые органы ДЗТ и ДТО отстроены от небаланса при обрыве ЦТ и поэтому не управляются от алгоритма контроля ЦТ.

 

Рисунок 3

Рисунок 3 – Упрощенная логическая схема работы дифференциальной защиты

 

     Как отмечалось выше, принцип работы быстродействующего алгоритма контроля исправности ЦТ основан на анализе изменения соотношения дифференциальных и тормозных токов. На рис.4 схематично представлена тормозная характеристика с нанесенными точками режима обрыва ЦТ (В) и внутреннего короткого замыкания (С). В штатном рабочем режиме двигатель потребляет некоторый ток величиной IШТ.ДВ.. В идеальном случае в данном режиме дифференциальный ток равен нулю, а тормозной – IШТ.ДВ. (точка А на тормозной характеристике). При повреждении цепей тока (обрыв, замыкание жил кабеля на землю или между собой) или при внутреннем КЗ через защиту начинает протекать дифференциальный ток. Однако, при этом траектории движения точек на тормозной характеристике существенно различаются. Несложно заметить, что при обрыве ЦТ точка на тормозной характеристике будет находиться на прямой, проходящей через точки А и В. В этом случае имеет место равенство:

Формула 5 

     где Формула 6 – приращение тормозного тока за один период сети;

            Формула 7 – приращение дифференциального тока.

Рисунок 4

Рисунок 4 – Тормозная характеристика с нанесенными точками режима обрыва ЦТ (В) и внутреннего короткого замыкания (С)

 

     При внутреннем КЗ увеличение дифференциального тока происходит за счет протекания через защиту тока замыкания, при этом несложно заметить, что отношение приращения тормозного тока к приращению дифференциального тока (котангенс угла наклона прямой проходящей через точки А и В к оси абсцисс) будет всегда больше – 0,5. Таким образом, благодаря анализу отношения приращения тормозного тока к приращению дифференциального тока, можно отличать режимы неисправности ЦТ или ТТ и режимы внутренних КЗ. Алгоритм, основанный на данном принципе, имеет высокое быстродействие и способен предотвращать излишнюю работу защиты, выполненной с током срабатывания ниже номинального тока защищаемого объекта. При этом появляется возможность дополнять грубый пусковой орган ДЗТ чувствительным для обеспечения более высокой чувствительности и быстродействия защиты.

     На рисунке 5 приведены результаты испытаний работы алгоритма при некоторых видах повреждения ЦТ. Ia1, Iв1, Iс1 – токи со стороны ввода питания электродвигателя, а Ia2, Iв2, Iс2 – токи со стороны нейтрали. Слева направо: обрыв в трех фазах (ошибочное изъятие испытательного блока в цепях защиты), замыкание на землю фазы B в контрольном кабеле, междуфазное замыкание АВ в цепях тока. Штрихпунктирной линией показан момент, в который произошло срабатывание чувствительных пусковых органов ДЗТ (трасса Сраб. ПО ДЗТч в осциллограмме), но срабатывание защиты (трасса Сраб. ДЗТ) не произошло, так как было успешно заблокировано алгоритмом контроля исправности ЦТ.

 

Рисунок 5

            Рисунок 5 – Результаты испытаний алгоритма контроля ЦТ и ТТ

 

     Внимательный читатель отметит, что данный алгоритм имеет некоторые ограничения к применению – он не способен выявить повреждения в ЦТ и ТТ при пуске (самозапуске) электродвигателя (при неисправных на момент начала пуска ЦТ или ТТ). В этом случае возможно излишнее срабатывание чувствительного пускового органа, поэтому он выводится из работы. Так как в рамках предлагаемой концепции сохраняется принятый в России принцип использования грубого пускового органа, выполненного с отстройкой от обрыва ЦТ в штатном рабочем режиме, поэтому, даже несмотря на блокировку чувствительного органа на момент пуска (самозапуска) электродвигателя с неисправными ЦТ или ТТ, невозможно исключить излишнее срабатывание защиты в данном режиме. В то же время необходимо отметить, что и алгоритмы зарубежных производителей [2] также не лишены данного недостатка. Предлагаемый подход к организации дифференциальной защиты обладает потенциалом для дальнейшего совершенствования, специалисты ООО Механотроника РА работают в данном направлении.

 

Заключение

     В статье рассмотрены наиболее распространенные принципы построения дифференциальных защит электрических машин. Указаны недостатки таких решений и отсутствие типовых решений, направленных на их устранение. Предложен алгоритм, позволяющий увеличить чувствительность защиты и снизить вероятность излишних действий при повреждениях ЦТ и ТТ. При этом не нарушаются устоявшиеся решения в области построения дифференциальных защит электрических машин, они лишь дополняются для повышения функциональности, надежности и быстродействия. Рассмотренный в статье подход к реализации дифференциальной защиты успешно воплощен в жизнь специалистами ООО Механотроника РА в устройстве релейной защиты электродвигателей DRP–105. Терминал наряду с обычной дифференциальной защитой с торможением и медленнодействующий алгоритм контроля исправности ЦТ имеет в своем составе чувствительный пусковой орган ДЗТ, работающий под управлением быстродействующего алгоритма контроля цепей тока.

 

Литература

 1. Правила устройства электроустановок. 7-е издание.

2. СТО 56947007-29.120.70.98-2011. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС». Методические указания по выбору параметров срабатывания устройств РЗА оборудования подстанций производства ООО «АББ Силовые и Автоматизированные Системы».

3. Пирогов М., Михалев С. Проблема излишнего действия дифференциальной защиты при повреждениях в измерительных токовых цепях //Новости ЭлектроТехники. 2012. №2(74).

Обратная связь

ФИО
E-mail
Вопрос