Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты

Подождите немного. Документ загружается.

10. Дифференциальная защита сборных шин

2) Использование функции УРОВ, интегрированной в устройство защиты сбор-

ных шин

В данном случае устройство защиты присоединения передает сигнал отключе-

ния выключателя линии в устройство защиты шин (7SS52), которое обладает

интегрированной функцией УРОВ. Для исключения ложных срабатываний

УРОВ пуск УРОВ также осуществляется по двум критериям (рис. 10-19). Отклю-

чение питающих присоединений системы шин производится дестабилизацией

ДЗШ. Другими словами, обеспечивается срабатывание ДЗШ перефазировкой

тока

поврежденного присоединения (имитация внутреннего КЗ). Указанное яв-

ляется преимуществом, поскольку в данном случае работает алгоритм измере-

ния ДЗШ, являясь дополнительным критерием срабатывания функции УРОВ и

исключая ложные срабатывания функции УРОВ.

Время возврата команд отключения от защиты присоединения в данном случае

не имеет значения. Если выключатель успешно отключится, а команда отклю-

чения

от защиты присоединения не снимется, ложной работы функции УРОВ

производиться не будет, поскольку ток КЗ перестанет протекать и алгоритм ра-

боты ДЗШ не сформирует команды на отключение системы шин. Размагничи-

вающий ток (апериодический), который значителен в ТТ с линеаризованным

сердечником и который может стать причиной ложного срабатывания алгорит-

ма срабатывания

ДЗШ подавляется алгоритмом фильтрации.

Для обеспечения правильного функционирования функции УРОВ в случае про-

текания незначительных токов повреждения в дифференциальной защите при-

меняется более чувствительная характеристика срабатывания, которая вво-

диться после перефазировки тока поврежденного присоединения. Меньшие

порог срабатывания и коэффициент торможения могут быть выбраны для этой

характеристики.

fault

detection

trip

T-BFP

7SS52

Feeder protection

busbar protection

isolator

replica

∆I

protection

Reversal

feeder

current

Trip

CBs

Рис. 10-19: Функция УРОВ в составе устройства защиты 7SS52

10.2 Действие цифрового устройства

защиты сборных шин в условиях

насыщения ТТ и требования к характеристикам ТТ

Алгоритмы функционирования полностью цифрового устройства защиты 7SS52

и частично цифрового устройства защиты 7SS600 абсолютно идентичны. Ток

торможения является выпрямленным максимальным значением суммы ампли-

туд токов I

Res

= |I

|+|I

|, а рабочий ток является невыпрямленной амплитудой

241

10. Дифференциальная защита сборных шин

векторной суммы токов I

= |I

| (рис. 10-20). Для срабатывания мгновенные

значения рабочего тока должны в течение незначительного времени (в устрой-

стве 7SS5 по крайней мере 3 выборки, т.е. в течение 3-4 мс) превысить значе-

ние выпрямленного тока торможения, взятого с некоторым: I

> k·I

Res

operating current during internal faults

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

t in ms

restraint current

IΣkIk

Res

⋅=⋅

IΣI

Рис. 10-20: Измеряемые величины при внутреннем КЗ (без насыщения ТТ)

При разработке алгоритма функционирования защиты рассматривалась и си-

туация с насыщением ТТ, которое может произойти спустя незначительное

время по причине суммирования токов всех питающих присоединений. Принцип

работы алгоритма, использующего дополнительное торможение в случае на-

сыщения ТТ (детектор насыщения) и логика выполняемых измерений были

приведены в разделе 4.2.4.

Далее будет рассмотрено действие

защиты в случае насыщения измеритель-

ных ТТ, а также будут рассмотрены требования предъявляемые к измеритель-

ным ТТ.

В начале будет рассмотрено внешнее КЗ, сопровождающееся насыщением ТТ

(рис. 10-21). Как видно, несмотря на глубокое насыщение ТТ, отключения сис-

темы шин производиться не будет, поскольку ток торможения будет превышать

рабочий ток (разница токов

∆I отрицательна!).

242

10. Дифференциальная защита сборных шин

Рис. 10-21: Стабильность функционирования защиты при насыщении ТТ

01020

0102

01020

1.5

0.5

01020

0.5

Res

=|I1|+|I2|

= |I1+I2|

∆I=I

–k •I

Res

0102

0.5

1.5

01020

0.5

1.5

k·I

Res

=k· (|I1|+|I2|)

Требуемая номинальная кратность ТТ (коэффициент запаса) при симметрич-

ном токе КЗ (апериодическая составляющая отсутствует) зависит от установ-

ленного значения коэффициента торможения и может быть вычислена.

max

Рис. 10-22: Эквивалентная схема замещения ТТ

Для этой цели необходимо проанализировать работу ТТ при насыщении:

Магнитный поток в ТТ пропорционален площади под кривой

наведенной ЭДС

(t) (в зависимости ее от времени):

()

∫

⋅+=⋅= dt(t)

Rdt(t)

e prop. Φ

(10-5)

Максимальное значение магнитного потока, до достижения насыщения,

соответствует максимальной ЭДС, которая возникает при периодической

составляющей напряжения в соответствии с рабочей кратностью ALF‘ (см. раз-

дел 5.1).

()

∫∫

⋅⋅⋅+=⋅⋅=

180

2NBi2Nmax.

dx(x)iALF'RRdx(x)eALF'prop. Φ

(10-6)

243

10. Дифференциальная защита сборных шин

() ()

ALF'RRdxsinxI

ALF'RR prop.Φ

2NBi

180

2NBimax.

⋅⋅⋅+=⋅⋅⋅⋅+=

∫

(10-7)

Если ток КЗ превышает ALF‘⋅I

, тогда доступного изменения магнитного потока

недостаточно и ТТ насыщается.

Насыщение происходит тогда,

когда покрывается площадь под

кривой напряжения (в

зависимости от времени),

соответствующая магнитному

потоку φ

max

(рис. 10-23). При на-

личии периодической состав-

ляющей тока КЗ в 5 раз боль-

шей, чем предельный ток, опре-

деляемый рабочей кратностью

ALF‘, насыщение произойдет

через 54° или 3 мс. Момент x, в

который происходит насыщение,

может быть определен через ток

КЗ согласно следующему соотношению:

180

Рис. 10-23: Момент насыщения в зависи-

мости от амплитуды тока

∫∫

⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅

180

dxxsin

'ALFdxxsink2

∫

⋅

⋅=

dxxsin

'ALF

Допустимый коэффициент перегрузки ТТ (OBF), в зависимости от времени ра-

боты без насыщения, равен:

∫

⋅

dxxsin

' ALF

I/I

OBF

(10-8)

Указанное выражение теперь может быть использовано для определения зна-

чения коэффициента торможения, в зависимости от номинальной предельной

кратности ТТ.

Условия стабильности работы могут быть получены из рис. 10-24:

sinxor xsinI2kI i.e. ,IkI

FFResOp

⋅

>⋅⋅⋅<⋅<

(10-9)

Выражение (10-8) теперь может быть объединено с выражением (10-9) для по-

лучения следующего соотношения:

1OBF4

OBF

−⋅

или

TFTF

KK4

−⋅

(10-10)

В этом случае коэффициент запаса равен: K

= 1/OBF (см. раздел 5.7).

244

10. Дифференциальная защита сборных шин

010

1.0

= |I1+I2|

RES

= |I1|+|I2|

01020

0.5

1.0

1.5

sin xI2

⋅⋅

0.5

1.5

010

1.0

= |I1+I2|

RES

= |I1|+|I2|

01020

0.5

1.0

1.5

sin xI2

⋅⋅

0.5

1.5

Рис. 10-24: Тормозной и рабочий токи (устройства 7SS52 и 7SS600)

Обратное также справедливо. Тем самым, при известном коэффициенте тор-

можения может быть вычислен допустимый коэффициент перегрузки ТТ OBF

или требуемый коэффициент запаса K

. Может быть получено следующее вы-

ражение исходя из выражения (10-10):

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−−⋅>

(10-11)

Наименьшему возможному значению k= 0.5 соответствует K

> 0.5.

При стандартном значении коэффициента торможения равном 0.65 коэффици-

ент запаса равен K

> 0.2.

Примечание:

Данное условие (выражение 10-11) справедливо при обеспече-

нии стабильности при КЗ без апериодической составляющей

(при наличии лишь периодической составляющей тока КЗ). Для

КЗ, содержащих апериодическую составляющую, накладывает-

ся дополнительное ограничение, согласно которому требуется

обеспечение некоторого минимального времени трансформа-

ции тока ТТ без насыщения с момента возникновения КЗ (3 мс

для устройства 7SS52 и 4 мс для устройства 7SS600), см. да-

лее. Указанное соответствует коэффициенту запаса равному

0.5 для устройства 7SS52 и 0.75 для устройства 7SS600. При

стандартном значении коэффициента торможения k≥ 0.5 крите-

рий трансформации тока без насыщения учитывается при опре-

делении номинальной предельной кратности ТТ (см. таблицу 5-

3 раздела 7.7).

Внутреннее КЗ

Для принятия решения о выполнении отключения при внутренних КЗ рабочий

ток должен превышать тормозной ток. При использовании ТТ с плохими харак-

теристиками для принятие решения о срабатывания с момента возникновения

КЗ доступен незначительный промежуток времени. Тем самым, защита должна

быть способна принять решения за это незначительное время для исключения

245

10. Дифференциальная защита сборных шин

необходимости повышения требований к измерительным ТТ. Цифровые уст-

ройства защиты могут принимать решение о срабатывании за 3 мс (устройство

7SS52) или за 4 мс (устройство 7SD600) благодаря тому, что реализован алго-

ритм измерения и обработки мгновенных значений. Тем самым, допустимо глу-

бокое насыщение ТТ при внутренних КЗ

. Времена срабатывания составляют

менее одного периода (минимум 13 мс). На рис. 10-25 представлены сигналы

токов для описанного случая.

Рис. 10-25: Срабатывание защиты при внутреннем КЗ при насыщении ТТ

01020

0.5

)

01020

0.5

)

01020

010

= |I1+I2|

∆I=I

–k •I

Res

=|I1|+|I2|

010

0.5

1.5

Tripping!

k·I

Res

=k· (|I1|+|I2|)

Внешние КЗ, включающие апериодическую составляющую

Если момент возникновения КЗ близко к моменту прохождения напряжения че-

рез нулевой значение (данный тип повреждения обычно обуславливается уда-

ром молнии) имеют место токи КЗ с апериодической составляющей.

В результате наличия апериодической составляющей тока КЗ ТТ сильно намаг-

ничиваются в одном направлении и может иметь место глубокое их насыщение,

частности, при возникновении внешних КЗ, когда сумма токов присоединений

(n-1) протекает через одно присоединение к месту повреждения. В этом случае

работает встроенный детектор насыщения устройства защиты. Он идентифи-

цирует возникшее КЗ, как внешнее и осуществляет ввод режим измерения 2-из-

2. Данный алгоритм был рассмотрен в разделе 4.2.4. Из-за наличия апериоди-

ческой составляющей

насыщение оказывает влияние на воспроизведение тока

повреждения каждую вторую полуволну, поэтому защита продолжает функцио-

нировать стабильно (рис. 10-26).

На этой диаграмме видно, что рабочий ток резко возрастает выше тока тормо-

жения, взятого с некоторым коэффициентом, k⋅I

Res

в первой полуволне. Отклю-

чения однако не происходит, поскольку детектор насыщения уже осуществил

246

10. Дифференциальная защита сборных шин

переключение на схему измерения 2-из-2. В этом случае рабочий ток остается

меньше тока торможения, поскольку постоянная времени системы не такая

большая (40 мс). При больших постоянных времени рабочий ток может превы-

шать ток торможения в течение большего времени, однако только каждую по-

луволну другой

полярности.

0204060

020406

0204060

Res

= |I1|+|I2|

= |I1+I2|

∆I= I

–k •I

Res

020406

k·I

Res

= k · (|I1|+|I2|)

Рис. 10-26: Стабильность функционирования при внешнем КЗ при несим-

метричном насыщении ТТ

В разделе 5.7 было утверждено, что время трансформации тока без насыщения

с момента возникновения КЗ зависит от номинальной предельной кратности ТТ.

Диаграмма (рис. 10-27), представленная ниже, определяет коэффициент

запаса K

в зависимости от постоянной времени системы (постоянной времени

апериодической составляющей тока КЗ) T

. Она применима для незначитель-

ных допустимых времен трансформации тока без насыщения, которые допус-

кают цифровые устройства защиты (4 мс при использовании устройства

7SS600, 3 мс при использовании устройства 7SS5).

247

10. Дифференциальная защита сборных шин

248

0 10203040506070809010

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

012345678910

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

5 ms

4 ms

3 ms

5 ms

4 ms

3 ms

Рис. 10-27: Коэффициент запаса K

(для незначительных времен транс-

формации тока без насыщения) в зависимости от постоянной времени

системы

Увеличение значения коэффициента запаса K

при постоянных времени сис-

темы менее 5 мс представляет собой только теоретический интерес. На прак-

тике постоянные времени превышают указанное значение, поэтому в общем

случае могут быть приняты равными следующие значения коэффициента запа-

са в независимости от значения постоянной времени системы:

≥ 0.45 при использовании устройства 7SS5 и K

≥ 0.75 при использовании

устройства 7SS600. Для определения данных значений был рассмотрен наибо-

лее неблагоприятный случай возникновения КЗ.

При незначительных требуемых временах трансформации тока без насыщения

самым неблагоприятным случаем является возникновение КЗ в момент прохо-

ждения кривой напряжения через нулевое значение, поскольку периодическая

составляющая тока КЗ в этот момент времени имеет очень крутой

уклон из-за

характерного вида синусоидальной волны. Хотя при КЗ, возникающих близко к

моменту прохождения напряжения через нулевое значение, характерно более

медленное увеличение тока (согласно e

-t/TN

- cosωt), при наличии апериодиче-

ской составляющей со значительной постоянной времени будет иметь место

более худшая ситуация, поскольку длительность существования повреждения

увеличивается.

Внутренние КЗ, включающие апериодическую составляющую

Влияние насыщения ТТ на работу защиты при возникновении внутреннего КЗ

не настолько критично, как в случае возникновения внешнего КЗ с надложением

насыщения ТТ, поскольку через ТТ системы защиты протекают лишь токи

питающих присоединений (для ТТ каждого питающего присоединения лишь ток

подпитки места КЗ этого присоединения).

10. Дифференциальная защита сборных шин

249

0204060

1.75

0.5

0.75

k · I

Res

= k • (|I1|+|I2|)

= |I1+I2|

∆I=I

–k •I

Res

= |I1|+|I2|

Tripping!

Рис. 10-28: Срабат. защиты при внутреннем КЗ и несимм. насыщении ТТ

Однако при использовании ТТ, обладающих меньшей номинальной предельной

кратностью, насыщение может происходить и в данных условиях.

В связи с тем, что характерны малые времена измерения, указанное не пред-

ставляет каких-либо трудностей для цифрового устройства защиты. Защита

принимает решения за время трансформации тока

без насыщения с момента

возникновения КЗ, как это уже и было описано при рассмотрении наличия толь-

ко периодической составляющей тока КЗ (рис. 10-28).

Пример 10-3: Выбор ТТ для дифференциальной защиты шин

Исходные данные:

Подстанция с данными согласно рис. 10-29:

10. Дифференциальная защита сборных шин

110kV

SCC‘‘= 4 GVA

10 kV

10 MVA

Xd‘‘= 15%

= 100 ms

110/10 kV

25 MVA

= 14%

= 60 ms

5MW

300/1

150/1

1500/1

600/1

2MW

5MW

= 6·IN

Xd‘‘= 0,17%

= 35 ms

Рис. 10-29: Данные подстанции для примера 10-3

Задача:

Выполнить выбор ТТ присоединения 1 (150/1 A)

Решение:

Первоначально необходимо выполнить вычисление токов КЗ.

Здесь необходимо отметить, что двигатели также подпитывают ме-

сто КЗ (см. раздел 7.2). Будут учтена только подпитка от двигателей

ВН.

Токи КЗ:

kA 7.3

17.0

5771.1

kA 2.4

15.0

5771.1

kA 3.11

14.0

14401.1

A 577

31010

105

A 577

31010

1010

A 1440

31010

1025

HV-N-M

G-N

⋅

⋅⋅

⋅

⋅=

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

∑

−

Полный ток повреждения на выводах трансформатора составляет:

kA 2.197.32.43.13ΣIIIΣI

MFGFTFF

++=

−−−

Соответствующая эквивалентная постоянная времени составляет:

3.74.211.3

353.71004.26011.3

ΣIII

TΣITITI

MFGFTF

MMFGGFTTF

equiv.

⋅+⋅+⋅

⋅

+⋅

−−−

Планируется установка ТТ типа 5P?, 30 ВА, внутренняя нагрузка

Pi=15% (4.5 ВА):

Нагрузка на ТТ приблизительно составляет 1 ВА.

250