Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты

Подождите немного. Документ загружается.

6. Системы обмена данными

6.3 Цифровые сети обмена данными

В настоящее время большинство объектов имеет в своем распоряжении циф-

ровые сети обмена данными. Данные сети также могут быть использованы для

целей защиты в режиме временного разделения сигналов (режим TDM

) [6-21].

Удаленное управление устройствами защиты обычно осуществляется через

частную телефонную сеть ISDN при использовании подходящих модемов [6-

16]. В этом случае асинхронная передача данных согласно МЭК 870-5-103

обеспечивает высокую надежность. Однако времена передачи достаточно ве-

лики, поскольку соединение реализуется на малых скоростях (19.2 кбод), а си-

туации с возникновением ошибок в телеграммах устраняются их

повторной пе-

редачей.

Для схем защиты с передачей разрешающих сигналов и дифференциальной

защиты процесс обмен данными между двумя станциями особенно важен и к

нему предъявляются высокие требования. Реализация соединения (n x 64

кбит/с, синхронная передача данных) с поддержкой интерфейсов X.21 или

G.703 является оптимальным решением. Виртуальные соединения типа «точка-

точка», реализуемые по интерфейсу X.21, могут

быть также использованы в

сетях с технологией ISDN. В этом случае дифференциальная защита должна

идентифицировать время передачи сигнала, чтобы иметь возможность автома-

тически осуществлять его компенсацию при переключении канала.

Необходимо учитывать следующие задержки передачи:

ВОЛС: 5 мкс/км

Радиорелейные линии связи: 3.3 мкс/км

Мультиплексирование 64 кбит/s на

n Мбит/с:

500 - 1000 мкс

Для передачи

сигнала через некоторое число линий связи (подсвязей) в сети

общее время передачи может достигнуть 5 мс.

Кроме того, вероятность искажения бита, равная 10

-12

, характерна только для

ВОЛС. Реализация обмена данными по цифровой сети может привести к поте-

ре синхронизма. Тем самым, демультиплексор будет формировать неопреде-

ленные сигналы в течение незначительного времени (нескольких мс), от мо-

мента обнаружения ошибки до вывода сигнала о неисправности (как последо-

вательности единиц). В этом случае устройство должно учесть

этот момент.

Особые требования, предъявляемые к цифровым сетям обмена данными диф-

ференциальной защитой:

Синхронизация выборок измеряемых величин (комплексных амплитуд) осуще-

ствляется через канал передачи данных (обратитесь к разделу 4.2.3) при ис-

пользовании современных устройств защиты.

Задержки передачи непрерывно контролируются и автоматически компенсиру-

ются защитой.

При использовании данной методики предполагается, что время передачи те-

леграммы в обоих направлениях одинаково. В случае возникновения отклоне-

ний в

результате переключения с одного канала на другой характерно возник-

новение угловой ошибки при выполнении сравнения векторов тока. Указанная

ошибка может быть вычислена исходя из задержек передачи данных следую-

щим образом:

Режим временного мультиплексирования (временное разделение сигналов).

131

6. Системы обмена данными

[]

Hz50ffor

1ms

∆

returnforward

=⋅

−

=ϕ

(6-5)

Разница токов ∆I=2·I

·sin (∆φ/2) соответствует данной угловой ошибке, тем са-

мым, I

- ток, протекающий в присоединении. В случае, если разница времен

передачи составляет 1 мс, характерна разница токов 16% I

и отношение ∆I / ΣI

в 8%. Указанная разница не должна превышать установленное значение рав-

ное 25%.

Датские энергетические системы сформировали следующие требования для

сети передачи данных в 1995 [6-22]:

• Время передачи сигнала < 6 мс

• Разница времен передачи (в прямом и обратном напр-ях): <1 мс

• Вероятность искажения бита (BER) <10

-5

Если данные требования не могут быть удовлетворены оператором сети, тогда

необходимо применение GPS-синхронизации [6-23]. В этом случае обмен дан-

ными будет производиться с метками времени (точностью до микросекунд), по-

этому различные времена передачи и их изменения более не будут иметь зна-

чения. Современные устройства дифференциальной защиты позволяют реали-

зовывать такие системы (

обратитесь к разделу 9.3).

В отчетах японских инженеров [6-24] определена максимальная погрешность

равная 4% I

. Это соответствует максимальной разнице времен передачи в

обоих направлениях равной от 200 до 240 мкс. Указанное не может быть дос-

тигнуто операторами сетей. Таким образом, для достижения точности синхро-

низации в несколько мс было реализовано прямое соединение с использова-

нием битстаффинга.

132

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

Электрические генераторы/двигатели являются сложными элементами систе-

мы, для которых необходимо обеспечить защиту от нескольких видов повреж-

дений (замыканий на землю в статоре и КЗ, несимметричной нагрузки, замыка-

ний на землю в цепи ротора и т.д.).

При использовании устройств защиты на традиционной элементной базе для

защиты от каждого вида

КЗ требуется установка отдельного устройства. Таким

образом, зачастую комплекс устройств защиты мощных генерато-

ров/двигателей может включать в себя от 10 до 20 устройств в зависимости от

размера станции и требований к обеспечению резервирования [7-1 и 7-2]. При

использовании современных цифровых устройств защиты эти функции защиты

совмещены в одном устройстве, поэтому комплекс защит

генератора/двигателя

при обеспечении условий резервирования может включать лишь два устройст-

ва защиты (рис. 7-1).

HV-Grid

Station service

Measuring

Control

GP1

GP2

Measuring

87T

59N

Legend:

24 (U/f) Overfluxing

27 Under-impedance

32R Reverse power

40 Loss of field

46 Unbalanced load

49 Thermal overload

87G

59N

32R

64G

64R

32R

87T

50/51 Time overcurrent

50BF Breaker failure

59 Overvoltage

59N Stator earth fault (80%)

63 Buchholz (gas pressure

64G Stator earth fault (100%)

64R Rotor earth fault

78 Pole slip

81 Under-frequency

87G Generator differential

87T Transformer differential

Рис. 7-1: Применение цифровых устройств защиты генератора / двигателя

133

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

На генераторах/двигателях мощностью более 1 МВА дифференциальная защи-

та иногда применяется для обеспечения быстрой ликвидации двухфазных и

трехфазных КЗ. При мощностях данных элементов, превышающих 5 МВА,

дифференциальная защита применяется всегда. На генераторах/двигателях с

заземлением нейтрали через низкоомное сопротивление или с непосредствен-

ным их подключением

к заземленной системе также в некоторой степени обес-

печивается защита от однофазных замыканий на землю. На генерато-

рах/двигателях с заземлением нейтрали через высокоомное сопротивление

должна быть предусмотрена отдельная защита от замыканий на землю [7-3].

7.1 Дифференциальная защита генератора

На генераторах КЗ в обмотках в основном возникают на вылете

статорной об-

мотки, где фазы пересекаются. Ток КЗ от генератора в первый момент времени

(сверхпереходной) приблизительно в 3 – 10 раз превышает номинальный ток

генератора в зависимости от значения сверхпереходного реактивного сопро-

тивления. Также, для получения полного тока КЗ, к нему необходимо прибавить

ток КЗ от системы, значение которого имеет приблизительно тот же

порядок.

Для предотвращения серьезных повреждений требуется обеспечивать ликви-

дацию КЗ без выдержки времени. Дифференциальная защита идеально подхо-

дит для удовлетворения такого требования.

Обнаружение витковых КЗ дифференциальной защитой невозможно. Циркули-

рующие токи в замкнутых витках велики; однако, стоит отметить, что токи, вте-

кающие и вытекающие из защищаемой зоны, значительным образом не

изме-

няются и не отличаются друг от друга.

Для обнаружения замыканий на землю необходимо различать два вида вклю-

чения генератора: непосредственное подключение к шинам (включение на ши-

ны) и подключение через силовой трансформатор (блочное включение). Ука-

занные виды подключения представлены на рис. 7-2.

134

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

При

блочном включении нейтраль генератора обычно заземляется через высо-

коомное сопротивление, таким образом, при возникновении замыкания на зем-

лю в генераторе характерно протекание незначительных токов. Главной целью

здесь является сохранение тока замыкания на землю ниже 15 А для исключе-

ния плавления ста-

ли и, соответствен-

но, дальнейшего

серьезного повреж-

дения статора.

Дифференциальная

защита не

реагиру-

ет на данный не-

значительный ток.

Для этой цели не-

обходимо установка

чувствительной за-

щиты статора от

замыканий на зем-

лю.

В случае непосред-

ственного подклю-

чения к сборным

шинам величина

тока замыкания на

землю зависит от

режима заземления

нейтрали. В случае

заземления нейтра-

ли через высокоом-

ное сопротивление

(

изолированная и резонансно-заземленная нейтраль), которое, в частности,

принято в Германии, будет характерно протекание незначительных токов, по-

этому здесь необходимо применение специальной защиты от замыканий на

землю. В небольших системах возможно возникновение необходимости увели-

чения тока замыкания на землю при использовании заземляющего трансфор-

матора с активным сопротивлением нагрузки до значения 5-10 А

для обеспече-

ния возможности обнаружения повреждения защитой.

earthing-

transformer

Direct bus connection

Unit connection

Рис. 7.2: Схемы подключения генератора

Срабатывание дифференциальной защиты будет происходит только при воз-

никновении двойного замыкания: одного – в генераторе, другого – в сети.

При низкоомном заземлении нейтрали генератора или подключенной сети токи,

протекающие при возникновении однофазного замыкания на землю, значи-

тельны и могут быть обнаружены дифференциальной защитой. Указанный ре-

жим заземления нейтрали характерен для англо-саксонских стран. Амплитуда

тока ограничивается посредством активного сопротивления в цепи соединения

нейтрали с землей, поэтому в случае возникновения повреждения на выводах

генератора, будет характерно протекание тока в диапазоне от 200 А до значе-

ния тока, в 1.5 раза превышающего номинальный ток генератора, в зависимо-

сти от используемого

способа заземления нейтрали. Если замыкание на землю

возникло не на выводах, но в обмотке между выводами и нейтральной точкой,

ток повреждения значительным образом уменьшается:

135

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

[]

neutral winding thefromfault earth of distance

100

I =⋅= l

В случае возникновения замыкания на землю на расстоянии 20% от нейтраль-

ной точки ток замыкания на землю будет составлять всего лишь 20% от тока,

который бы протекал при возникновении повреждения на вводах генератора.

Если ток замыкания на землю ограничивается до номинального тока генерато-

ра, тогда в этом случае будет иметь место ток

составляющий 20% от I

ном

. Ука-

занное означает, что дифференциальная защита с уставкой равной 20% I

ном

будет обеспечивать защиту 80% обмотки от выводов генератора до нейтраль-

ной точки. На более мощных генераторах ток замыкания на землю должен быть

ограничен в большей степени (по сравнению с номинальным током генерато-

ра). Таким образом, обычная дифференциальная защита оказывается недоста-

точно чувствительной при замыканиях на землю. В таких случаях необходимо

предусмотреть

установку дополнительной дифференциальной защиты от за-

мыканий на землю. Для данной защиты может быть выбрано меньшее значение

уставки, если выполнен выбор ТТ, обладающих одинаковыми характеристика-

ми, или же если используются специальные ТТ.

Пофазная дифференциальная защита

На генераторах большей мощности применение данной защиты является стан-

дартным решением. Необходимым условием для ее использования является

то, что трехфазные проводники со стороны нейтрали разделены.

Группы ТТ на выводах и на стороне нейтрали почти всегда обладают одинако-

выми коэффициентами трансформации, поэтому их выравнивание производить

не требуется (т.е. не требуется

реализовывать цифровое выравнивание или

установку промежуточных ТТ).

В общем, применяется дифференциальная защита с торможением. В некото-

рых странах может быть также использована высокоомная дифференциальная

защита.

Дифференциальная защита с торможением

Схема представлена на рис. 7-3.

136

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

R R

1234

Res

Connection circuit

Operating characteristic

Рис.7-3:

фф

ен

иальная за

ита гене

ато

Элементы на представленном рисунке с обозначением R определяют точки, в

которых измеряется ток торможения (ранее упоминалось как тормозная обмот-

ка), а элементы с обозначением Op определяют точки, в которых производится

измерение рабочего (дифференциального) тока (ранее упоминалось как рабо-

чая обмотка). При реализации защиты на традиционной

элементной базе вы-

полнялось гальваническое соединение цепей измерительных ТТ со стороны

выводов и нейтрали. Тем самым, только нейтраль ТТ со стороны выводов мог-

ла быть заземлена для предотвращения многократного заземления и парал-

лельных контуров через землю. При использовании цифровых устройств защи-

ты нейтрали ТТ обеих сторон должны быть заземлены – таким образом

между

двумя сторонами не существует гальванического соединения.

Характеристика срабатывания дифференциальной защиты может быть пред-

ставлять собой горизонтальную линию при малых токах приблизительно до ве-

личины номинального тока (например, может иметь всего лишь 5% наклон),

поскольку ТТ будут иметь одну и ту же конструкцию, а дополнительные погреш-

ности, обусловленные наличием промежуточных ТТ

будут отсутствовать. Таким

образом во всем нагрузочном диапазоне обеспечивается высокая чувствитель-

ность при уставке 10- 20 % I

ном

Одним из преимуществ дифференциальной защиты с торможением (низкоом-

ной дифференциальной защиты) является то, что другие устройства защиты

могут быть подключены последовательной с ней. Указанное являлось важным

обстоятельством при использовании устройств защиты, построенных на тради-

ционной элементной базе. При использовании цифровые устройств защиты

функция дифференциальной защиты является одной из числа многих

предос-

тавляемых функций (цифровое устройство защиты 7UM62).

При выборе номинальной предельной кратности ТТ необходимо учесть, что

постоянная времени затухания апериодической составляющей для генераторов

значительная.

137

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

Таблица 7-1: Стандартные данные генератора блочного включения

Номинальная мощность, МВА 10 - 500 МВА

Сверхпереходное реактивное сопротивление X

‘‘ 10 - 25 %

Постоянная времени затухания генератора (T

) 70 – 600 мс

Напряжение короткого замыкания 10 - 20%

Постоянная времени затухания блока Г – Т (T

) 50 - 300 мс

Если ТТ должен обладать такими характеристиками, что его насыщение не

должно иметь место при КЗ на выводах генератора (системное повреждение

при непосредственном подключении генератора к сборным шинам или КЗ на

стороне НН трансформатора блока), тогда должен быть принят достаточно

значительный коэффициент запаса, учитывающий апериодическую состав-

ляющую.

При блочном включении и

отсутствии генераторного выключателя могут быть

выбраны ТТ с худшими характеристиками при учете требования сохранения

дифференциальной защитой устойчивости функционирования в случае возник-

новения КЗ в подключенной сети. В этом случае необходимо учитывать посто-

янную времени затухания апериодической составляющей блока (последова-

тельного включения генератора и трансформатора).

Даже в этом случае будут характерны значительные

коэффициенты запасы и,

соответственно, для обеспечения трансформации тока без насыщения в тече-

ние неопределенного времени и, соответственно, будет характерная значи-

тельная требуемая предельная кратность.

Снизить требования к характеристиками ТТ представляется возможным тогда,

когда время трансформации тока без насыщения ТТ после момента возникно-

вения повреждения ограничено (например, составляет 150 мс).

Умеренная стоимость

ТТ может быть обеспечена тогда, когда допускается не-

которая степень насыщения ТТ. При одинаковой нагрузке на ТТ двух сторон

может быть обеспечена стабильность функционирования защиты при насыще-

нии ТТ, но выполнение указанного не может быть гарантировано исключены

неселективные отключения, поскольку дифференциальные токи, обусловлен-

ные различием характеристик намагничивания, не могут быть полностью

ис-

ключены.

Используемый в цифровых устройствах защиты детектор насыщения обеспе-

чивает абсолютно надежное торможение. Токи КЗ от генераторов относительно

незначительные, время затухания апериодической составляющей достаточно

велико. Таким образом, магнитная индукция в ТТ возрастает достаточно мед-

ленно, и он насыщается только через некоторое время (зачастую только через

несколько периодов). Тем самым,

детектор насыщения может достаточно на-

дежно зафиксировать возникновение внешнего КЗ и обеспечить время блоки-

ровки срабатывания защиты (обратитесь к разделу 4.2.4).

Время блокировки должно, по крайней мере, покрывать время отключения

внешнего КЗ и, тем самым, должно быть равно приблизительно 150 мс, если

все близкие КЗ отключаются без выдержки времени. При учете действия ре

зервной защиты для ликвидации КЗ (действие с выдержкой времени) значение

времени блокировки должно быть выбрано приблизительно равным 500 мс.

Использование детектора насыщения в цифровых устройствах защиты позво-

ляет предъявлять меньшие требования к характеристикам ТТ. К примеру, для

устройства защиты 7UM62 коэффициент запаса должен быть выбран равным

лишь не менее 1.2.

138

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

Пример 7-1: Выбор ТТ для дифференциальной защиты генератора

Исходные

данные:

Блок генератор-трансформатор, без генераторного выключателя

Генератор 100 МВА, 6 кВ

- Сверхпереходное реактивное сопротивление КЗ: X

‘‘ = 10%,

- Активное сопротивление (определение постоянной времени

затухания апериодической сост.) R

= 0.13 % (T

= 318 мс)

Силовой трансформатор блока 6/230 кВ, 120 МВА

- Напряжение КЗ: u

X-T

= 15%

- Омическое напряжение КЗ: u

R-T

= 0,3 % (T

= 159 мс)

Вторичная нагрузка ТТ (защита + контрольный кабель): R

< 1 ВА

Задача:

Определить номинальную предельную кратность ТТ, при которой

обеспечивается устойчивость функционирования защиты генера-

тора при возникновении внешних КЗ. Предполагается, что близ-

кие КЗ в системе ликвидируются в течение 150 мс.

Решение: Коэффициент трансформации ТТ определяется исходя из номи-

нального тока генератора

A 9623

3kV 6

kVA 100,000

I =

⋅

Выбран коэффициент трансформации ТТ: 10,000/1 A

В первую очередь, необходимо проверить обеспечивается ли ус-

тойчивость функционирования защиты при близких к генератору

КЗ:

Максимальный ток КЗ (КЗ на выводах генератора) равен:

[]

CT-N

I10.69623A

100

1.1

G-N

%''

100

1.1''

G-F

I ⋅=⋅⋅=⋅⋅=

Коэффициент запаса, учитывающий наличие апериодической со-

ставляющей, для обеспечения трансформации тока без насыще-

ния в течение неопределенного времени должен равен:

100318.03141

Tω1'

⋅

=⋅+

Требуемая предельная кратность, которая может быть вычислена

при учете данного коэффициента запаса, равна:

106010010.6'

CTN

ALF' =⋅=⋅

−

Выбирается ТТ класса TPX с номинальной мощностью P

ном

= 30

ВА. Собственная нагрузка ТТ P

, согласно данным производителя,

полагается равной 20% (6 ВА).

Тогда номинальная предельная кратность ТТ должна быть равна:

2061060

630

ALF'

ALF =⋅

=⋅

139

7. Дифференциальная защита генератора / двигателя

ТТ номинальной мощностью 30 ВА и с номинальной предельной

кратностью ALF>206 обладает очень большими габаритными

размерами. Таким образом, осуществляется выбор ТТ исходя из

требуемого времени трансформации тока без насыщения, кото-

рое равно 150 мс:

318

150

e-1318.03141)

e(1

Tω1'*

K =

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅⋅+=

−

−⋅+=

80413

630

ALF* and 4133910.6ALF'* =⋅

==⋅=

Соответствующий ТТ мощностью 30 ВА и с номинальной пре-

дельной кратностью 80 также оказывается достаточно большим

по габаритам.

Выполняется еще одна проверка: какую номинальную предель-

ную кратность ТТ требуется обеспечить, чтобы обеспечивалась

устойчивость функционирования защиты только при КЗ в системе

на стороне ВН. При этом принимается, что допускается неселек-

тивное отключение при

возникновении КЗ на стороне НН силового

трансформатора блока (блок, так или иначе, должен быть отклю-

чен, однако в этом случае отключение неселективное и задача

определения причины отключения и причины возникновения по-

следнего оказывается достаточно сложной).

Постоянная времени затухания апериодической составляющей

для блока вычисляется следующим образом:

Сопротивления генератора:

[]

mΩ 3600.360Ω

100

MVA

Z ===

−

mΩ 0.47360mΩ

100

0,13%

R und mΩ 36360m

100

10%

X =⋅==Ω⋅=

Сопротивления силового трансформатора:

[]

mΩ 3000.300Ω

120

MVA

Z ===

−

mΩ 0.9300

100

0.3%

R und mΩ 45300

100

15%

=⋅==⋅=

Постоянная времени затухания апериодической составляющей

блок (последовательного соединения генератора и силового

трансформатора) вычисляется следующим образом:

ms 188

0.90.47

4536

314

X''X

⋅=

Ток КЗ при близких КЗ на стороне ВН силового трансформатора

блока равен:

140