Способ дифференциальной релейной защиты, предназначенный в том числе и для переходных режимов, сопровождающихся насыщением измерительных трансформаторов тока (варианты) Российский патент 2024 года по МПК H02H3/28 

Область техники

Изобретения относятся к энергетике, а именно к способам дифференциальной релейной защиты с торможением (далее способ). Способы предназначены для выявления коротких замыканий (далее КЗ) в линиях электропередач и оборудовании электроэнергетической системы (далее энергосистемы). В частности, способы предназначены для защиты силовых трансформаторов, генераторов переменного тока, двигателей, линий и сборных шин (далее защищаемые объекты). Способы предназначены в том числе и для переходных режимов, сопровождающихся насыщением измерительных трансформаторов тока (далее измерительных ТТ).

Первый способ предназначен для двуплечего защищаемого объекта с двухсторонним питанием.

Второй способ предназначен для защищаемого объекта, имеющего больше двух плеч (присоединений), например, при защите трехобмоточного силового трансформатора или при защите электрических шин с несколькими присоединениями.

Заявка описывает техническое новшество в устройство защиты - МП УРЗА ТЕКОН 300.

При описании заявленных способа и их аналогов термины, используемые в описании, имеют следующее значение:

«Устройство защиты» - устройство релейной защиты и автоматики на микропроцессорной (цифровой) базе.

«Защищаемый объект» - объект энергосистемы, в отношении которого устройство защиты осуществляет действия, направленные на его защиту от аварийного режима работы. Далее описание ограничивается описанием только нормального режима работы энергосистемы и аварийного режима работы энергосистемы, сопровождающегося током КЗ.

«Защита» - действия (работа, алгоритм) микропроцессорного устройства защиты. Термин «защита» применяется в отношении дифференциальной токовой защиты с торможением.

«Зона защиты» - участок энергосистемы, в котором расположен защищаемый объект, или который сам является защищаемым объектом (для случая линий и шин). Зона защиты ограничивается измерительными ТТ, расположенными пофазно в каждом из плеч защищаемого объекта. Измерительные ТТ подключены к устройству защиты или к устройствам защиты, которые обмениваются между собой данными о токах посредством оптоволоконной связи. Дифференциальная токовая защита ([1], стр. 14) - это защита с абсолютной селективностью, которая выявляет аварийный режим работы энергосистемы и отправляет сигнал на выключатели, в целях отключения зоны защиты от энергосистемы, только при КЗ в зоне защиты (внутренних КЗ).

«Фаза» - проводник, пучок проводников, ввод, обмотка или иной элемент многофазной сети переменного тока, являющийся токоведущим при нормальном режиме работы.

«Фазовый угол» - это числовое значение угла ϕ переменного тока в момент времени t. Фазовый угол ϕ определяют как угол между вектором тока в момент времени t и вектором тока в момент времени t=0, который соответствует начальному фазовому углу. Начальный фазовый угол тока может быть определен как фазовый угол тока в момент времени включения устройства защиты. Фазовый угол ϕ тока определяют для синусоидального сигнала основной (первой) гармоники тока (50 Гц). Термину «фазовый угол» в заявке соответствует общепринятому в электротехнике термину «фаза», который не может быть использован в данной заявке в отношении угла, так как уже использован в отношении проводника многофазной сети переменного тока.

«Разность фазовых углов» - числовая разница между фазовыми углами Δϕ двух токов, трансформируемых одним и тем же измерительным ТТ, в разные моменты времени t1 и t2. Следует отметить, что понимание значения данного термина в данной заявке отличается от общепринятого понимания термина «разность фаз», который используется в известном дифференциально-фазном способе защиты ([1], стр. 8), ([2], стр. 220-221) и обозначает сравнение фазовых углов токов, трансформируемых разными измерительными ТТ в один и тоже момент времени t.

«Рабочая точка» - термин, используемый применительно к точке на координатной плоскости характеристики срабатывания.

«Срабатывание защиты» - термин, используемый применительно к действию устройства защиты, в результате которого происходит отправка сигнала на выключатели, который заставляет их размыкать свои коммутационные контакты.

Уровень техники - насыщение измерительных ТТ

Опыт эксплуатации быстродействующих дифференциальных защит, реализованных в микропроцессорных устройствах релейной защиты, выявил факты их неправильной работы, которые приводили иногда к серьезным авариям. Правильная работа устройства релейной защиты определяется не только аппаратным и программным обеспечением, но также зависит от возможностей датчика тока - измерительного ТТ. На текущий момент наиболее используемые измерительные ТТ (99%) это трансформаторы тока индуктивные с замкнутым магнитопроводом. Для измерительных ТТ на электромагнитном принципе характерна проблема их насыщения в переходных режимах апериодической составляющей тока КЗ. После возникновения аварийного режима (внутреннего КЗ или внешнего КЗ) измерительный ТТ трансформирует ток правильно лишь в течение небольшого интервала времени (t_нас), после чего ряд причин приводит к тому, что измерительный ТТ насыщается, что приводит к ложной информации о мгновенных значениях измеряемого тока. На фиг. 1 показано искажение сигнала основной гармоники вторичного тока измерительного ТТ вследствие его насыщения. Насыщение измерительного ТТ приводит к уменьшению амплитуды и искажению фазового угла. Погрешности могут быть настолько велики, что могут вызвать существенную задержку в срабатывании устройства защиты при внутренних КЗ (потеря быстродействия) или ложному действию устройства защиты на отключение защищаемого объекта от энергосистемы (потеря селективности). Потери быстродействия и селективности недопустимы, так как ведут к выходу из строя дорогостоящего оборудования, либо к перерыву в электроснабжении большого количества потребителей. Из вышесказанного следует, что насыщение измерительного ТТ является основным источником нарушения правильной работы устройства защиты в переходных режимах.

Уровень техники - нормативные документы, касающиеся работы устройства защиты при насыщении измерительного ТТ

В России отсутствовали нормативные документы, регламентирующие обязательное наличие в технических характеристиках устройств релейной защиты величин, которые бы характеризовали работу устройств релейной защиты при коротких замыканиях, в том числе, при возникновении апериодической составляющей тока КЗ. В настоящее время появился ряд нормативных документов ([5], [6], [7], [8], [9]) с требованиями к работе устройств релейной защиты в переходных режимах, сопровождающихся насыщением измерительных ТТ. Так, в качестве технической характеристики микропроцессорного устройства релейной защиты должно быть указано «минимально необходимое время достоверного измерения величины тока», при котором обеспечивается правильная работа быстродействующих защит, реализованных в устройстве релейной защиты, в переходных режимах, сопровождающихся насыщением измерительного ТТ. Дополнительно появилось требование в качестве технической характеристики указывать время срабатывания быстродействующих защит. При этом теперь регламентированы ограничения в отношении времени срабатывания, а именно при переходе внешнего КЗ во внутреннее КЗ в условиях наличия насыщения измерительного ТТ время срабатывания быстродействующих защит на отключение (без учета времени срабатывания выходного реле) должно составлять не более 60 мс.

В итоге, введение указанных выше дополнительных технических характеристик устройств защиты направлено на обеспечение требования селективности, в том числе и в режиме, сопровождающемся насыщением измерительного ТТ, и требования быстродействия при отключении внутренних КЗ, которые возникли, в том числе и в результате перехода внешнего КЗ во внутреннее КЗ в условиях наличия насыщения измерительного ТТ.

Уровень техники - характеристика срабатывания

Дифференциальный способ защиты с торможением основан на сравнении абсолютных величин дифференциального тока Iдиф с тормозным током Iторм. Дифференциальный ток действует на отключение поврежденного защищаемого объекта, а тормозной ток противодействует этому отключению. При использовании дифференциального способа защиты с торможением ([1], стр. 18-21), применяют характеристику срабатывания ([1], стр. 25-26). Иногда ее называют характеристикой отключения или тормозной характеристикой.

На фиг. 2 показана типичная характеристика срабатывания (схематично).

В координатной плоскости характеристики срабатывания, где дифференциальный ток соответствует оси ординат, а тормозной ток соответствует оси абсцисс, расположен график функции Iдиф=ƒ(Iторм), который называется графиком характеристики срабатывания. График характеристики срабатывания делит координатную плоскость на область внутреннего КЗ, при котором происходит срабатывание защиты, и на область внешнего КЗ, при которой не происходит срабатывание защиты. Для построения разных участков графика характеристики срабатывания используют выражение Iдиф=Кт⋅Iторм, где Кт - коэффициент торможения, который выбирается исходя из условий надежной отстройки действия защиты от небаланса при внешнем КЗ и достаточной чувствительности защиты при внутреннем КЗ.

Далее по тексту используется только термин «характеристика срабатывания», который используется в отношении графика характеристики срабатывания, расположенного в координатной плоскости характеристики срабатывания, и областей, образованных в этой координатной плоскости над графиком и под графиком.

Производители устройств определяют свои функции Iдиф=ƒ(Iторм), коэффициенты и уставки, в соответствии с которыми определяется характеристика срабатывания. Характеристика срабатывания вносится в алгоритм работы устройства защиты. Все данные, касающиеся характеристики срабатывания, определенные производителем, вносятся в перечень технических характеристик устройства защиты.

Характеристика срабатывания пригодна для защищаемых объектов с односторонним и многосторонним питанием

Уровень техники - рабочие точки на характеристике срабатывания

Защищаемые объекты, у которых больше двух плеч (присоединений), называются многоплечие. В них для формирования дифференциального тока используются токи всех плеч. Дифференциальный ток Iдиф вычисляется как геометрическая (векторная) сумма токов всех плеч. Для трехплечего защищаемого объекта:

На фиг. 3 показана схема трехобмоточного силового трансформатора с внутренним КЗ (К31). Трехобмоточный силовой трансформатор имеет три плеча 1, 2, 3. На фиг. 4 показаны осциллограммы токов (I_1.A, I_2.A, I_3.A) плеч 1, 2, 3 для фазы А трехобмоточного силового трансформатора при внутреннем КЗ без насыщения измерительных ТТ и с насыщением одного измерительного ТТ в плече 1 и осциллограмма дифференциального тока Iдиф для фазы А.

Тормозной ток I_торм вычисляется как арифметическая сумма токов всех плеч. Для трехплечего защищаемого объекта:

Для вычисления Iдиф и Iторм используют токи основных гармоник.

Вычисленные Iдиф и Iторм определяют координаты рабочей точки на характеристике срабатывания (фиг. 2). Если рабочая точка (Iдиф; Iторм) находится выше графика характеристики срабатывания, то делают вывод о наличии внутреннего КЗ. Если рабочая точка (Iдиф; Iторм) находится ниже графика характеристики срабатывания, то делают вывод о наличии внешнего КЗ.

Изменение координат рабочей точки (траектория передвижения рабочих точек во времени) из области «внешнего КЗ» в область «внутреннего КЗ» характеристики срабатывания не всегда обозначает переход внешнего КЗ во внутреннее КЗ, а может сигнализировать о насыщении измерительного ТТ ([1], стр. 51-53).

Наиболее тяжелые условия для работы защиты возникают, когда насыщается измерительный ТТ одного из плеч защищаемого объекта, в то время как измерительные ТТ других плеч работают без насыщения.

На фиг. 5 показана схема трехобмоточного силового трансформатора с внешним КЗ (К32). На фиг. 6 показаны осциллограммы токов (I_1.A, I_2.A, I_3.A) плеч 1, 2, 3 для фазы А трехобмоточного силового трансформатора при внешнем КЗ без насыщения измерительных ТТ и с насыщением одного измерительного ТТ в плече 1. На осциллограмме дифференциального тока Iдиф для фазы А видно, что при внешнем КЗ без насыщения измерительного ТТ (Iдиф ≈ 0). В то же время при насыщении измерительного ТТ в плече 1 дифференциальный ток в некоторые моменты времени имеет значения сходные со значениями дифференциального тока при внутреннем КЗ (смотри осциллограмму Iдиф на фиг. 4). Следовательно, по местонахождению рабочей точки на характеристике срабатывания в переходных режимах, сопровождающихся насыщением измерительных ТТ, нельзя сделать достоверного вывода о местонахождении тока КЗ.

Описание аналогов

В устройстве защиты, выпускаемой фирмой АВВ, в дифференциальном способе защиты с торможением используют метод повышения порога срабатывания защиты (US 10243351 В2, RU 2580934 С1). Так, при внутреннем КЗ используют заданную производителем характеристику срабатывания. Если же обнаружено внешнее КЗ, то характеристика срабатывания изменяется, в частности снижается ее чувствительность к внешним КЗ.

В устройстве защиты, выпускаемой фирмой Siemens, в дифференциальном способе защиты с торможением используют встроенный в алгоритм защиты индикатор насыщения (дополнительная логика), который фиксирует факт насыщения ТТ для того, чтобы заблокировать дальнейшую работу защиты при внешнем КЗ ([1], стр. 51-53) и (WO 2008/025309 А1). Время блокировки покрывает время, за которое другие устройства защиты отключат внешнее КЗ (максимум 100 мс).

Описание прототипа для первого и второго способов защиты

Известен способ дифференциальной защиты в системе электроснабжения (US 10871513 В2, SIEMENS AG). В основе известного способа лежит задача создания способа, позволяющего избирательно отличать внешнее КЗ от внутреннего КЗ даже в случае возникновения насыщения измерительного ТТ и генерировать с высокой достоверностью сигнал об отключении при внутреннем КЗ. Известный способ основан на понимании того, что в начале внутреннего КЗ или внешнего КЗ обычно присутствует маленький промежуток времени (t_нас), когда измерительные ТТ работают без насыщения. В течение этого промежутка времени измеряют значения тока. Эти значения тока достоверно отображают состояние защищаемого объекта. Используют эти достоверные значения тока для вычисления дифференциального и тормозного токов. Эти вычисленные значения дифференциального и тормозного тока затем используются для формирования расчетных значений дифференциального и тормозного токов, которые ожидают в будущем в период насыщения измерительного ТТ.

Известный способ дифференциальной релейной защиты для защищаемого объекта, расположенного в многофазной сети переменного тока, включает следующие этапы для каждой фазы сети системы электроснабжения:

(а) определения характеристики срабатывания;

(b) первого измерения значения тока основной гармоники как минимум в двух плечах защищаемого объекта для чего используют измерительные ТТ, ограничивающие зону защиты, в которой находится защищаемый объект;

(с) первого вычисления значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(d) определения наличие тока КЗ в зоне защиты или наличие тока КЗ вне зоны защиты по координатам первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(е) отправка сигнала на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от системы электроснабжения при наличии тока КЗ в зоне защиты.

При этом этапы (а) - (е) соответствуют аварийному режиму, в котором измерительный ТТ работают без насыщения.

При этом используют значения тока первого измерения и соответственно вычисленные первые значения дифференциального и тормозного тока для оценки ожидаемого будущего профиля значений дифференциального тока и тормозного тока с помощью математических операций. После чего определяют наличие тока КЗ в зоне защиты или наличие тока КЗ вне зоны защиты на характеристике срабатывания по рассчитанным координатам заданного количества рабочих точек на характеристике срабатывания.

К недостатку известного способа можно отнести, что его решение об отключении выключателей принимается на основании полученных математическим путем предполагаемых будущих значений дифференциального и тормозного токов, определяющих рабочие точки на характеристике срабатывания. Способ не предполагает повторных измерений, которые могли бы скорректировать прогнозируемые значения или подтвердить переход аварийного режима в нормальный режим.

Известный способ принят в качестве прототипа для первого и второго заявляемых способов, так как содержит наибольшее количество одинаковых признаков с заявляемыми способами и направлен на достижение такого же технического результата. К тому же в его основе лежит тот же принцип, что и в предложенных способах, а именно принцип того, что в начале аварийного режима присутствует маленький промежуток времени (t_нас), когда измерительные ТТ работают без насыщения. Измеренные в этот промежуток времени достоверные (эталонные) значения тока можно использовать для оценки будущих измеренных значений тока на предмет их изменения по сравнению с достоверными значениями тока.

Сущность изобретений

Техническая проблема заключается в обеспечении правильной работы устройств релейной защиты в переходных режимах, сопровождающихся насыщением измерительных ТТ.

Технический результат достигается тем, что предложены способы дифференциальных защит, которые отвечают требованиям селективности и быстродействия не только в промежуток времени после начала короткого замыкания, когда измерительные ТТ работают без насыщения, но и после этого промежутка времени, когда измерительные ТТ насыщаются, т.е. на всем промежутке времени существования аварийного режима.

В первом изобретении это достигается тем, что предложен способ дифференциальной релейной защиты для двуплечего защищаемого объекта с двухсторонним питанием, расположенного в многофазной сети переменного тока, включает следующие этапы для каждой фазы сети энергосистемы:

(а) определяют характеристику срабатывания дифференциальной защиты;

(b) проводят первое измерение значения тока и значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта для чего используют измерительные ТТ, ограничивающие зону защиты, в которой находится защищаемый объект;

(с) проводят первое вычисление значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(d) определяют наличие тока КЗ в зоне защиты или наличия тока КЗ вне зоны защиты по координатам первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(е) отправляют сигнал на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от энергосистемы при наличии тока КЗ в зоне защиты;

(g) при наличии тока короткого замыкания вне зоны защиты повторяют измерения значения тока и значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта до тех пор, пока не будет зафиксировано изменение направления токов в по меньшей мере одном из плеч, при этом изменение направления токов в плече зафиксируют тогда, когда разность фазовых углов Δϕ между фазовым углом первого измерения и фазовым углом повторного измерения для одного и того же плеча составит больше 90 градусов;

(h) в случае, если на этапе (g) зафиксировано изменение направления токов в по меньшей мере одном из плечей, используют измеренные в этот момент времени значения токов основной гармоники в каждом из плеч для вычисления значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания;

(k) в случае, если координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания подтвердили наличие тока КЗ в зоне защиты отправляют сигнал на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от энергосистемы.

Все этапы первого способа защиты осуществляют в микропроцессорном устройстве релейной защиты или в микропроцессорных устройствах релейной защиты, обменивающихся между собой данными о токах посредством оптоволоконной связи.

Во втором изобретении это достигается тем, что предложен способ дифференциальной релейной защиты для многоплечего защищаемого объекта, расположенного в многофазной сети переменного тока, включающий следующие этапы для каждой фазы сети энергосистемы:

(а) определяют характеристику срабатывания дифференциальной защиты;

(b) проводят первое измерение значения тока и значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта для чего используют измерительные ТТ, ограничивающие зону защиты, в которой находится защищаемый объект;

(с) проводят первое вычисление значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(d) определяют наличие тока КЗ в зоне защиты или наличия тока КЗ вне зоны защиты по координатам первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(е) отправляют сигнал на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от электроэнергетической системы при наличии тока КЗ в зоне защиты;

(g) при наличии тока короткого замыкания вне зоны защиты повторяют измерения значения тока и значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта для того, чтобы зафиксировать обнуление значения тока или для того, чтобы зафиксировать изменение направления токов в по меньшей мере одном из плеч, при этом изменение направления токов в плече зафиксируют тогда, когда разность фазовых углов Δϕ между фазовым углом первого измерения и фазовым углом повторного измерения для одного и того же плеча составит больше 90 градусов;

(h) в случае, если на этапе (g) зафиксировано обнуление значения тока или изменение направления токов в по меньшей мере в одном плече, используют измеренные в этот момент времени значения токов в каждом из плеч для вычисления значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания;

(k) в случае, если координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания подтвердили наличие тока короткого замыкания в зоне защиты, отправляют сигнал на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от энергосистемы.

Все этапы второго способа защиты осуществляют в микропроцессорном устройстве релейной защиты или в микропроцессорных устройствах релейной защиты, обменивающихся между собой данными о токах посредством оптоволоконной связи.

Во втором способе защиты на этапе (g), который относится к действиям при токе КЗ вне зоны защиты, возможно определение плеч, через которые протекает этот ток КЗ, для чего рассчитывают коэффициент (K_n) доли тормозного тока для каждого плеча,

где n - соответствующее плечо защищаемого объекта,

I_n - действующее значение тока основной гармоники в плече n, измеренное измерительным ТТ на этапе (b), Iторм - значение тормозного тока, вычисленного на этапе (с), и при условии, что для плеча kn≥20%, считают что через это плечо протекает ток КЗ, и затем этап (h) и этап (k) проводят по отношению к плечам, через которые протекает ток КЗ.

Перечень фигур

Фиг. 1 смотреть в разделе «Уровень техники - насыщение измерительных ТТ».

Фиг. 2 смотреть в разделе «Уровень техники - характеристика срабатывания».

Фиг. 3-6 смотреть в разделе «Уровень техники - рабочие точки на характеристике срабатывания».

Фиг. 7 - схематичная иллюстрация двуплечего защищаемого объекта с односторонним питанием и с внутренним КЗ.

Фиг. 8 - схематичная иллюстрация двуплечего защищаемого объекта с односторонним питанием и с внешним КЗ.

Фиг. 9 и фиг. 10 блок-схема способа защиты для фазы А для двуплечего защищаемого объекта с односторонним питанием.

Фиг. 11 - схематичная иллюстрация двуплечего защищаемого объекта с двухсторонним питанием с внутренним КЗ, в которой реализован первый способ защиты.

Фиг. 12 - схематичная иллюстрация двуплечего защищаемого объекта с двухсторонним питанием с внешним КЗ, в которой реализован первый способ защиты.

Фиг. 13 и фиг. 14 - блок-схема первого способа для фазы А для двуплечего защищаемого объекта с двухсторонним питанием.

Фиг. 15 - схематичная иллюстрация многоплечего защищаемого объекта, в которой реализован второй способ защиты.

Фиг. 16 и фиг. 17 - блок-схема второго способа защиты для фазы А для многоплечего защищаемого объекта.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретений

Прежде чем перейти к описанию способа защиты многоплечего защищаемого объекта стоит рассмотреть базовые способы защиты для двуплечего защищаемого объекта, которые совместно использованы при защите многоплечего защищаемого объекта.

Двуплечий защищаемый объект с одним источником тока показан на фиг. 7 и фиг. 8. Защищаемый объект 4 является частью энергосистемы 5. Защищаемый объект 4 имеет первое плечо 6 и второе плечо 7. Измерительные ТТ расположены в каждом плече (п) защищаемого объекта пофазно (т.е. в каждой фазе многофазной сети переменного тока). Измерительный ТТ 8, расположен в фазе А первого плеча 6. Измерительный ТТ 9 расположен в фазе А второго плеча 7. Все измерительные ТТ ограничивают зону защиты, которая контролируется устройством защиты 10. В зоне защиты расположен защищаемый объект 4 или зона защиты сама является защищаемым объектом (для случая линий и шин). В данном случае в качестве защищаемого объекта 4 показан двухобмоточный силовой трансформатор. Сигналы переменных токов с измерительных ТТ поступают в устройство защиты 10, где в модулях ввода аналоговых сигналов тока происходит измерение числовых значений величин тока, которые передаются для обработки в микропроцессор.

На фиг. 7 показано короткое замыкание (КЗ1) в зоне защиты (внутреннее КЗ). На фиг. 8 показано короткое замыкание (КЗ2) вне зоны защиты (внешнее КЗ). За положительное направление токов I₁ и I₂ плеч 6 и 7 принято направление токов в сторону защищаемого объекта.

Характеристика срабатывания для двухобмоточного силового трансформатора определена производителем устройства защиты 10 и внесена в перечень технических характеристик устройства защиты 10. Функция графика характеристики срабатывания, коэффициенты и уставки внесены в алгоритм работы устройства защиты 10.

Устройство защиты 10 обнаруживает внутреннее КЗ или внешнее КЗ.

В случае если обнаружено внутреннее КЗ устройство защиты 10 отправляет сигнал на отключение выключателей 11 и 12 чтобы отключить защищаемый объект 4 от энергосистемы 5.

Если же обнаружено внешнее КЗ, то в устройстве защиты 10 происходит контроль:

- за переходом аварийного режима в нормальный режим;

- за переходом внешнего КЗ во внутреннее КЗ.

Со стороны измерительного ТТ 8 показан источник переменного тока 13. Со стороны измерительного ТТ 9 показана нагрузка 14.

В данном способе рассматривается внешнее КЗ только со стороны измерительного ТТ 9, со стороны которого находится нагрузка 14.

Способ представлен в виде блок-схемы (фиг. 9 и фиг. 10), на которой буквенное обозначение блока соответствует буквенному обозначению этапа, описанного в этом разделе описания (не соответствует буквенному обозначению этапа в формуле изобретения).

Способ работает пофазно, т.е. независимо для каждой фазы (А, В, С) многофазной сети. Для всех фаз способ работает одинаково. Поэтому блок-схема и этапы способа даются в отношении одной фазы, например фазы А.

Этап а. Осуществляют первое измерение действующего значения тока I1t1 в первом плече 6, для чего используют измерительный ТТ 8, со стороны которого находится источник тока 13, и действующего значение тока I2t1 во втором плече 7, для чего используют измерительный ТТ 9, со стороны которого находится нагрузка 14. Для измерения токов используют токи основных гармоник в момент времени t1.

Этап b. Осуществляют первое вычисление :

- Вычисляют значение дифференциального тока Iдиф.t1 в момент времени t1 как модуль суммы векторов действующих значений токов основных гармоник:

где

- вектор действующего значения тока первого плеча в относительных единицах;

- вектор действующего значения тока второго плеча в относительных единицах.

- Вычисляют значение тормозного тока Iдиф.t1 в момент времени t1.

как сумму модулей векторов действующих значений токов основных гармоник:

Этап с: Проверяют по вычисленным значениям нормальный или аварийный режим работы. Дифференциальный ток отсутствует (Iдиф≈0) при нормальном режиме или в аварийном режиме, а именно в режиме внешнего КЗ без насыщения измерительного ТТ ([1], стр. 21, 25). Для того, чтобы определиться с нормальным режимом добавляют второе условие - уставка начала аварийного режима. При выполнении этих двух условий можно сделать вывод, что энергосистема работает в нормальном режиме. В этом случае происходит переход к этапу а.

В случае внешнего КЗ дифференциальный ток остается маленьким

, в то время как ток торможения Iторм сразу же увеличивается ([1], на стр. 19 таблица для случая внешнего КЗ при одно- и двухстороннего питании).

В случае внутреннего КЗ оба тока одновременно увеличиваются ([1], на стр. 19 таблица для случая внутреннего КЗ при одностороннем питании).

Следовательно, если хоть одно из условий не выполнено, то делается вывод о возникновении аварийного режима, что является условием перехода в характеристику срабатывания (переход к этапу d).

Этап d: Определение координат первой рабочей точки на характеристике срабатывания (смотреть фиг. 2).

При внутреннем КЗ ток I2 во втором плече отсутствует, поэтому дифференциальный ток и тормозной ток будут равны току I1 в первом плече . Следовательно, первая рабочая точка попадет в область «Внутреннее КЗ» ([1], на стр. 20 рис. 3.7 характеристика повреждения при одностороннем питании) и защита классифицирует режим как внутреннее КЗ, что является условием перехода к этапу е.

Если первая рабочая точка попадает в область «Внешнее КЗ», то защита классифицирует режим как внешнее КЗ, что является условием перехода к этапу h.

Этап e: Защита срабатывает на отключение защищаемого объекта от энергосистемы. Для этого устройство защиты подаст сигнал (команду) на отключение выключателей.

В отношении описанных выше этапов a-d следует сделать следующие выводы:

- Вычисления которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания, соответствуют известной дифференциальной защите с торможением, которую используют другие производители устройств защиты.

- Первое измерение значений токов на этапеосуществляют в промежуток времени до насыщения измерительных ТТ, т.е. Следовательно, эти значения токов являются достоверными. Затем, эти достоверные значения токов используют для вычисления на этапе b. Это позволяет получить правдивую информацию о состоянии энергосистемы. Следовательно, на промежутке времени до насыщения измерительных ТТ защита отвечает требованиям селективности и быстродействия.

Далее описаны этапы способа защиты, которые осуществляют в условиях возможного насыщения измерительных ТТ.

Этап h: Проводят повторное измерение действующего значения тока I1,t2 в первом плече 6 и действующее значение тока I2,t2 во втором плече 7. Для измерения значений токов I1,t2 и I2,t2 используют токи основных гармоник в момент времени t2. Момент времени t2 соответствует любому моменту времени, который следует за этапом d.

Этап m: Повторно вычисляют значения дифференциального тока Iдиф.t2 в момент времени t2. Повторно вычисляют значение тормозного тока Iторм.t2 в момент времени t2.

Этап n: Проверяют возможность устранения внешнего КЗ (). Если внешнее КЗ устранилось, переходят в этап a. Если внешнее КЗ не устранилось, переходят к этапу p.

Этап p: Контролируют переход внешнего КЗ во внутреннее КЗ.

Следует помнить, что на этапе d защита в момент времени t1 классифицировала режим, как внешнее КЗ, следовательно значение действующего тока I2 во втором плече 7, измеренное измерительным ТТ 9, со стороны которого находится нагрузка 14, не равнялось нулю . Повторяют измерения до того момента времени, пока не будет зафиксировано обнуление значения действующего тока I2 во втором плече. В данном примере это обнуление произошло в момент времени t2. Это является признаком того, что в момент времени t2 внешнее КЗ перешло во внутреннее КЗ. Для того, чтобы был сделан гарантированный вывод о переходе внешнего КЗ во внутреннее КЗ, факт обнуления значения тока I2 дополняют еще одной проверкой, а именно характеристикой срабатывания, для чего переходят к этапу q.

Если ток I2 во втором плече 7 не обнулился в момент времени t2 происходит переход к этапу h, который зацикливает процесс повторных измерений значений токов в первом и втором плечах до тех пор, пока ток I2 во втором плече 7 не обнулиться.

Этап q: Определение координат второй рабочей точки на характеристике срабатывания (смотреть фиг. 2).

Известно, что при одностороннем питании в случае внутреннего КЗ оба тока одновременно увеличиваются ([1], на стр. 19 таблица для случая внутреннего КЗ при одностороннем питании). При внутреннем КЗ ток I2 во втором плече отсутствует, поэтому дифференциальный ток и тормозной ток будут равны току I1 в первом плече Следовательно, вторая рабочая точка попадет в область «Внутреннее КЗ» ([1], на стр. 20 рис. 3.7 характеристика повреждения при одностороннем питании).

Положительное выполнение двух условий (этап p и этап q) является условием для того, чтобы защита сработала на отключение защищаемого объекта от энергосистемы (переход в этап e).

Следует отметить, что этап с и этап n направлены на подтверждение нормального режима или на подтверждение аварийного режима и могут быть выполнены по другим критериям, или с использованием других уставок, или дополнены другими методами (например, методами на основе анализа гармонических составляющих токов), которые не раскрываются в данной заявке.

Осуществление способа защиты для двуплечего защищаемого объекта с двумя источниками тока.

Двуплечий защищаемый объект с двумя источниками тока показан на фиг. 11 и фиг. 12. Схемы на фиг. 11 и фиг. 12 повторяет схемы на фиг. 7 и фиг. 8, с той лишь разницей, что вместо нагрузки 14 со стороны второго измерительного ТТ 9 находится второй источник питания 15. На фиг. 11 показано короткое замыкание (КЗ1) в зоне защиты (внутреннее КЗ). На фиг. 12 показано короткое замыкание (КЗ2) вне зоны защиты (внешнее КЗ). За положительное направление токов I1 и I2 плеч 6 и 7 принято направление токов в сторону защищаемого объекта.

Способ представлен в виде блок-схемы (фиг. 13 и фиг. 14), на которой буквенное обозначение блока соответствует буквенному обозначению этапа, описанного в этом разделе описания (не соответствует буквенному обозначению этапа в формуле изобретения).

Способ работает пофазно, т.е. независимо для каждой фазы (А, В, С) многофазной сети. Для всех фаз способ работает одинаково. Поэтому блок-схема и этапы способа даются в отношении одной фазы, например фазы А.

Этап а. Через установленные в первом и втором плечах измерительные ТТ осуществляют первое измерение следующих величин:

- Действующего значения токов I1,t1 и I2t1 основных гармоник в первом и втором плечах в момент времени t1.

- Значения фазовых углов токов основных гармоник в первом и втором плечах в момент времени t1.

Этап b. Осуществляют первое вычисление :

- Вычисляют значение дифференциального тока Iдиф.t1 в момент времени t1 как модуль суммы векторов действующих значений токов основных гармоник:

где

- вектор действующего значения тока первого плеча в относительных единицах;

- вектор действующего значения тока второго плеча в относительных единицах.

- Вычисляют значение тормозного тока Iторм.t1 в момент времени t1 как сумму модулей векторов действующих значений токов основных гармоник:

Этап с: Проверяют по вычисленным значениям нормальный или аварийный режим работы. Дифференциальный ток отсутствует при нормальном режиме или в аварийном режиме, а именно в режиме внешнего КЗ без насыщения измерительного ТТ ([1], стр. 21, 25). Для того, чтобы определиться с нормальным режимом добавляют второе условие - уставка начала аварийного режима. При выполнении этих двух условий можно сделать вывод, что энергосистема работает в нормальном режиме. В этом случае происходит переход к этапу а.

В случае внешнего КЗ дифференциальный ток остается маленьким , в то время как ток торможения Iторм. увеличивается ([1], на стр. 19 таблица для случая внешнего КЗ при одно- и двухстороннем питании). В случае внутреннего КЗ дифференциальный ток Iдиф. увеличивается, тогда как тормозной ток остается маленьким ([1], на стр. 19 таблица для случая внутреннего КЗ при двухстороннем питании). Следовательно, если хоть одно из условий не выполнено, то делается вывод о возникновении аварийного режима, что является условием перехода в характеристику срабатывания (переход к этапу d).

Этап d: Определение координат первой рабочей точки в координатной плоскости характеристики срабатывания (смотреть фиг. 2).

Если первая рабочая точка, координаты которой определены вычисленными значениями , попадает в область «Внутреннее КЗ», то защита классифицирует режим как внутреннее КЗ, что является условием перехода к этапу е.

Если первая рабочая точка попадает в область «Внешнее КЗ», то защита классифицирует режим как внешнее КЗ, что является условием перехода к этапу h.

Этап е: Защита срабатывает на отключение защищаемого объекта от энергосистемы. Для этого устройство защиты подаст сигнал (команду) на отключение выключателей.

В отношении описанных выше этапов a-e следует сделать следующие выводы:

- Вычисления , которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания, соответствуют известной дифференциальной защите с торможением, которую используют другие производители устройств защиты.

- Первое измерение значений токов на этапе a осуществляют в промежуток времени до насыщения измерительных ТТ, т.е. Следовательно, эти значения токов являются достоверными. Затем, эти достоверные значения токов используют для вычисления на этапе b. Это позволяет получить правдивую информацию о состоянии энергосистемы. Следовательно, в промежутке времени до насыщения измерительных ТТ защита отвечает требованиям селективности и быстродействия.

- Последующие измеренные значения тока могут быть искажены вследствие насыщения измерительных ТТ. Это приведет к неверным значениям , что, в свою очередь, может привести к тому, что рабочая точка ложно окажется в области «Внутреннего КЗ» характеристики срабатывания. Следовательно, последующая работа дифференциального способа защиты не будет отвечать требованию селективности, что приведет к неправильной работе устройства защиты.

Поэтому далее описаны этапы способа защиты, направленные на решение задачи обеспечения селективности дифференциальной защиты в условия насыщения измерительных ТТ.

Этап h: Повторяют измерения следующих величин в момент времени t2:

- Действующих значений токов I1t2, I2t2 основных гармоник в первом и втором плечах;

- Значений фазовых углов токов основных гармоник в первом и втором плечах.

Момент времени t2 соответствует любому моменту времени за этапом d.

Этап m: Повторяют вычисления значения дифференциального тока Iдиф.t2 и значение тормозного тока Iторм.t2 в момент времени t2.

Этап n: Проверяют возможность устранения внешнего КЗ Если внешнее КЗ устранилось, переходят в этап а. Если внешнее КЗ не устранилось, переходят к этапу p.

Этап p: Контролируют переход внешнего КЗ во внутреннее КЗ по изменению направления токов в по меньшей мере одном из плеч. Для этого для каждого плеча вычисляют разность фазовых углов Δϕn токов:

где - значение фазового угла, измеренного в момент времени t1 для плеча (n); - значение фазового угла, измеренного в момент времени t2 для плеча (n), в котором в момент времени t1 было измерено значение фазового угла .

Известно [3, 4], что угловая погрешность (δ) измерительного ТТ при насыщении лежит в интервале от 0 до 90 градусов, т.е. угловая погрешность (δ) не может быть больше 90 градусов. Если величина разности фазовых углов Δϕ составляет больше 90 градусов это является показателем того, что токи в плече, измеряемые одним и тем же измерительным ТТ в разные моменты времени t1 и t2, поменяли направление. Фиксация изменения направления токов в по меньшей мере одном плече может служить показателем того, что КЗ переместилось из точки вне зоны действия защиты в зону действия защиты (т.е. внешнее КЗ перешло во внутреннее КЗ).

Например, для второго плеча 7 (фиг. 11, 12):

, это означает, что в момент времени t2 зафиксировали переход внешнего КЗ (КЗ2) во внутреннее КЗ (КЗ1).

Здесь следует отметить, что для вычисления разностей фазовых углов токов используют достоверные значения фазовых углов токов, измеренных в момент времени t1, когда измерительные ТТ работают без насыщения. Измеренные значения фазовых углов в период времени, когда измерительные ТТ работают без насыщения, являются достоверными (эталонными) значения фазовых углов. Далее их используют для того, чтобы оценить изменения фазовых углов токов, измеренных в период времени, когда измерительные ТТ работают с насыщением.

Также следует отметить, что критерий фиксации изменения направления токов для контроля перехода внешнего КЗ во внутреннее КЗ рассматривается в отношении плеч с источниками переменного тока. В данном случае этот критерий можно использовать по отношению к первому и второму плечу.

Однако, изменение направления тока в плече не всегда является показателем перехода внешнего КЗ во внутреннее КЗ и может быть обусловлено другими причинами. Поэтому для того, чтобы был сделан гарантированный вывод о переходе внешнего КЗ во внутреннее КЗ, этот факт дополняют еще одной проверкой, а именно характеристикой срабатывания. Поэтому, если хоть в одном из двух плеч зафиксировано изменение направления токов, происходит переход к этапу q.

Если величина разности фазовых углов Δϕ составляет меньше 90 градусов, то считается, что эта разность обусловлена погрешностью измерительного ТТ и изменение режима не произошло. В этом случае происходит переход к этапу h.

Этап q. Определение координат второй рабочей точки на характеристике срабатывания (смотреть фиг. 2). Для определения координат второй рабочей точки используют значение дифференциального тока Iдиф и значение тормозного тока Iторм, которые вычисляют из действующих значений токов I1 и I2, измеренных в момент времени t2, когда зафиксировали изменение направления токов в по меньшей мере одном из плеч. Если рабочая точка ) попала в область «Внутреннее КЗ», то положительное выполнение двух условий (этап p «изменение направления токов» и этап q «попадание в область внутреннего КЗ») является показателем того, что рабочая точка попала в область «Внутреннее КЗ» не вследствие насыщения измерительного ТТ, а вследствие того, что внешнее КЗ перешло во внутреннее КЗ.

Положительные выполнения двух условий (этап p и этап q) является условием для того, чтобы защита сработала на отключение защищаемого объекта от энергосистемы (переход в этап e).

Если рабочая точка попала в область «Внешнее КЗ», то переходят к этапу s.

В отношении описанных выше этапов h-q можно сделать выводы:

- Предложены отличительные от известных действия дифференциальной защиты, которые позволяют достоверно диагностировать внутреннее КЗ даже в период времени, когда измерительные ТТ работают с насыщением, т.е. выполняется требование селективности дифференциальной защиты.

- Предложены отличительные от известных действия, которые осуществляются в период времени возможного насыщения измерительных ТТ, т.е. работа дифференциальной защиты не блокируется в этот период времени. Следовательно, достигается наименьшее время срабатывания защиты при внутреннем КЗ, т.е. выполняется требование быстродействия дифференциальной защиты.

Этап s: Повторяют измерения следующих величин в момент времени t3:

- Действующих значений токов основных гармоник в первом и втором плечах;

- Значений фазовых углов токов основных гармоник в первом и втором плечах.

Момент времени t3 соответствует любому моменту времени за этапом q.

Этап w: Повторно вычисляют значения дифференциального Iдиф.t3 в момент времени t3. Повторно вычисляют значение тормозного тока Iторм.t3 в момент времени t3.

Этап x: Проверяют возможность устранения внешнего КЗ Если внешнее КЗ устранилось, переходят в этап а. Если внешнее КЗ не устранилось, переходят к этапу q. По сути, цикл этапов q-x приводит либо к переходу внешнего КЗ в нормальный режим (переход в режим а) или переход внешнего КЗ во внутреннее КЗ, который приведет к срабатыванию защиты (переход в режим e).

Следует отметить, что этап с, этап n и этап x направлены на подтверждения нормального режима или на подтверждение аварийного режима, могут быть выполнены по другим критериям, или с использованием других уставок, или дополнены другими методами (например, методами на основе анализа гармонических составляющих токов), которые не раскрываются в данной заявке, так как не являются предметом заявляемого способа и не влияют на технический результат.

Осуществление способа защиты для многоплечего защищаемого объекта

Многоплечий защищаемый объект 16 показан на фиг. 15. Защищаемый объект 16 является частью энергосистемы 17. Защищаемый объект 16 имеет первое плечо 18, второе плечо 19 и третье плечо 20. Измерительные ТТ расположены в каждом плече (n) защищаемого объекта пофазно (т.е. в каждой фазе многофазной сети переменного тока). Измерительный ТТ 21, расположен в фазе А первого плеча 18. Измерительный ТТ 22 расположен в фазе А второго плеча 19. Измерительный ТТ 23 расположен в фазе А третьего плеча 20. Все измерительные ТТ ограничивают зону защиты, которая контролируется устройством защиты 24. В зоне защиты расположен защищаемый объект 16 или зона защиты сама является защищаемым объектом (для случая линий и шин). В данном случае в качестве защищаемого объекта 16 показан трехобмоточный силовой трансформатор. Сигналы переменных токов с измерительных ТТ поступают в устройство защиты 24, где в модулях ввода аналоговых сигналов тока происходит измерение числовых значений величин тока, которые передаются для обработки в микропроцессор.

На фиг. 15 показано короткое замыкание (КЗ1) в зоне защиты (внутреннее КЗ) и короткое замыкание (КЗ2) вне зоны защиты (внешнее КЗ). За положительное направление токов I1, I2 и I3 плеч 18, 19 и 20 принято направление токов в сторону защищаемого объекта.

Характеристика срабатывания для трехобмоточного силового трансформатора определена производителем устройства защиты 24 и внесена в перечень технических характеристик устройства защиты 24. Функция графика характеристики срабатывания, коэффициенты и уставки внесены в алгоритм работы устройства защиты 24.

Устройство защиты 24 обнаруживает внутреннее КЗ или внешнее КЗ.

В случае если обнаружено внутреннее КЗ устройство защиты 24 отправляет сигнал на отключение выключателей 25, 26 и 27 чтобы отключить защищаемый объект 16 от энергосистемы 17.

Если же обнаружено внешнее КЗ, то в устройстве защиты 24 происходит контроль:

- за переходом аварийного режима в нормальный режим;

- за переходом внешнего КЗ во внутреннее КЗ.

В устройство защиты 24 не вносятся данные об устройствах (нагрузка или источник тока), которые находятся со стороны измерительного ТТ вне зоны защиты, поэтому на фиг. 15 не показаны нагрузки или источники тока. Суть способа защиты для многоплечего защищаемого объекта состоит в том, чтобы совместно использовать ранее описанные способы защиты, а именно способ для двуплечего защищаемого объекта с одним источником тока и нагрузкой и способ для двуплечего защищаемого объекта с двумя источниками тока.

Способ представлен в виде блок-схемы (фиг. 16 и фиг. 17), на которой буквенное обозначение блока соответствует буквенному обозначению этапа, описанного в этом разделе описания (не соответствует буквенному обозначению этапа в формуле изобретения).

Способ работает пофазно, т.е. независимо для каждой фазы (А, В, С) многофазной сети. Для всех фаз способ работает одинаково. Поэтому блок-схема и этапы способа даются в отношении одной фазы, например фазы А.

Этап а. Через установленные в первом, втором и третьем плечах измерительные ТТ осуществляют первое измерение следующих величин:

- Действующего значения токов основных гармоник в первом, втором и третьем плечах в момент времени t1.

- Значения фазовых углов токов основных гармоник в первом, втором и третьем плечах в момент времени t1.

Этап b. Осуществляют первое вычисление:

- Вычисляют значение дифференциального тока Iдиф.t1 в момент времени t1 как модуль суммы векторов действующих значений токов основных гармоник:

где

- вектор действующего значения тока первого плеча в относительных единицах;

- вектор действующего значения тока второго плеча в относительных единицах;

- вектор действующего значения тока третьего плеча в относительных единицах;

- Вычисляют значение тормозного тока Iторм.t1 в момент времени t1 как сумму модулей векторов действующих значений токов основных гармоник:

Этап с: Проверяют по вычисленным значениям нормальный или аварийный режим работы. Дифференциальный ток отсутствует (Iдиф≈0) при нормальном режиме или в аварийном режиме, а именно в режиме внешнего КЗ без насыщения измерительного ТТ ([1], стр. 21, 25). Для того, чтобы определиться с нормальным режимом добавляют второе условие - уставка начала аварийного режима. При выполнении этих двух условий можно сделать вывод, что энергосистема работает в нормальном режиме. В этом случае происходит переход к этапу а.

Если хоть одно из условий не выполнено, то делается вывод о возникновении аварийного режима, что является условием перехода в характеристику срабатывания (переход к этапу d).

Этап d: Определение координат первой рабочей точки на характеристике срабатывания (смотреть фиг. 2).

Если первая рабочая точка , координаты которой определены вычисленными значениями , попадает в область «Внутреннее КЗ», то защита классифицирует режим как внутреннее КЗ, что является условием перехода к этапу е.

Если первая рабочая точка попадает в область «Внешнее КЗ», то защита классифицирует режим как внешнее КЗ, что является условием перехода к этапу f.

Этап е: Защита срабатывает на отключение защищаемого объекта от энергосистемы. Для этого устройство защиты подаст сигнал (команду) на отключение выключателей.

Этап f: Определяют плечи защищаемого объекта, через которые протекает ток внешнего КЗ. Для этого для каждого плеча рассчитывается коэффициент доли тормозного тока, протекающего через это плечо.

Если для измерительного ТТ в плече (n) в момент времени t1 коэффициент доли тормозного тока , то этот измерительный ТТ относят к измерительному ТТ, через который протекает ток внешнего КЗ. В отношении этих измерительных ТТ рассмотренные далее методы, направленные на фиксацию перехода внешнего КЗ во внутреннее КЗ, дают гарантированный результат. Для измерительных ТТ для которых , рассмотренные далее методы не гарантируют переход внешнего КЗ во внутреннее КЗ, поскольку в них могут идти другие физические процессы.

Этап g: Сохраняют информацию о всех плечах (n), через которые протекает ток внешнего КЗ.

В отношении описанных выше этапов a-d следует сделать следующие выводы:

- Вычисления , которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания, соответствуют известной дифференциальной защите с торможением, которую используют другие производители устройств защиты.

- Первое измерение значений токов на этапе a осуществляют в промежуток времени до насыщения измерительных ТТ, т.е. . Следовательно, эти значения токов являются достоверными. Затем, эти достоверные значения токов используют для вычисления на этапе b. Это позволяет получить правдивую информацию о состоянии энергосистемы. Следовательно, в промежутке времени до насыщения измерительных ТТ защита отвечает требованиям селективности и быстродействия.

- Последующие измеренные значения тока могут быть искажены вследствие насыщения измерительных ТТ. Это приведет к неверным значениям , что, в свою очередь, может привести к тому, что рабочая точка ложно окажется в области «Внутреннего КЗ» характеристики срабатывания. Следовательно, последующая работа дифференциального способа защиты не будет отвечать требованию селективности, что приведет к неправильной работе устройства защиты. Поэтому далее описаны действия способа защиты, направленные на решение задачи обеспечения селективности дифференциальной защиты в условия насыщения измерительных ТТ.

Этап h: Повторяют измерения в момент времени t2 следующих величин:

- Действующих значений токов основных гармоник в первом, втором и третьем плечах;

- Значений фазовых углов токов основных гармоник в первом, втором и третьем плечах.

Момент времени t2 соответствует любому моменту времени за этапом g.

Этап m: Повторно вычисляют значения дифференциального тока Iдиф.t2 в момент времени t2. Повторно вычисляют значение тормозного тока Iторм.t2 в момент времени t2.

Этап n: Проверяют возможность устранения внешнего КЗ . Если внешнее КЗ устранилось, переходят в этап а. Если внешнее КЗ не устранилось, переходят к этапу p.

Этап p: Контролируют переход внешнего КЗ во внутреннее КЗ по изменению направления токов в по меньшей мере одном из плеч защищаемого объекта. Этот контроль осуществляют в отношении плеч, через которые протекает ток внешнего КЗ (сохраненных на этапе g). Для этого для каждого плеча вычисляют разность фазовых углов Δϕn токов:

где - значение фазового угла, измеренного в момент времени t1 для плеча (n);

- значение фазового угла, измеренного в момент времени t2 для плеча (n), в котором в момент времени t1 было измерено значение фазового угла .

Известно [3, 4], что угловая погрешность (δ) измерительного ТТ при насыщении лежит в интервале от 0 до 90 градусов, т.е. угловая погрешность (δ) не может быть больше 90 градусов. Если величина разности фазовых углов Δϕ составляет больше 90 градусов это является показателем того, что токи в этом плече, измеряемые одним и тем же измерительным ТТ в разные моменты времени t1 и t2, поменяли направление. Фиксация изменения направления токов в по меньшей мере одном плече может служить показателем того, что КЗ переместилось из точки вне зоны действия защиты в зону действия защиты (т.е. внешнее КЗ перешло во внутреннее КЗ).

Например, для первого плеча 18 (фиг. 15):

это означает, что в момент времени t2 зафиксировали переход внешнего КЗ (КЗ2) во внутреннее КЗ (КЗ1).

Здесь следует отметить, что для вычисления разностей фазовых углов токов используют достоверные значения фазовых углов токов, измеренных в момент времени t1, когда измерительные ТТ работают без насыщения. Измеренные значения фазовых углов в период времени, когда измерительные ТТ работают без насыщения, являются достоверными (эталонными) значения фазовых углов. Далее их используют для того, чтобы оценить изменения фазовых углов токов, измеренных в период времени, когда измерительные ТТ работают с насыщением.

Однако, изменение направления тока в измерительном ТТ не всегда является показателем перехода внешнего КЗ во внутреннее КЗ и может быть обусловлено другими причинами. Поэтому для того, чтобы был сделан гарантированный вывод о переходе внешнего КЗ во внутреннее КЗ, этот факт дополняют еще одной проверкой, а именно характеристикой срабатывания. Поэтому, если в по меньшей мере одном из сохраненных плеч зафиксировано изменение направления токов (Δϕ>90), происходит переход к этапу q.

Если значение разности фазовых углов Δϕ токов в каждом из сохраненных плеч составило меньше 90 градусов, то переходят к этапу z Этап z: Контролируют перехода внешнего КЗ во внутреннее КЗ по обнулению тока в по меньшей мере одном из плеч защищаемого объекта. Этот контроль осуществляют в отношении плеч, через которые протекает ток внешнего КЗ (сохраненных на этапе g).

На этом этапе контролируют значения действующих токов In в каждом из плеч. Если в по меньшей мере одном из плеч в момент времени t2 зафиксировано обнуление действующего значения тока , то это может быть признаком того, что в момент времени t2 внешнее КЗ перешло во внутреннее КЗ. Термин «обнуление значения тока» говорит о том, что значение тока , измеренное в момент времени t1 для плеча (n), уменьшилось до нуля. Поскольку нуля в измерениях не бывает, в качестве уровня обнуления используют значение, которое не превышает, например, 5% от тормозного тока.

Для того, чтобы был сделан гарантированный вывод о переходе внешнего КЗ во внутреннее КЗ, факт обнуления значения тока In дополняют еще одной проверкой, а именно характеристикой срабатывания, для чего переходят к этапу q.

Здесь следует отметить, что последовательность выполнения этапа p и этапа z, на которых проверяется «изменение направления токов» и «обнуление тока», может быть различной, тогда как обязательная проверка каждого из плеч, через которые протекает ток внешнего КЗ (сохранены на этапе g), на эти два критерия обязательна.

Если критерии «изменения направления токов» и «обнуление тока» не подтвердились ни для одного из плеч, через которые протекает ток внешнего КЗ (сохранены на этапе g), происходит переход к этапу h для продолжения измерений значений токов и фазовых углов в каждом из плеч.

Этап q: Определение координат второй рабочей точки на характеристике срабатывания (смотреть фиг. 2). Для определения координат второй рабочей точки используют значение дифференциального тока Iдиф и значение тормозного тока Iторм, которые вычисляют из действующих значений токов , измеренных в момент времени t2. Момент времени t2 соответствует моменту времени, в который зафиксировали либо изменение направления токов (Δϕ>90), либо зафиксировали обнуление действующего значения тока .

Если рабочая точка попала в область «Внутреннее КЗ», то защита сработает на отключение защищаемого объекта от энергосистемы (переход в этап e).

Положительное выполнение двух условий (этапа p «изменение направления токов» и этапа q «попадание в область внутреннего КЗ») или положительное выполнение двух условий (этапа z «обнуление тока» и этапа q «попадание в область внутреннего КЗ») является показателем того, что рабочая точка попала в область «Внутреннее КЗ» не вследствие насыщения измерительного ТТ, а вследствие того, что внешнее КЗ перешло во внутреннее КЗ.

Если рабочая точка попала в область «Внешнее КЗ», то переходят к этапу s.

В отношении описанных выше этапов h-q можно сделать следующие выводы:

- Предложены отличительные от известных действия дифференциальной защиты, которые позволяют достоверно диагностировать внутреннее КЗ даже в случае насыщения измерительных ТТ, т.е. выполняется требование селективности дифференциальной защиты.

Предложены отличительные от известных действия, которые осуществляют в период времени возможного насыщения измерительных ТТ, т.е. работа дифференциальной защиты не блокируется в этот период времени. Следовательно, достигается наименьшее время срабатывания защиты при внутреннем КЗ, т.е. выполняется требование быстродействия дифференциальной защиты.

Этап s: Повторно измеряют в момент времени t3 следующие величины тока:

- Действующие значения токов основных гармоник в первом, втором и третьем плечах;

- Значения фазовых углов токов основных гармоник в первом, втором и третьем плечах.

Моменту времени t3 соответствует любое время, которое следует за моментом времени фиксации «изменения направления токов» или фиксации «обнуления тока» в любом из плеч, через которые протекает ток внешнего КЗ.

Этап w: Повторно вычисляют значения дифференциального тока Iдиф.t3 в момент времени t3. Повторно вычисляют значение тормозного тока Iторм.t3 в момент времени t3.

Этап x: Проверяют возможность устранения внешнего КЗ Если внешнее КЗ устранилось, переходят в этап а. Если внешнее КЗ не устранилось, переходят к этапу q. По сути, цикл этапов q-x приводит либо к переходу внешнего КЗ в нормальный режим (переход в режим а) или переход внешнего КЗ во внутреннее КЗ, который приведет к срабатыванию защиты (переход в режим е).

Следует отметить, что этап с, этап n и этап x направлены на подтверждения нормального режима или на подтверждение аварийного режима, могут быть выполнены по другим критериям, или с использованием других уставок, или дополнены другими методами (например, методами на основе анализа гармонических составляющих токов), которые не раскрываются в данной заявке, так как не являются предметом заявляемого способа и не влияют на технический результат.

Специалистам в данной отрасли понятно, что приведенные выше примеры для осуществления первого и второго способов защиты могут быть осуществлены по-другому, но при этом не выходя за пределы объема прав по заявляемым изобретениям.

Список литературы

1. Цифровая дифференциальная защита. Принципы и область применения, Герхард Циглер. - перевод с англ. / под ред. Дьякова А.Ф. - М: Знак. 2008, стр. 8, 10, 14, 16, 18-22, 25-26, 51-53.

2. Основы техники релейной защиты, М.А. Беркович, В.В. Молчанов, В.А. Семенов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984, стр. 220-221.

3. Метод расчета токовой и угловой погрешностей трансформатора тока при глубоком насыщении сердечника, К.С. Дмитриев и др. // журнал Электричество, издательство «Энергия», 1967 г, №12 - С. 39-43. Точный адрес журнала: https://www.booksite.ru/elektr/1967/1967_12.pdf

4. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты, Е.П. Королев, Э.М. Либерзон // Москва, Энергия, 1980 - С. 20.

5. Правила технологического функционирования электроэнергетических систем, утвержденные постановлением Правительства РФ №937 от 13 августа 2018 г. // пункт 128.

6. Приказ №101 от 13 февраля 2019 г. Об утверждении требований к оснащению линий электропередачи и оборудования объектов электроэнергетики классом напряжения 110 кВ и выше устройствами и комплексами релейной защиты и автоматики, а также к принципам функционирования устройств и комплексов релейной защиты и автоматики, Министерство энергетики Российской Федерации // пункт 46.

7. ГОСТ Р 70358-2022, Релейная защита и автоматика. Требования к работе устройств релейной защиты линий электропередачи классом напряжения 110 кВ и выше в переходных режимах, сопровождающихся насыщением трансформаторов тока // пункт 4.3 и пункт 5 (а).

8. ГОСТ Р 58669-2019, Релейная защита. Трансформаторы тока измерительные индуктивные с замкнутым магнитопроводом для защиты. Методические указания по определению времени до насыщения при коротких замыканиях, Москва, Стандартинформ, 2020 г.

9. СТО 56947007-29.120.70.241-2017, Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА, Стандарт организации, ПАО «ФСК ЕЭС», 2017 г. // пункты 1.10-1.12 на странице 35.

Изобретения относятся к энергетике, а именно к способам дифференциальной релейной защиты. Технический результат заключается в обеспечении правильной работы устройств релейной защиты в переходных режимах, сопровождающихся насыщением измерительных трансформаторов тока (далее измерительных ТТ). Технический результат достигается тем, что предложены способы релейной защиты, которые отвечают требованиям селективности и быстродействия не только в промежуток времени после начала короткого замыкания, когда измерительные ТТ работают без насыщения, но и после этого промежутка времени, когда измерительные ТТ насыщаются, т.е. на всем промежутке времени существования аварийного режима. Для этого на промежутке времени, когда измерительные ТТ работают без насыщения, используют характеристику срабатывания (фиг. 2), а на промежутке времени, когда измерительные ТТ насыщаются, контролируют в плечах защищаемого объекта изменение направления токов или обнуление действующего значения тока. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Способ дифференциальной релейной защиты для двуплечего защищаемого объекта с двухсторонним питанием, расположенного в многофазной сети переменного тока, включает следующие этапы для каждой фазы сети электроэнергетической системы:

(а) определения характеристики срабатывания дифференциальной защиты;

(b) первого измерения значения тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта, для чего используют измерительные трансформаторы тока, ограничивающие зону защиты, в которой находится защищаемый объект;

(с) первого вычисления значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(d) определения наличия тока короткого замыкания в зоне защиты или наличия тока короткого замыкания вне зоны защиты по координатам первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(е) отправки сигнала на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от электроэнергетической системы при наличии тока короткого замыкания в зоне защиты;

отличающийся тем, что

(f) на этапе (b) дополнительно проводят первое измерение значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта, для чего используют измерительные трансформаторы тока;

(g) при наличии тока короткого замыкания вне зоны защиты повторяют измерения значения тока и значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта до тех пор, пока не будет зафиксировано изменение направления токов в по меньшей мере одном из плеч, при этом изменение направления токов в плече зафиксируют тогда, когда разность фазовых углов Δϕ между фазовым углом первого измерения и фазовым углом повторного измерения для одного и того же плеча составит больше 90 градусов;

(h) в случае, если на этапе (g) зафиксировано изменение направления токов в по меньшей мере одном из плеч, используют измеренные в этот момент времени значения токов основной гармоники в каждом из плеч для вычисления значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания;

(k) в случае, если координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания подтвердили наличие тока короткого замыкания в зоне защиты, отправляют сигнал на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от электроэнергетической системы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все этапы осуществляют в микропроцессорном устройстве релейной защиты или в микропроцессорных устройствах релейной защиты, обменивающихся между собой данными о токах посредством оптоволоконной связи.

3. Способ дифференциальной релейной защиты для многоплечего защищаемого объекта, расположенного в многофазной сети переменного тока, включающий следующие этапы для каждой фазы сети электроэнергетической системы:

(а) определения характеристики срабатывания дифференциальной защиты;

(b) первого измерения значения тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта, для чего используют измерительные трансформаторы тока, ограничивающие зону защиты, в которой находится защищаемый объект;

(с) первого вычисления значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(d) определения наличия тока короткого замыкания в зоне защиты или наличия тока короткого замыкания вне зоны защиты по координатам первой рабочей точки на характеристике срабатывания;

(е) отправки сигнала на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от электроэнергетической системы при наличии тока короткого замыкания в зоне защиты;

отличающийся тем, что

(f) на этапе (b) дополнительно проводят первое измерение значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта, для чего используют измерительные трансформаторы тока;

(g) при наличии тока короткого замыкания вне зоны защиты повторяют измерения значения тока и значения фазового угла тока основной гармоники в каждом плече защищаемого объекта для того, чтобы зафиксировать обнуление значения тока или для того, чтобы зафиксировать изменение направления токов в по меньшей мере одном из плеч, при этом изменение направления токов в плече зафиксируют тогда, когда разность фазовых углов Δϕ между фазовым углом первого измерения и фазовым углом повторного измерения для одного и того же плеча составит больше 90 градусов;

(h) в случае, если на этапе (g) зафиксировано обнуление значения тока или изменение направления токов в по меньшей мере в одном плече, используют измеренные в этот момент времени значения токов в каждом из плеч для вычисления значения дифференциального тока и значения тормозного тока, которые определяют координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания;

(k) в случае, если координаты второй рабочей точки на характеристике срабатывания подтвердили наличие тока короткого замыкания в зоне защиты, отправляют сигнал на отключение одного или нескольких выключателей с целью отключения зоны защиты от электроэнергетической системы.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что его осуществляют в микропроцессорном устройстве релейной защиты или в микропроцессорных устройствах релейной защиты, обменивающихся между собой данными о токах посредством оптоволоконной связи.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, на этапе (g), который относится к действиям при коротком замыкании вне зоны защиты, определяют плечи, через которые протекает ток короткого замыкания, для чего рассчитывают коэффициент (k_n) доли тормозного тока для каждого плеча,

где n - соответствующее плечо защищаемого объекта,

I_n - действующее значение тока основной гармоники в плече n, измеренное измерительным трансформатором тока на этапе (b), I_торм - значение тормозного тока, вычисленного на этапе (с), и при условии, что для плеча k_n≥20%, считают, что через это плечо протекает ток короткого замыкания, и затем этап (h) и этап (k) проводят по отношению к тем плечам, через которые протекает ток короткого замыкания.