Инвариантная защита электротехнических комплексов от однофазных замыканий на землю с автоматической коррекцией входных параметров
 Скачать 2.59 Mb.
|
|
4.1. Структурная схема и реализация комплекса инвариантной защиты от ОЗЗ отдельных присоединений Для экспериментального исследования эффективности действия инвариантной токовой защиты с автоматической коррекцией сигнала тока нулевой последовательности защищаемой лини, на основе функциональной схемы на рисунке 3.3, был разработан комплекс защиты от ОЗЗ, структурная схема которого представлена на рисунке 4.1. Представленный комплекс защиты от ОЗЗ может быть использован в качестве индивидуальной защиты каждого отходящего от секции шин присоединения. Рисунок 4.1 - Структурная схема аппаратно-программного комплекса инвариантной защиты от однофазных замыканий на землю На рисунке 4.1 обозначены 1 - блок аналоговых входов 2- аналого- цифровой преобразователь (АЦП 3- микропроцессор (МП); 4- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ 5- постоянное запоминающее устройство ПЗУ 6 - блок управления 7 - системный интерфейс 8 - блок логических входов/выходов; 9 – блок выходных реле. Блок аналоговых входов позволяет осуществлять ввод сигналов от измерительных трансформаторов напряжения и тока нулевой последовательности и представляет собой набор промежуточных трансформаторов напряжения и тока л 101 (ПТН, ПТТ), обеспечивающих согласование уровней входных сигналов с внутренними цепями устройства и гальваническое разделение входных цепей. Номинальный уровень входных сигналов, поступающих на блок аналоговых входов должен составлять для ПТН – 100 В, для ПТТ – 5 А. Количество промежуточных трансформаторов напряжения и тока в структуре комплекса защиты от ОЗЗ соответствует функциональной схеме инвариантной защиты на рисунке 3.3 и составляет два ПТН по измерительным каналам напряжения для ввода линейного напряжения сети и напряжения нулевой последовательности сети, а также один ПТТ потоковому измерительному каналу – для ввода тока нулевой последовательности защищаемой линии. Преобразование сигнала с входных аналоговых цепей в цифровой код осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП, разрядность которого должна составлять не менее 12 бит для обеспечения высокой точности преобразования сигнала [35]. Снижение влияния высших гармонических составляющих на надежность срабатывания защиты может быть достигнуто с использованием фильтра высших гармоник [79]. Выполнением вычислительно-логических операций, которые предусмотрены в разработанном алгоритме действия защиты, управляет модуль микроконтроллера, содержащий в своем составе микропроцессор, ПЗУ, ОЗУ, интерфейсы местной связи и связи с верхним уровнем автоматизированной системы управления. В качестве микропроцессора в комплексе инвариантной защиты использовался микропроцессор ATmega8 (рисунок 4.2) фирмы Atmel AVR [20]. Микроконтроллер выполняет следующие основные функции - обработку измеренных величин в соответствии с алгоритмом действия защиты - формирование выходных управляющих сигналов с помощью блока логических выходов - выполнение вычислительно-логических операций, которые предусмотрены в разработанном алгоритме действия защиты 102 - управление интерфейсами связи. Рисунок 4.2 - Внешний вид микропроцессора ATmega8 Блок выходных реле предназначен для управления коммутационными аппаратами, установленными на защищаемых линиях и цепями сигнализации. Блока управления, осуществляющий конфигурирование работы защиты и отображение текущего ее состояния, содержит в своем составе - графический мини-дисплей, выполняющий функцию отображения вводимых уставок и сигналов состояния аппаратно-программного комплекса защиты - клавиатуру, предназначенную для ввода уставок комплекса защиты и проведение контрольных проверок исправности устройства. На основе структурной схемы и с учетом рекомендаций по разработке аппаратной части комплекса инвариантной защиты от ОЗЗ с автоматической коррекцией сигнала тока нулевой последовательности была выполнена его реализация на микропроцессорных элементах (рисунок 4.3). На рисунке 4.3 обозначены 1 – ПТТ; 2, 3 – ПТН по каналу линейного напряжения и напряжения нулевой последовательности 4 – промежуточный трансформатор, необходимый для согласования уровня напряжения питания комплекса защиты 5 – клавиатура 6 – графический мини-дисплей; 7 – индикатор состояния контактов выходного реле защиты 8 – выходное реле защиты. 103 Рисунок 4.3 - Аппаратно-программный комплекс инвариантной защиты от ОЗЗ с автоматической коррекцией сигнала тока нулевой последовательности Все элементы аппаратно-программного комплекса защиты от ОЗЗ установлены на печатной плате (рисунке 4.4), которая размещена в корпусе из пластмассы и оргстекла, размером 220х150х30 и имеющем класс защиты IP 54. Питание аппаратно-программного комплекса защиты осуществляется от сети переменного напряжения 220 В, которое при помощи согласующего трансформатора, делителя напряжения и элемента выпрямления преобразуется к уровню, необходимому для работы микропроцессорной части защиты. Рисунок 4.4 - Печатная плата аппаратно-программного комплекса защиты 1 2 3 4 5 6 7 8 104 Для разработки программного обеспечения аппаратно-программного комплекса инвариантной защиты от ОЗЗ использовалась система программирования Horizont-Configurator для микропроцессора Atmega 8 на языке FBD (Function Block Diagram) [20]. Разработанная программа комплекса защиты позволяет выполнять все необходимые действия по сбору и обработке данных в соответствии с алгоритмом работы защиты, а также анализ полученных результатов. Микропроцессор Atmega 8 выполняет логические операции с измеренными величинами, контролируемыми для целей защиты в соответствии с разработанным алгоритмом действия. В нормальном режиме работы электрической сети сигнал по напряжению нулевой последовательности, возникающий в результате различного рода несимметрий в сети поступает на пусковой орган, где сравнивается с уставкой на пропускание сигнала. Ввиду того, что уставка по напряжению выбрана исходя из условия отстройки от небалансов, запуск алгоритма коррекции произведен не будет. При возникновении однофазного замыкания на землю величина сигнала напряжения нулевой последовательности превысит уставку на пропускание сигнала и пусковой орган защиты генерирует управляющий сигнал в виде логической единицы на каналы измерения сигналов фазного напряжения сети и тока нулевой последовательности. Алгоритм действия защиты предусматривает выполнение математических операций, включая вычисление коэффициента неполноты замыкания на землю путем деления сигналов напряжения нулевой последовательности и фазного напряжения сети и вычисление скорректированного сигнала тока нулевой последовательности, вычисленного путем деления сигнала тока нулевой последовательности на величину коэффициента неполноты замыкания на землю. Логический элемент защиты осуществляет операцию сравнения скорректированного сигнала тока нулевой последовательности с величиной сигнала уставки на срабатывание устройства защиты, при превышении которой модуль генерирует сигнал в виде логической единицы вцепи управления и диспетчеризации. 105 Рисунок 4.5 - Сигнал нарушения целостности вторичных цепей инвариантной защиты от ОЗЗ Необходимо отметить, что разработанная программа действия защиты предусматривает контроль состояния вторичных цепей устройства защиты ив случае возникновения нарушения целостности подключений генерирует сигнал в виде НЕТ рисунок 4.5). Разработанный аппаратно-программный комплекс инвариантной защиты от ОЗЗ, реализующий алгоритм автоматической коррекции сигнала тока нулевой последовательности защищаемой линии с учетом степени неполноты замыкания на землю позволяет выполнить экспериментальные исследования инвариантности действия защиты в условиях вариации переходного сопротивления вместе повреждения. 4.2. Исследование инвариантности действия аппаратно-программного комплекса защиты отдельных присоединений в условиях вариации переходного сопротивления вместе повреждения Оценка инвариантности действия аппаратно-программного комплекса защиты от ОЗЗ при различной степени неполноты замыкания на землю проводились на физической модели сети, структурная схема которой представлена на рисунке 4.6. 106 Рисунок 4.6 - Структурная схема физической модели сети с аппаратно- программным комплексом инвариантной защиты от ОЗЗ Из рисунка 4.6 видно, что физическая модель сети содержит - трехфазный источник питания с изолированной нейтралью напряжением 380 В - одну отходящую линию, емкости которой представлены сосредоточенными параметрами относительно земли - коммутационную аппаратуру выключатель и ключ для имитации режима ОЗЗ; - измерительную аппаратуру измерительный трансформатор напряжения ТН – для контроля линейного напряжения и напряжения нулевой ТТНП А Rп Сл ТН 380 В QF1 QF2 i 0 u 0 u л u пит 220 В 107 последовательности сети, трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП) и амперметр А для контроля тока ОЗЗ; - активное сопротивление п переменной величины. Экспериментальные исследования инвариантности действия аппаратно- программного комплекса защиты в условиях вариации переходного сопротивления вместе повреждения выполнялись следующим образом. На основе анализа емкостей С Л отходящей линии был определен ток замыкания на землю в режиме металлического ОЗЗ, значение которого с учетом коэффициента трансформации ТТНП составило 160 мА, что позволило выбрать уставку на срабатывание аппаратно-программного комплекса защиты. В цепь контура тока замыкания на землю вводилось переходное сопротивление п, варьируемое в диапазоне 24 , 0 00014 , 0 * n R , и регистрировались основные сигналы, характеризующие работу комплекса защиты [53, 54, 57]. Результаты измерений представлены в таблице 4.1. Таблица 4.1. Экспериментальные данные, полученные на физической модели сети в результате исследований инвариантности действия аппаратно-программного комплекса защиты от ОЗЗ В , 0 А I з , ) 1 ( * п R , о.е. мА I , 0 п мА I скор , 0 110 4,8 0,00014 160 1 160 101 4,4 0,027 146 0,92 159 97 4,2 0,047 141 0,88 161 89 3,9 0,068 129 0,81 160 83 3,6 0,097 119 0,75 159 67 2,9 0,133 98 0,61 161 39 1,7 0,23 55 0,35 159 где з - ток однофазного замыкания на землю 0 I - ток нулевой последовательности защищаемой линии с учетом коэффициента трансформации ТТНП. 108 На рисунке 4.7 представлены зависимости скорректированного сигнала тока нулевой последовательности и тока нулевой последовательности защищаемой линии от переходного сопротивления вместе повреждения. Из рисунка 4.7 следует, что с увеличением переходного сопротивления вместе ОЗЗ ток нулевой последовательности защищаемой линии (экспериментальная характеристика) снижается до значений, при которых не обеспечивается селективное действие токовых защит от замыканий на землю. Однако алгоритм коррекции входных параметров, реализованный в аппаратно-программном комплексе защиты, позволяет осуществить оценку степени неполноты замыкания на землю и последующую автоматическую коррекцию сигнала тока нулевой последовательности защищаемой линии до уровня, соответствующего режиму металлического однофазного замыкания (характеристика скорректированного тока скор, и обеспечить неизменность его значения в условиях вариации переходного сопротивления вместе ОЗЗ. Рисунок 4.7 - Зависимости сигнала тока нулевой последовательности защищаемой линии и скорректированного тока нулевой последовательности от переходного сопротивления вместе ОЗЗ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,24 0,18 0,12 0,06 I * ,о.е. 0 R * ,о.е. п Аналитическая характеристика Экспериментальная характеристика I * 0 I * 0 I * 0скор I уст 0,06 0,12 0,18 0,24 109 Сравнение экспериментальной характеристики с аналитической, построенной с использованием выражения (2.17) позволяет оценить достоверность выполненного экспериментального исследования. Сходимость результатов моделирования и эксперимента не ниже 90 %. Выполненные экспериментальные исследования инвариантности действия при вариации переходного сопротивления в контуре нулевой последовательности позволяют сделать вывод о том, что алгоритм коррекции сигнала тока нулевой последовательности в соответствии со степенью неполноты замыкания на землю обеспечивает неизменность действия аппаратно-программного комплекса защиты от ОЗЗ. 4.3. Разработка аппаратно-программного комплекса групповой инвариантной защиты от однофазных замыканий В аппаратно-программном комплексе инвариантной защиты от ОЗЗ может быть реализован принцип групповой защиты отходящих от секции шин присоединений. На рисунке 4.8 представлена схема распределительной сети с аппаратно- программным комплексом групповой инвариантной защиты от однофазных замыканий на землю, где обозначены ТЗН – трансформатор заземления нейтрали ТН – измерительный трансформатор напряжения QF1, QF2…QFk – автоматические выключатели линий 1, 2 …k; ТТНП, ТТНП2…ТТНПk – трансформаторы тока нулевой последовательности п переходное сопротивление вместе повреждения R N – сопротивление заземляющего резистора I 01 – ток нулевой последовательности поврежденной линии I 02 – ток нулевой последовательности неповрежденной линии I 0k – ток нулевой последовательности k – ой неповрежденной линии U 0 – напряжение нулевой последовательности сети л – линейное напряжение сети. 110 Рисунок 4.8 - Схема распределительной сети с аппаратно-программным комплексом групповой инвариантной защиты от однофазных замыканий на землю R п QF1 QF2 QFk I 01 I 02 I 0k Силовой трансформатор ТТНП1 ТТНП2 ТТНПk Аппаратно-программный комплекс групповой инвариантной защиты от ОЗЗ ТН u л u 0 i 01 i 02 i 0k R N ТЗН I N I уст U уст Нагрузка линии Нагрузка линии Нагрузка линии k 110 111 Согласно рисунку 4.8 на входы аппаратно-программного комплекса групповой инвариантной защиты от ОЗЗ поступают сигналы мгновенных значений токов нулевой последовательности i 01 , i 02 , i 0k и мгновенных значений напряжений нулевой u 0 последовательности и линейного напряжения сети u л Кроме того, входными сигналами аппаратно-программного комплекса групповой инвариантной защиты являются уставки потоку срабатывания и напряжению нулевой последовательности. Уставка на срабатывание защиты уст выбирается для всех присоединений сети одинаковой по выражению (2.21). Функциональная схема аппаратно-программного комплекса групповой инвариантной защиты от ОЗЗ с учетом рисунка 3.3 представлена на рисунке 4.9, из которого следует, что комплекс защиты содержит в своем составе модуль вычисления действующих значений измеренных мгновенных величин токов нулевой последовательности защищаемых линий i 01 , i 02 , i 0k , напряжения нулевой последовательности u 0 и линейного напряжения сети л, представленный отдельными функциональными блоками RMS на каждом измерительном канале защиты пороговый (пусковой) орган защиты ПО с заданной уставкой уст на пропускание сигнала по напряжению нулевой последовательности U 0 ; модуль вычисления фазного напряжения сети МВФ, реализующий операцию л модуль вычисления коэффициента неполноты замыкания на землю МВН, функционирующий в соответствии с выражением (3.3); модули МКТ1, МКТ2, МКТ3 автоматической коррекции измеренных сигналов тока нулевой последовательности I 01 , I 02 , I 0k защищаемых линий, функционирующие в соответствии с выражением (3.4); логические элементы защиты, выполняющий функцию сравнения скорректированных сигналов токов нулевой последовательности всех защищаемых линий с уставкой на срабатывание. Согласно представленному на рисунке 4.10 алгоритму действия аппаратно- программный комплекс групповой инвариантной защиты от ОЗЗ выполняет непрерывное измерение величины действующего значения напряжения нулевой последовательности, которое сигнализирует о появлении в сети однофазного 112 замыкания на землю. Пороговый орган защиты выполняет операцию сравнения величины U 0 с уставкой на пропускание сигнала уст, выбранной исходя из отстройки от различного рода небалансов в электрической сети. Если выполняется условие U 0 ≥ уст, то пороговый орган защиты пропускает сигнал по напряжению нулевой последовательности, что является признаком для запуска системы автоматической коррекции. Модуль МВН позволяет вычислять коэффициент неполноты замыкания на землю. Модули коррекции токов нулевой последовательности осуществляют операцию деления сигналов токов нулевой последовательности защищаемых присоединений на величину коэффициента неполноты замыкания на землю, тем самым повышая их до значения соответствующего металлическому замыканию. Логические элементы защиты выполняют операции сравнения скорректированных токов нулевой последовательности скор, скор, скор с уставкой на срабатывание защиты уст по каждому присоединению ив случае, превышения уставки на срабатывание генерируют сигнал на отключение поврежденной линии. Сигнал тока нулевой последовательности поврежденного присоединения, определяемый суммарным током нулевой последовательности всех отходящих от секции шин неповрежденных линий за вычетом собственного тока нулевой последовательности превысит выбранную уставку, что приведет к срабатыванию логического элемента по каналу поврежденной линии. Учитывая, что в режиме замыкания на землю через переходное сопротивление алгоритм коррекции сигналов токов нулевой последовательности с учетом степени неполноты замыкания позволит повысить уровень сигналов тока всех присоединений до значений, соответствующих режиму металлического замыкания на землю, когда условия селективного действия в результате правильного выбора уставки на срабатывание выполняются, разработанный аппаратно-программный комплекс групповой инвариантной защиты от ОЗЗ позволит селективно выявлять поврежденное присоединение. 113 Рисунок 4.9 - Функциональная схема аппаратно-программного комплекса групповой инвариантной защиты от ОЗЗ |