СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТОКА, ИСКАЖЕННОГО ВСЛЕДСТВИЕ НАСЫЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 2021 года по МПК H02H3/08 H02H7/45 

Изобретение относится к электроэнергетике, где широко распространены трансформаторы тока как измерительные преобразователи, формирующие сигналы для устройств релейной защиты и автоматики. Вместе с тем изобретение относится к электротехнике, поскольку трансформатор тока сам по себе является электротехническим устройством, в обычном исполнении - электромагнитном. Характеристика намагничивания его магнитопровода, выполняемого из электротехнической стали, имеет рабочий участок и участки насыщения. На рабочем участке первичный ток трансформируется во вторичный без искажений, а на участке насыщения - с искажениями. Уровни токов короткого замыкания в энергосистемах настолько высоки, что явление насыщения трансформаторов тока встречается повсеместно, и его глубина возрастает. Последнее объясняется тем, что искажение тока проявляется особенно резко при резистивной нагрузке, которую как раз и представляют собой терминалы цифровых систем защиты и автоматики. Еще одна причина связана с широким применением автоматического повторного включения линий электропередачи (АПВ). В цикле АПВ сказывается остаточная индукция магнитопроводов трансформаторов тока, приводящая к их быстрому насыщению.

Искажение вторичного тока трансформатора тока, поступающего в его нагрузку, создает серьезную проблему для быстродействующей релейной защиты. Опасно ложное срабатывание, но еще более серьезные последствия могут наступить вследствие несрабатывания при коротком замыкании в зоне защиты. Задача восстановления тока, искаженного вследствие насыщения трансформатора тока поставлена довольно давно, предложено несколько способов ее решения. Они так или иначе основываются на разделении интервалов неискаженной и искаженной трансформации тока (сегментация тока). Наиболее простое решение ограничивается выделением интервала неискаженной трансформации, возможно только одного, самого первого [1,2]. Однако при глубоком насыщении интервал оказывается столь коротким, что выделить необходимую для работы релейной защиты синусоидальную составляющую неискаженного тока оказывается невозможным. Возникает необходимость привлечения дополнительной информации из отсчетов тока на интервале искаженной трансформации. Известные технические решения предполагают использование априорных сведений о характеристике намагничивания стального сердечника трансформатора тока [3-5]. Практического значения такие предложения не имеют, так как характеристики неидентичны даже у однотипных трансформаторов, к тому же они подвержены изменению со временем и под влиянием внешних факторов.

В недавнее время были предложены способы восстановления искаженного тока, характерной чертой которых стало частичное привлечение информации с интервала искаженной трансформации и объединение ее с информацией о токе на интервале неискаженной трансформации. Операцией, объединяющей информацию, является экстраполяция неискаженного тока на последующий интервал [6,7]. Эта операция относительно простая. Сложной в исполнении оказалась другая операция, составляющая неотъемлемую часть способа [7], ближайшего к предлагаемому. Имеется в вид синтез корректора тока. Операция легко реализуется в отложенном времени при анализе цифровых осциллограмм наблюдаемого тока, но затрудняет применение способа в реальном времени, что требуется для релейной защиты.

Целью изобретения является упрощение способа восстановления тока при насыщении измерительного трансформатора с тем, чтобы обеспечить возможность применения способа в реальном времени. Способ предлагается в трех вариантах, объединенных друг с другом и с прототипом следующими признаками. Наблюдаемый процесс изменения тока подвергают сегментации, выделяя интервалы двух типов -неискаженной и искаженной трансформации. По меньшей мере выделяют первый интервал после начала короткого замыкания в электрической сети до насыщения трансформатора тока и последующий, второй по счету, интервал, на котором наблюдается искаженный ток. Общее отличие всех трех вариантов предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что информация, получаемая на двух разнотипных интервалах, сведена к минимуму. На интервале неискаженной трансформации берется та информация, которую несут два момента времени и отсчеты тока в эти моменты, а на интервале искаженной информации -только один момент времени и, возможно, отсчет тока в этот момент. Получается, всего три момента времени и два или три соответствующих отсчета тока. Различие между вариантами способа заключено в том третьем моменте времени, который должен быть определен на интервале искаженной трансформации. В первом варианте способа это момент окончания указанного интервала. Во втором варианте - момент перехода тока через нулевое значение. Наконец, в третьем варианте - это определяемый по алгоритму обработки искаженного тока момент экстремума неискаженного тока.

На фиг. 1 приведена кривая тока в нагрузке насыщающегося трансформатора тока, где указан третий момент времени, характерный для первого варианта предлагаемого способа. На фиг. 2 показана функциональная схема восстановления тока по первому и второму вариантам. На фиг. 3 указан третий момент времени, характерный для второго варианта и отличающий его от первого. На фиг. 4 показана структурная схема преобразования тока электрической сети измерительным трансформатором тока, что требуется для пояснения наиболее сложного третьего варианта предлагаемого способа. Третий момент времени, определяемый в этом варианте, показан на фиг. 5. Наконец, на фиг. 6 дана функциональная схема восстановления тока по третьему варианту.

Типичная кривая изменения тока в нагрузке насыщающегося трансформатора тока состоит из участка (интервала) неискаженной трансформации 1 и участка искаженной трансформации 2. Предлагаемый способ предполагает получение информации на двух соседних интервала разного типа, сначала на интервале 1, затем на интервале 2. Далее информация объединяется операциями, выполняемыми функциональной схемой по фиг. 3, которая состоит из сегментаторов 3, 4, формирователя отсчетов 5, действующего на интервале 1, анализатора процесса 6, определяющего на интервале 2 характерный момент времени 3, корректора 7, восстанавливающего искаженный ток, и коммутатора 8 с двумя выходами α и β, разделяющими неискаженную и восстановленную части тока. Функциональные элементы схемы управляются выходными сигналами 9,10 сегментаторов 3 и 4. На фиг. 3 изображен тот же процесс, что и на фиг. 1, за тем лишь исключением, что здесь иначе выбран характерный третий момент.

Модель трансформатора тока на фиг. 4 с ветвью нагрузки 11 и ветвью намагничивания 12 требуется для пояснения третьего варианта предлагаемого способа. Наблюдаемый процесс на фиг. 5 тот же, что на фиг. 1 и фиг. 3. Отличие между ними заключается в подходе к определению третьего момента времени. В последней модификации способа для этой цели формируется новый сигнал 13 со своей характерной точкой перехода через нулевое значение. Функциональная схема (фиг. 6) соответственно усложняется. В нее вводятся новые модули: модуль 14 0 формирователь сигнала 13 и модуль 15 - определитель затухания этого сигнала.

Наиболее тяжелые режимы насыщения трансформатора тока вызывает медленно затухающая апериодическая составляющая тока короткого замыкания. Самый опасный с этой точки зрения ток электрической сети представляет собой сумму гармонической и постоянной составляющих

где I_m1, I_m2 - ортогональные составляющие гармонической составляющей, I₀ - постоянная составляющая, ω=2πf, f - частота сети. Предлагаемый способ решает следующую задачу. На двух соседних интервалах 1 и 2 наблюдаемого тока i(t), протекающего в нагрузке трансформаторов тока, принимается модель неискаженного тока (1), и определяются оценки трех компонентов модели I_ml, I_m2, I₀. Понятно, что для отыскания трех неизвестных нужны три отсчета неискаженного тока i(t)=i_c(t). Казалось бы, их можно взять на интервале 1 неискаженной трансформации. Но от такого варианта необходимо сразу же отказаться. Дело в том, что на этом коротком интервале отсчеты тока связаны зависимостью, близкой к линейной, в силу чего взятый там же третий отсчет ничего не добавит к информации, содержащейся в первом и втором. По этой причине на интервале 1 берутся только два отсчета тока i₁ и i₂ в моменты времени t₁ и t₂, что дает два условия оценки параметров тока (1)

Чтобы информация о токе, получаемая на интервале 1, была менее всего подвержена влиянию помех, желательно разнести моменты t₁ и t₂ на максимально возможное расстояние, ненамного меньшее этого интервала.

Особую роль в предлагаемом способе играет третий момент времени t₃, который должен быть определен на интервале 2. Этот момент призван дать дополнительную информацию о токе сети i_c(t). В первом варианте способа момент t₃ определяют из условия выхода трансформатора тока из насыщения, иначе из условия окончания интервала 2, когда значение тока i₃ находится на изломе кривой i(t). В итоге к условиям (2), (3) добавляется недостающее третье условие

и три условия (2) - (4) совместно позволяют восстановить наблюдаемый ток, давая ему описание

с параметрами, определенными при t₁=0, -

где

D=sin ωt₂ cos (ωt₃-1)-sin ωt₃ cos (ωt₂-1).

Функциональная схема по фиг. 2 отражает операции восстановления тока. Сегментатор 3 выделяет интервал 1, а сегментатор 4 выделяет интервал 2. Формирователь отсчетов 5 фиксирует моменты времени t₁, t₂ и соответствующие отсчеты тока i₁, i₂. Формирователь третьего отсчета - анализатор 6 определяет момент t₃ и отсчет тока i₃. Информация, полученная на двух интервалах времени, поступает в корректор тока 7, который реализуем операции (6) - (8) и генерирует восстановленный ток (5) на интервале 2. Коммутатор 8 предназначен для раздельной выдачи тока с разнотипных интервалов. Выходные сигналы 9 и 10 сегментаторов 3 и 4 управляют работой функциональной схемы. Основные операции выполняются под управлением сигнала 10, в том числе и действие коммутатора 8. Если нет насыщения, то коммутатор не переключается, и наблюдаемый ток поступает на основной выход α. Когда случается насыщение, сегментатор 4 подает сигнал 10 на управляющий вход коммутатора 8. Передача входного тока i(t) прерывается коммутатором вплоть до выхода трансформатора тока из насыщения, но восстановленный ток (t) поступит на выход 2 не сразу же, а спустя время синтеза его корректором 7. Отсюда следует, что в первом варианте данного способа время восстановления тока равно суммарной продолжительности интервалов 1 и 2 с добавлением времени действия корректора 7.

Второй вариант способа восстановления тока отличается от первого варианта иным выбором характерного третьего момента времени. Это момент t₃' перехода тока i(t) через нулевое значение (фиг. 3). Данная модификация способа рассчитана на нагрузку 11, близкую к резистивной (R >> ωL). На интервале насыщения ток сети (1) устремляется в ветвь намагничивания 12

создавая потокосцепление, которое в первом приближении связано с током линейной зависимостью

где ψ₀ - константа, L_μ,диф - дифференциальная индуктивность ветви намагничивания в области насыщения. Ветвь намагничивания 12 создает на нагрузке 11 напряжение

Из (1), (9) и (10) вытекает вывод, что напряжение u(t) на интервале 2 близко к гармоническому

а его нулевое значение в момент t₃' соответствует экстремуму тока сети i_c(t). Если отсчитывать время от момента t₃'=0, то на интервале 2 напряжение и ток будут изменяться по закону, близкому к синусоидальному

а ток сети - по косинусоиде с постоянной составляющей

Момент t₃' определится из условия

а значения t₁ и t₂ определятся затем по условию t₃'=0. Так как на интервале 1 токи i(t) и i_c(t) совпадают, то для определения параметров описания (15) достаточно двух отсчетов i₁ и i₂

откуда

Рассматриваемый вариант восстановления тока иллюстрируется той же функциональной схемой по фиг. 2, что и первый вариант, за тем лишь исключением, что анализатор 6 интервала 2 на этот раз реализует условие (16), определяя момент t₃' перехода наблюдаемого тока через нулевое значение.

Второму варианту способа требуется меньшее время наблюдения тока, чем первому варианту. Но второй вариант ограничен условием резистивности нагрузки. Для тех случаев, когда оно не может быть принято, предлагается третий вариант способа восстановления тока, в котором учитывается смешанный характер нагрузки (фиг. 4).

Напряжение u(t) сохраняет закономерность (13) вне зависимости от характера нагрузки, но на этот раз оно вызывает в нагрузке переходный процесс, описываемый дифференциальным уравнением

где α=R/L - коэффициент затухания, ν(t)=u(t)/L. Параметры нагрузки R и L неизвестны, но затухание α поддается определению при помощи цифрового фильтра, настраиваемого на подавление суммы гармонической и экспоненциальной составляющих [8]. В функциональной схеме по фиг. 6 эту функцию реализует определитель затухания тока 14, который передает значение α формирователю сигнала 15, который реализует операцию (20), определяя величину, пропорциональную ненаблюдаемому напряжению u(t).

Дальнейшие операции те же, что и во второй модификации способа, только условие (16) определения момента t₃' заменяется условием определения момента t₃''

Если принять t₃''=0, то описание тока (15) и операции определения его параметров (18), (19) остаются прежними.

Помимо трех предложенных модификации способа восстановления искаженного тока возможны более сложные варианты, где сочетаются оба характерных момента времени t₃ и t₃' (или t₃''), но основное практическое значение имеют изложенные варианты, так как они дают максимально простое решение стоящей задачи.

Источники информации

1. Патент РФ №2308137, HO2H 3/28,2006.

2. Патент РФ №2647484, HO2H 3/28,2016.

3. Авторское свидетельство СССР №468169, G01R 19/00, 1973.

4. Патент РФ №2457495, G01R 15/18,2008.

5. Патент РФ №2526834, HO1F 2742, HO1F 38/28, 2012.

6. Hajipour Е., Vakilian М., Sanaye-Pasand М. Current-Transformer Saturation Compensation for Transformer Differential Relays. - IEEE Trans. Power Delivery, 2015, 30(5), P. 2293-2302.

7. Патент РФ №2648991, HO2H 3/08, HO2H 3/08, HO2H 7/045,2017 (прототип).

8. Лямец Ю.Я., Романов Ю.В., Зиновьев Д.В. Мониторинг процессов в электрической системе. 4.1. Преобразование, селекция и фильтрация, 4.2. Цифровая обработка осциллограмм токов короткого замыкания. - Электричество, 2006, №10, с. 2-10; №11, с. 2-10.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение простого способа восстановления тока при насыщении измерительного трансформатора в реальном времени. Способ включает в себя выделение из процесса изменения тока интервала неискаженной трансформации и последующего интервала искаженной трансформации. Согласно способу во всех трех вариантах принимается одна и та же модель тока сети с неизвестными гармонической и постоянной составляющими. Для их оценивания привлекается информация о трех моментах времени. Два момента берут на интервале неискаженной трансформации, третий момент - на интервале искаженной трансформации. Именно в выборе третьего момента проявляется особенность каждого варианта. В первом варианте это момент окончания интервала искаженной трансформации. Во втором варианте - момент перехода искаженного тока через нулевое значение. В третьем варианте - момент перехода через нулевое значение формируемого сигнала, пропорционального ненаблюдаемому напряжению модели трансформатора. Восстановленный ток определяют по аналитическим выражениям. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ восстановления тока, искаженного вследствие насыщения трансформатора тока, включающий в себя выделение из процесса изменения тока интервала неискаженной трансформации и последующего интервала искаженной трансформации, отличающийся тем, что на интервале неискаженной трансформации фиксируют два отсчета тока в первый и второй моменты времени, определяют момент окончания интервала искаженной трансформации, фиксируют в этот момент третий отсчет тока и определяют восстановленный ток по следующим выражениям:

где i₁, i₂, i₃ - первый, второй и третий отсчеты, t₂ и t₃ - второй и третий моменты времени, притом что первый момент принят нулевым, ω=2πf, f - частота сети.

2. Способ восстановления тока, искаженного вследствие насыщения трансформатора тока, включающий в себя выделение из процесса изменения тока интервала неискаженной трансформации и последующего интервала искаженной трансформации, отличающийся тем, что на интервале неискаженной трансформации фиксируют два отсчета тока в первый и второй моменты времени, определяют на интервале искаженной трансформации третий момент времени, когда ток переходит через нулевое значение, и определяют восстановленный ток по следующим выражениям:

где i₁ и i₂ - первый и второй отсчеты, t₁ и t₂ - первый и второй моменты времени, притом что третий момент принят нулевым, ω=2πf, f - частота сети.

3. Способ восстановления тока, искаженного вследствие насыщения трансформатора тока, включающий в себя выделение из процесса изменения тока интервала неискаженной трансформации и последующего интервала искаженной трансформации, отличающийся тем, что на интервале неискаженной трансформации фиксируют два отсчета тока в первый и второй моменты времени, на интервале искаженной трансформации определяют затухание тока, на том же интервале формируют сигнал, пропорциональный напряжению нагрузки, определяют третий момент времени, когда указанный сигнал переходит через нулевое значение, и восстанавливают ток, причем сигнал, пропорциональный напряжению нагрузки, определяют по выражению

где α - коэффициент затухания, а восстановленный ток определяют по выражениям

где i₁ и i₂ - первый и второй отсчеты, t₁ и t₂ - первый и второй моменты времени, притом что третий момент времени принят нулевым.