СПОСОБ РАЗГРАНИЧЕНИЯ БРОСКА ТОКА НАМАГНИЧИВАНИЯ И ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02H3/28 H02H7/45 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите электроэнергетических систем, и может быть использовано для выполнения дифференциальных защит трансформаторов.

Короткие замыкания в защищаемом электрооборудовании сопровождаются переходными процессами. Переходный процесс протекает в трансформаторе и в аномальном режиме броске тока намагничивания, возникающем при включении трансформатора на холостой ход, либо при восстановлении напряжения после отключения внешнего короткого замыкания. В связи с этим необходимо принимать специальные меры для отстройки дифференциальных защит трансформаторов от броска тока намагничивания.

Известен способ разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания трансформатора с помощью вспомогательного насыщающегося трансформатора тока [1] Способ основан на выявлении апериодической составляющей броска тока намагничивания и блокировки действия дифференциальной защиты на время ее затухания. Однако он не обеспечивает необходимых чувствительности и быстродействия.

Известен времяимпульсный способ разграничения режимов броска тока намагничивания и короткого замыкания [2] Способ осуществляют путем установления различий в формах токов этих режимов, в частности на наличии в броске тока намагничивания токовых пауз, обусловленных насыщением трансформатора. Согласно этому способу сравнивают длительность паузы дифференциального тока на заданном уровне замера с задним временем (уставки из расчета на наихудший случай) в сочетании с блокировкой по второй гармонике тока. В случае превышения длительности токовой паузы заданной уставки идентифицируют бросок намагничивающего тока и блокируют срабатывание защиты. Время срабатывания защиты, выполненной по этом способу, в неблагоприятных условиях превышает два периода промышленной частоты [3]
Наиболее близким к предлагаемому способу разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания трансформатора является способ, при котором измеряют токи трансформатора, формируют дифференциальный ток, выделяют из измеряемых и дифференциального токов с помощью адаптивного фильтра Калмана информационные составляющие токов, а именно, составляющие второй гармоники промышленной частоты, которые используются для формирования управляющего сигнала, блокирующего защиту от броска тока намагничивания [4]
При превышении уровня управляющего сигнала блокировки заданной уставки констатируют бросок намагничивающего тока трансформатора. Адаптивный фильтр Калмана используют с целью повышения точности измерений информационных параметров при отклонении частоты сети от номинальной. Быстродействие этого способа ограничено периодом промышленной частоты, так как вторая гармоника как составная часть спектра формируется лишь с появлением несимметрии положительных и отрицательных полуволн, конкретно начиная с токовой паузы, следующей за первой полуволной.

Цель изобретения повышение быстродействия разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания в силовом трансформаторе.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания трансформатора путем измерения его токов, формирования из них дифференциального тока, выделения информационных составляющих токов с помощью их обработки адаптивными фильтрами, каждый раз настраивают адаптивные фильтры на подавление соответствующего тока, выделяют нечетные гармоники и свободную составляющую каждого тока, определяют уровень нечетных гармоник и уровень свободной составляющей измеряемых токов и производят пять сравнений, полученных в итоге уровней с уставками и между собой: при первом уровень нечетных гармоник дифференциального тока с первой уставкой, при втором уровень свободной составляющей дифференциального тока со второй уставкой, при третьем уровень нечетных гармоник с уровнем свободной составляющей дифференциального тока, при четвертом уровень нечетных гармоник дифференциального тока с максимальным уровнем нечетных гармоник измеряемых токов, при пятом уровень свободной составляющей дифференциального тока с максимальным уровнем свободной составляющей измеряемых токов и, если при одновременном первом, третьем и четвертом сравнениях первые сравниваемые величины больше вторых сравниваемых величин, констатируют бросок тока намагничивания, если же первая сравниваемая величина меньше второй при третьем сравнении, а при втором и пятом сравнениях первая сравниваемая величина больше второй констатируют короткое замыкание в трансформаторе.

Сущность предлагаемого способа разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания заключается в использовании для анализа состава измеряемых и дифференциального токов первой же полуволны тока, когда еще не происходит потери информации, связанной с насыщением измерительного трансформатора тока. Способ основан на таких качественных различиях составов броска тока намагничивания и тока короткого замыкания, которые обусловлены отличием соответствующих физических процессов. Для обнаружения этих отличий используются особые качества нерекурсивных адаптивных фильтров, выражающиеся в способности распознавать за фиксированное и вполне определенное время состав переходного процесса [5] Принцип разграничения режимов основан на высоком содержании в первом же полупериоде сигнала броска тока намагничивания нечетных гармоник.

На фиг. 1 дана функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 схема адаптивного фильтра; на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5
соответственно вебер-амперная характеристика силового трансформатора, форма первой полуволны броска тока намагничивания и схема замещения короткого замыкания в трансформаторе; фиг. 6 и фиг. 7 осциллограммы и результаты анализов состава реальных режимов броска тока намагничивания и тока короткого замыкания, подтверждающие теоретические положения и тока короткого замыкания, подтверждающие теоретические положения способа.

На фиг. 1 изображены электрическая система 1, силовой трансформатор 2, по концам которого установлены измерительные трансформаторы тока 3 и 4, сумматор 5, адаптивные фильтры 6-8, селекторы 9-10, сравнивающие элементы 11-15, инвертор 16, элементы И 17-18; на фиг. 2 элементы задержки 19-21, умножители 22-24, сумматор 25, задающий блок 26, генераторы периодического сигнала 27-28, амплитудно-фазовый корректор 29, формирователь уровня периодического сигнала 30, вычитатель 31 и амплитудный детектор 32.

Способ разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания трансформатора реализуется последовательностью операций, иллюстрируемой схемой фиг. 1. Все операции совершаются в дискретном времени l = ent (t/τ) где t непрерывное время, τ 1/f_д интервал, а f_д - частота дискретизации. В общем случае в составе токов присутствуют периодические установившиеся i_y(l) и свободная i_c(l) слагаемые
i(l) i_y(l) + i_c(l),

где комплексная амплитуда r-й гармоники разложения периодической установившейся слагаемой в дискретный ряд Фурье, f промышленная (основная) частота, k ent(f_N/f), f_N f_д/2 частота Найквиста.

Согласно предлагаемому способу, измеряют с помощью датчиков 3 и 4 токи i_изм1(l) и i_изм2(l) защищаемого трансформатора 2, включенного в электрическую систему 1. Формируют в сумматоре 5 дифференциальный ток
i_д(l) i_изм1(l) + i_изм2(l).

Анализируют составы измеряемых и дифференциального токов и формируют на выходах адаптивных фильтров 6-8 сигналы, пропорциональные уровням высших нечетных гармоник, установившихся I_н,изм1, I_нд,изм2, I_нд и свободных слагаемых всех токов I_с,изм1, I_с,изм2, I_сд.

Нерекурсивный адаптивный фильтр обладает способностью настраиваться на полное подавление экспоненциально-гармонических сигналов за малое и вполне определенное время, что адекватно способности распознавать их состав [5] Анализ тока с помощью адаптивного фильтра (фиг. 2) сводится к следующей последовательности операций:
1. Настройке нерекурсивного фильтра типа 6-8, реализованного на элементах задержки 19-20, умножителях 22-24 и сумматоре 25 и генераторе периодического сигнала 27. Настройка адаптивного фильтра осуществляется путем подавления его выходного сигнала

где m порядок, а варьируемые параметры фильтра. Условие настройки среднеквадратический критерий

где n число используемых при настройке фильтра отсчетов тока i(l). Варьируемые при настройке параметры фильтра (1) I_r, a_s, , вырабатываются задающим блоком 26 как решение системы (в общем случае переопределенной) линейных алгебраических уравнений вытекающей из (1) и (2). Для настройки адаптивного фильтра на подавление экспоненциального сигнала с неизвестными амплитудой и затуханием требуется два отсчета входного тока i(l). Для подавления гармонического сигнала с неизвестными амплитудой и фазой, но заданной частотой также два отсчета тока i(l). В общем случае для подавления сигнала, заданного в экспоненциально-гармоническом базисе функций потребуется столько отсчетов n_min, сколько неизвестных параметров (амплитуд, фаз, затуханий и частот) содержат в сумме отдельные экспоненциально-гармонические составляющие тока i(l). Поэтому частота дискретизации f_д преобразования тока в цифровую форму выбирается из условия получения необходимого числа отсчетов за первую полуволну броска тока намагничивания.

2. Амплитудно-фазовой коррекции гармоник установившейся слагаемой тока в корректоре 2

3. Формированию уровня нечетных гармоник установившейся слагаемой точкой в формирователе уровня периодического сигнала 30

4. Формированию установившейся слагаемой точкой в генераторе периодического сигнала 28 по его спектру

5. Выделению свободной составляющей тока с помощью вычитателя 31
i_c(l) i(l) i_y(l).

6. Определению максимального уровня свободной составляющей тока I_c амплитудным детектором 32.

Нелинейность характеристики намагничивания трансформатора наделяет его способностью генерировать высшие гармоники. У характеристики три специфических участка (фиг. 3): рабочий, где ток намагничивания i_μ пренебрежимо мал, и области насыщения, где в окрестности любого значения потокосцепления j_x справедлива аппроксимация нечетной функцией в общем случае полиномом [6]
i_μ=b₁(ψ-ψ_x)+b₃(ψ-ψ_x)³+b₅(ψ-ψ_x)⁵+..., (3)
где b₁, b₃, b₅, некоторые константы, определяемые характеристикой намагничивания трансформатора. Под действием синусоидального напряжения потокосцепление изменяется по закону (без учета затухания)
ψ= ψ_m•sin(ω₁t+α)+ψ(0)-ψ_m•sinα, (4)
где α начальная фаза. Подстановка (4) в (3) при j_x= ψ(0)- ψ_m•sinα доказывает правомерность утверждения: в области насыщения спектр тока намагничивания образован нечетными гармониками

Иначе говоря, каждая отдельно взятая полуволна броска тока намагничивания, в том числе и самая первая (фиг. 4), подчиняется закономерности (5). Иное дело, что процесс броска в целом, протекающий не только в области насыщения, но и на рабочем участке, обладает более сложным спектром, так как наряду с последовательностью полуволн включает в себя и череду пауз. Последнее, однако, не имеет значения для предлагаемого способа, так как он, в отличие от известных, связан с анализом спектра отдельных полуволн тока, а не всего процесса в целом.

Если при коротком замыкании в трансформаторе возникает переходный процесс, уровень его свободной составляющей в дифференциальном токе больше, чем в любом из измеряемых токов, что обосновывается схемой замещения короткого замыкания трансформатора (фиг. 5).

Уровни высших нечетных гармоник I_н,изм1 и I_н,изм2 и уровни свободных составляющих I_с,изм1 и I_с,изм2 измеренных токов поступают соответственно на входы селекторов 9 и 10, где осуществляется отбор максимального уровня.

Над полученными величинами проводят пять сравнений с помощью элементов 11-15. Сравнивают: уровень нечетных гармоник дифференциального тока I_нд с первой уставкой δ₁ уровень свободной составляющей дифференциального тока I_сд со второй уставкой δ₂ уровень нечетных гармоник I_нд с уровнем свободной составляющей дифференциального тока I_сд уровень нечетных гармоник дифференциального тока I_нд с максимальным уровнем нечетных гармоник измеряемых токов I_н,изм1 и I_н,изм2, уровень свободной составляющей дифференциального тока I_сд с максимальным уровнем свободной составляющей измеряемых токов I_н,изм1 и I_с,изм2. По результатам сравнений формируют с помощью логических элементов И 17,18 и инвертора 16 сигналы БТН и КЗ соответствующие режимам работы трансформатора. Если первое, третье и четвертое сравнения одновременно дадут положительный результат (логическую 1), то констатируют бросок тока намагничивания (БТН). А если третье сравнение даст отрицательный, а второе и пятое положительный результат, то фиксируют короткое замыкание в трансформаторе. Уставки δ₁ и δ₂ выбирают из эмпирических соображений, исходя из соображений обеспечения необходимой чувствительности способа.

Таким образом применение адаптивных фильтров, позволяющих проводить анализ состава переходных токов за время меньшее полупериода промышленной частоты, и привлечение дополнительных информационных признаков в спектрах наблюдаемых токов позволяет сократить время идентификации режима работы трансформатора по сравнению с известными способами. В подтверждение этого на фиг. 6а и 7а приведены реальные осциллограммы броска тока намагничивания и тока короткого замыкания силового трансформатора, снятые с частотой дискретизации 3000 Гц, на фиг. 6б и 7б результаты анализа первого полупериода промышленной частоты с помощью адаптивных фильтров по 20 выборкам. Первая полуволна броска тока намагничивания состоит из двух (первой и третьей) гармоник (кривые а и б фиг. 6б) установившейся составляющей и не содержит свободной составляющей. Амплитуды гармоник 7,640 А и 2,221 А соответственно. В состав же первой полуволны тока короткого замыкания (фиг. 7б) помимо первой (основной) гармоники установившейся слагаемой с амплитудой 3,470 А (кривая а) входит и затухающая экспонента свободной составляющей тока (кривая б). Ее амплитуда 1,859 А.

Таким образом, применение предлагаемого способа разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания позволяет распознать режим работы трансформатора за время, меньшее полупериода промышленной частоты, что недостижимо в известных способах.

Использование: изобретение относится к релейной защите электроэнергетических систем, в частности к способам выполнения дифференциальной защиты трансформатора, с целью повышения быстродействия разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания в силовом трансформаторе. Сущность изобретения: за счет применения адаптивных фильтров 6-8, позволяющих проводить анализ состава первой полуволны переходных токов, когда еще нет потери информации, связанной с насыщением трансформатора, за время меньшее полупериода промышленной частоты и привлечения дополнительных информационных признаков в спектрах токов. При этом определяют уровни нечетных гармоник и уровни свободных составляющих измеряемых и дифференциальных токов, выделяют максимальные уровни свободной составляющей и нечетных гармоник измеряемых токов и производят пять сравнений уровней с уставками и между собой, при первом - уровень нечетных гармоник дифференциального тока с первой уставкой, при втором - уровень свободной составляющей дифференциального тока со второй уставкой, при третьем - уровень нечетных гармоник с уровнем свободной составляющей дифференциального тока, при четвертом - уровень нечетных гармоник дифференциального тока с максимальным уровнем нечетных гармоник измеряемых токов, при пятом - уровень свободной составляющей дифференциального тока с максимальным уровнем свободной составляющей измеряемых токов и, если при одновременном первом, третьем и четвертом сравнениях первые сравниваемые величины больше вторых сравниваемых величин, констатируют бросок тока намагничивания трансформатора, а если первая сравниваемая величина меньше второй при третьем сравнении, а при втором и пятом сравнениях первая сравниваемая величина больше второй, то констатируют короткое замыкание в трансформаторе. 7 ил.

Способ разграничения броска тока намагничивания и тока короткого замыкания трансформатора путем измерения его токов, формирования дифференциального тока, выделения информационных составляющих измеряемого и дифференциального токов с помощью обработки токов адаптивными фильтрами и сравнения их между собой, отличающийся тем, что используют нерекурсивные адаптивные фильтры, которые настраивают каждый раз на подавление соответствующего тока, выделяют нечетные гармоники и свободную составляющую каждого тока, определяют уровень нечетных гармоник и уровень свободной составляющей дифференциального тока, определяют максимальный уровень свободной составляющей и максимальный уровень нечетных гармоник измеряемых токов, производят пять сравнений уровней с уставками и между собой, при первом - уровень нечетных гармоник дифференциального тока с первой уставкой, при втором уровень свободной составляющей дифференциального тока с второй уставкой, при третьем уровень нечетных гармоник с уровнем свободной составляющей дифференциального тока, при четвертом уровень нечетных гармоник дифференциального тока с максимальным уровнем нечетных гармоник измеряемых токов, при пятом уровень свободной составляющей дифференциального тока с максимальным уровнем свободной составляющей измеряемых токов и, если при одновременном первом, третьем и четвертом сравнениях первые сравниваемые величины больше вторых сравниваемых величин, констатируют бросок тока намагничивания трансформатора, а если первая сравниваемая величина меньше второй при третьем сравнении, а при втором и пятом сравнениях первая сравнительная величина больше второй, то констатируют короткое замыкание в трансформаторе.