Комплект защиты силового трансформатора Российский патент 2019 года по МПК H02H7/04 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к комплектным устройствам релейной защиты силовых трансформаторов.

Известны комплекты релейной защиты силовых трансформаторов на базе реле, например, ДЗТ-11 или РСТ-15 и использованием схемы дешунтирования отключающих катушек с использованием промежуточного реле серии РП 340 [1].

Однако, такой комплект релейной защиты [1] имеет ряд недостатков, например, при использовании реле электромагнитного типа, которые срабатывают поэтапной передачей импульса от одного реле другому до отключающей катушки коммутационного оборудования, что приводит к увеличению погрешности работы на каждом этапе. Стандарт тока дешунтирования серийных реле ограничен максимально возможными 150 А. При токах выше - идет пересмотр токов срабатывания, увеличение времени действия, загрубление защиты. Следующий из основных недостатков - сложность механических частей, что приводит к снижению надежности.

Известны комплекты защиты силового трансформатора с использованием электронных бесконтактных микросхем блока микропроцессорного релейной защиты БМРЗ [2], которые выполнены на основе полупроводниковых элементов и не имеют подвижных частей.

Недостаток [2] заключается в том, что комплекты защиты силового трансформатора с использованием электронных бесконтактных микросхем БМРЗ не содержат элементы для дешунтирования отключающих катушек коммутационного оборудования, то есть не позволяют использовать электрическую энергию короткого замыкания для возможности отключения коммутационного оборудования.

Наиболее близким по существу заявляемого изобретения, является устройство для контроля состояния изоляции обмотки электрооборудования [3], содержащее первый и второй параметрические преобразователи, входом соединенные с соответствующими объектами контроля, выход первого параметрического преобразователя соединен через последовательно соединенные первый делитель напряжения, первый резонансный усилитель, первый формирователь импульсов, первый формирователь длительности импульсов с первым входом элемента И, выход второго параметрического преобразователя соединен через последовательно соединенные второй делитель напряжения, второй резонансный усилитель, второй формирователь длительности импульсов с вторым входом элемента И, выход которого соединен с управляющим входом ключевого элемента, вход которого соединен с выходом дифференциально-усиленного блока, первый вход которого соединен с первым выпрямителем с фильтром, второй выпрямитель с фильтром, счетчик тактовых импульсов, исполнительный блок, где с целью повышения достоверности контроля, в устройство введены индуктивность, третий параметрический преобразователь, третий делитель напряжения, первый и второй перестраиваемые фильтры, генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, управляемый делитель напряжения, цифроаналоговый преобразователь, преобразователь последовательности тактовых импульсов в код аналого-цифровой преобразователь, коммутатор, блок индикации, компаратор, блок опорного напряжения, при этом вход третьего параметрического преобразователя соединен с клеммой для подключения нейтрали объекта контроля и через индуктивность-с общей шиной устройства, а выход через последовательно соединенные третий делитель напряжения, второй перестраиваемый фильтр соединен с выходом первого выпрямителя с фильтром, выход первого делителя напряжения соединен через последовательно соединенные первый перестраиваемый фильтр, второй выпрямитель с фильтром, управляемый делитель напряжения с вторым входом дифференциально-усилительного блока, выход генератора тактовых импульсов соединен через преобразователь последовательности тактовых импульсов с управляющим входом коммутатора и с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, управляющие входы первого и второго перестраиваемых фильтров соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом счетчика тактовых импульсов, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход ключевого элемента соединен с первым входом компаратора и входом аналого-цифровой преобразователя, выход которого соединен с входом коммутатора, выход которого соединен с входом блока индикации, выход блока опорного напряжения соединен со вторым входом компаратора, выход которого соединен с входом исполнительного блока.

Недостатком [3] является невозможность обнаружения аварийных ситуаций на силовом трансформаторе и принятия мер по их устранению или уменьшению вреда.

Целью заявляемого изобретения является повышение надежности, расширение функциональных возможностей комплекта защиты силового трансформатора.

Цель достигается тем что, комплект защиты силового трансформатора с использованием дешунтирования отключающих катушек, содержащее согласующие промежуточные трансформаторы с измененяемым числом витков вторичной обмотки, имеет два плеча обработки сигналов, соответственно от трансформаторов тока по сторонам высокого и низкого напряжений. Ток от трансформаторов тока поступает на промежуточные трансформаторы, откуда на блоки выпрямительных диодов, где от них отделяется отрицательная полуволна. Затем положительные полуволны поступают на блоки операционных усилителей и компараторов, на выходах которых получаются прямоугольные импульсы, которые поступают на вход узла логического элемента «И-НЕ». При коротком замыкании внутри зоны действия дифференциальной защиты, импульсы от блоков компараторов идут не синхронно, тем самым на выходе блока логического элемента «И-НЕ» возникает положительный сигнал, который регистрируется узлом триггера, дающему микроконтроллеру команду на немедленное дешунтирование отключающих электромагнитов высоковольтных выключателей, которые зашунтированы симисторами. При сквозных токах короткого замыкания срабатывает максимальная токовая защита, которая получает сигналы от промежуточных трансформаторов, так же отделяется отрицательная полуволна. Положительные полуволны попадают на блоки операционных усилителей, где сравниваются с опорным напряжением - являющимся уставкой токовой защиты. Если ток превышает ток уставки, то положительный сигнал подается на компараторы, а с них на микроконтроллер, который подаст сигнал на отключение силового трансформатора. Для определения времени до отключения (выдержки) определяется реальный ток через блоки фильтров-выпрямителей, подсоединенные к промежуточным трансформаторам, в которых переменный ток выпрямляется, сглаживается, отделяются все частоты кроме промышленной частоты. Выпрямленное напряжение поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера. А также опорное напряжение, которое используется в качестве независимой уставки времени.

Сущность заявляемого изобретения поясняется: Фиг. 1 - Функциональная схема комплекта защиты трансформатора; Фиг. 2 - Поясняющая схема и направление токов в нормальном режиме работы; Фиг. 3 - Поясняющая схема и направление токов в режиме действия дифференциальной защиты; Фиг. 4 - Поясняющая схема и направление токов в режиме максимальной токовой защиты; Фиг. 5 - Временная диаграмма работы схемы в нормальном режиме; Фиг. 6 - Временная диаграмма работы схемы в режиме действия дифференциальной защиты.

Где: Т - защищаемый трансформатор; 1Q, 2Q - первый и второй высоковольтные выключатели; 1ТА, 2ТА - первый и второй трансформаторы тока; 1ЭО, 2ЭО - первый и второй отключающие электромагниты приводов высоковольтных выключателей 1Q, 2Q; 1, 2, 3, 4 - симисторы управления шунтированием и дешунтированием отключающих электромагнитов 1ЭО, 2ЭО; 5, 6 - промежуточные трансформаторы с изменяемым числом витков вторичной обмотки; 7, 24, 25, 28 - блок с диодами Шотки и ограничителем выходного сигнала; 8, 26 - блоки операционных усилителей для работы дифференциальной защиты; 9, 27 - блоки компараторов для работы дифференциальной защиты; 10, 20 - блоки фильтров-выпрямителей максимальной токовой защиты; 11, 21 - источник опорного напряжения (уставка для работы максимальной токовой защиты); 12 - узел элемента логики «И-НЕ» для сравнения во времени токов с трансформаторов тока 1ТА и 2ТА; 13 - узел триггера для определения срабатывания дифференциальной защиты; 14 - микроконтроллер для управления комплектом защиты; 15 - система управления симисторами (драйвер); 16 - сигнализация срабатывания защиты; 17 - источник опорного напряжения для временной уставки максимальной токовой защиты; 18, 22 - блоки операционных усилителей для работы максимальной токовой защиты; 19, 23 - блоки компараторов для работы максимальной токовой защиты.

I1, I2 - токи от первого и второго трансформаторов тока 1ТА, 2ТА соответственно.

«а» - сигнал на выходе блока компаратора 9;

«б» - сигнал на выходе блока компаратора 27;

«в» - сигнал на выходе узла логического элемента «И-НЕ» 12.

Принцип работы заявляемого изобретения.

Нормальный режим. При отсутствии коротких замыканий и протекании нормальных токов (Фиг. 2), токи от трансформаторов тока 1ТА и 2ТА поступают на правое и левое плечи схемы защиты трансформатора.

Рассмотрим по отдельности тракты дифференциальной и максимальной токовой защит:

Дифференциальная защита:

Токи от обмотки промежуточного трансформатора 5 и 6 попадают на выпрямительные блоки 7 и 25, положительные полуволна попадают на блоки операционных усилителей 8 и 26, где они усиливаются и далее попадают на входы компараторов 9 и 27. Получившиеся на выходах 9 и 27 сигналы прямоугольной формы, во времени соответствующие положительным полуволнам, подаются на вход блока логического элемента «И-НЕ» 12. Так как токи от трансформаторов тока 1ТА и 2ТА в нормальном режиме направлены в одном направлении, то прямоугольные импульсы будут идти синхронно (фиг. 5 «а» и «б»). Соответственно на выходе блока логического элемента «И-НЕ» 12 будет логический «0». То есть, наличие логического «0» не запустит триггер 13, а значит на его выходе, будет также логический «0». Так как на выходе узла триггера 13 будет отсутствовать сигнал на включение (фиг. 5 «в») дифференциальной защиты, то микроконтроллер 14 не отдаст команду на дешунтирование отключающих катушек, отключающие катушки 1ЭО 2ЭО останутся в этом режиме обесточенными и как следствие, высоковольтные выключатели останутся включенными.

Максимальная токовая защита:

В этом режиме (фиг. 4) токи от вторых обмоток промежуточных трансформаторов 5 и 6 поступают на выпрямительные блоки с диодами 24 и 28, откуда положительные полуволны поступают на входы блоков операционных усилителей 18 и 22. В операционных усилителях происходит сравнение поступающих сигналов с опорным напряжением заданной уставки максимальной токовой защиты от источников опорного напряжения 11 и 21. Так как в нормальном режиме токи, проходящие через защищаемый трансформатор Т, а соответственно токи от трансформаторов тока 1ТА и 2ТА меньше, чем уставка максимальной токовой защиты, то на выходе блоков операционных усилителей 18 и 22, а также за ними следующих блоков компараторов 19 и 23 будет отсутствовать сигнал, то есть логический «0». Соответственно, отсутствие сигналов о превышении максимального тока от блоков компараторов 19 и 23 не допустит команды на дешунтирование отключающих катушек микроконтроллером 14. Коммутационное оборудование высоковольтных выключателей 1Q, 2Q не будет отключено.

Режим действия дифференциальной защиты. При возникновении короткого замыкания в точке действия дифференциальной защиты между трансформаторами тока 1ТА и 2ТА (фигура 3) токи меняют направление на встречное, то есть место короткого замыкания получает питание и со стороны высокого напряжения, и со стороны низкого напряжения. Поступающие, при этом вторичные токи от трансформаторов тока 1ТА и 2ТА поступают в левое и правое плечи устройства защиты трансформатора.

Дифференциальная защита:

Как и в нормальном режиме, токи от обмотки промежуточного трансформатора попадают на выпрямительные блоки 7 и 25, положительная полуволна попадает на блоки операционных усилителей 8 и 26, где она усиливается и попадает на входы блоков компараторов 9 и 27. Получившиеся сигналы прямоугольной формы, во времени соответствующие положительным полуволнам, подаются на вход логического элемента «И-НЕ» 12. Так как в таком режиме токи от трансформаторов тока 1ТА и 2ТА будут иметь разное направление, то получившиеся прямоугольные импульсы будут идти не синхронно (фиг. 6 «а», «б»). Соответственно, несинхронные сигналы, поступающие на вход узла логического элемента «И-НЕ» 12, в этом режиме, вызовут появление логической «1» на его выходе (фиг. 6 «в»). Наличие логической «1» на входе узла триггера 13 вызовет переключение его выхода с низкого уровня на высокий, тем самым на выходе микроконтроллера 14 будет сигнал на систему управления симисторами 15 для немедленного отключения коммутационных устройств 1Q и 2Q: сначала откроются симисторы 2, 4, а затем, с некоторой задержкой закроются симисторы 1, 3.

Максимальная токовая защита в данном режиме не будет иметь значение на включение дифференциальной защиты.

Режим действия максимальной токовой защиты. При появлении короткого замыкания в точке за пределами действия дифференциальной защиты, то есть вне зоны между трансформаторами тока 1ТА и 2ТА

Токи от вторых обмоток промежуточных трансформаторов 5 и 6 поступают на выпрямительные блоки 24 и 28, откуда положительные полуволны поступают на входы блоков операционных усилителей 18 и 22. В операционных усилителях происходит сравнение поступающих сигналов с опорным напряжением заданной уставки максимальной токовой защиты 11 и 21 от источников опорного напряжения 11 и 21. Так как в данном режиме токи, проходящие через защищаемый трансформатор Т, а соответственно токи от трансформаторов тока 1ТА и 2ТА больше, чем уставка максимальной токовой защиты, то на выходе блоков операционных усилителей 18 и 22, а также за ними следующих блоков компараторов 19 и 23 будет присутствовать логическая «1». Попадая на входы ВХ1 и ВХ2 микроконтроллера 14, запускают команду с помощью драйвера 15 на дешунтирование отключающих катушек 1ЭО и 2ЭО (сначала откроются симисторы 2, 4, а затем, с некоторой задержкой закроются симисторы 1, 3) с учетом времени выдержки от элемента 17 (его выход подключен к аналогово-цифровому преобразователю 3 микроконтроллера 14).

Для коррекции времени срабатывания необходимо значение реального тока, протекающего через трансформатор. Для этого сигналы от промежуточных трансформаторов тока 5 и 6 поступают на фильтры-выпрямители 10 и 20, где отфильтровываются все гармоники, кроме промышленной частоты, выпрямляются и подаются на входы аналогового-цифровых преобразователей АЦП1 и АЦП2 микроконтроллера 14. Срабатывание защит сигнализируется звуковым сигналом от блока сигнализации 16.

Использованные источники:

1. Реле серии РП 340

2. Комплекты защиты силового трансформатора с использованием электронных бесконтактных микросхем блока микропроцессорного релейной защиты БМРЗ в составе шкафа РЗА станционной защиты ШЭ1113, Каталог НПП ЭКРА, 2017.

3. SU 1793396 А1 - Патент на изобретение «Устройство для контроля состояния изоляции обмотки электрооборудования», М.Б. Иноятов, И.М. Беремжатов, Ахметшин Р.С. 10.09.1990;

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности, расширение функциональных возможностей комплекта защиты силового трансформатора. Комплект защиты силового трансформатора с использованием дешунтирования отключающих катушек содержит согласующие промежуточные трансформаторы с измененяемым числом витков вторичной обмотки, имеет два плеча обработки сигналов, соответственно от трансформаторов тока по сторонам высокого и низкого напряжений. Ток от трансформаторов тока поступает на промежуточные трансформаторы, откуда на блоки выпрямительных диодов, где от них отделяется отрицательная полуволна. Затем положительные полуволны поступают на блоки операционных усилителей и компараторов, на выходах которых получаются прямоугольные импульсы, которые поступают на вход узла логического элемента «И-НЕ». При коротком замыкании внутри зоны действия дифференциальной защиты импульсы от блоков компараторов идут не синхронно, тем самым на выходе блока логического элемента «И-НЕ» возникает положительный сигнал, который регистрируется узлом триггера, дающим микроконтроллеру команду на немедленное дешунтирование отключающих электромагнитов высоковольтных выключателей, которые зашунтированы симисторами. При сквозных токах короткого замыкания срабатывает максимальная токовая защита, которая получает сигналы от промежуточных трансформаторов, так же отделяется отрицательная полуволна. Положительные полуволны попадают на блоки операционных усилителей, где сравниваются с опорным напряжением, являющимся уставкой токовой защиты. Если ток превышает ток уставки, то положительный сигнал подается на компараторы, а с них на микроконтроллер, который подаст сигнал на отключение силового трансформатора. Для определения времени до отключения (выдержки) определяется реальный ток через блоки фильтров-выпрямителей, подсоединенные к промежуточным трансформаторам, в которых переменный ток выпрямляется, сглаживается, отделяются все частоты, кроме промышленной частоты. Выпрямленное напряжение поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера. Опорное напряжение используется в качестве независимой установки времени. 6 ил.

Комплект защиты силового трансформатора с дешунтированием отключающих катушек, включающий в себя отключающую катушку, последовательно соединенную через дешунтирующий симистор с первичной обмоткой дополнительного промежуточного трансформатора, и эта цепь замкнута на выводы трансформатора тока защиты, при этом шунтирующий симистор подключен параллельно цепи катушки отключения с дешунтирующим симистором, отличающийся тем, что упомянутая цепь от вторичной обмотки трансформатора тока образует плечи комплекта защиты, для двухобмоточного силового трансформатора образует соответственно два плеча защиты, подключенные ко вторичным обмоткам упомянутого дополнительного промежуточного трансформатора, каждое из плеч состоит из первого и второго блоков выпрямителей, включающих в себя фильтры и стабилитроны, соответственно подключены к выводам первой и второй вторичных обмоток дополнительного промежуточного трансформатора, выводы первого и второго блоков выпрямителей подключены к вводам первого и второго операционных усилителей, причем ко второму входу второго операционного усилителя подключен выход блока опорного напряжения, выходы первого и второго операционных усилителей подключены на входы первого и второго компараторов, при этом выход первого компаратора подключен к одному из входов блока «И-НЕ», а выход второго компаратора подключен к соответственно входу микроконтроллера, выход блока «И-НЕ» подключен к входу триггера, при этом блок формирователя напряжения входом подключен к выходу второй вторичной обмотки упомянутого дополнительного промежуточного трансформатора, а выход - на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера, и соответственно к другому аналогово-цифровому преобразователю микроконтроллера подключен также блок опорного напряжения выдержки максимальной токовой защиты, выход микроконтроллера подключен на вход сброса триггера, а выход триггера подключен на вход микроконтроллера, также к выходам микроконтроллера подключены блок сигнализации и блок управления упомянутых симисторов.