Релейная защита. УМК. Релейная защита. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения учебнометодический комплекс
 Скачать 12.1 Mb.
|
|
2.3. Структурно-логическая схема дисциплины  2.4. Временной график изучения дисциплины при использовании информационно-коммуникационных технологий
2.5. Практический блок 2.5.1. Практические занятия 2.5.1.1. Практические занятия (очно-заочная форма обучения)
2.5.1.2. Практические занятия (заочная форма обучения)
2.5.2. Лабораторный практикум 2.5.2.1. Лабораторные работы (очно-заочная форма обучения)
2.5.2.2. Лабораторные работы (заочная форма обучения)
2.6. Балльно-рейтинговая система оценки знаний Все этапы изучения дисциплины оцениваются в баллах. Максимальное количество баллов, которое может набрать студент, составляет 100 и указано в нижеследующей таблице.
При прохождении тестов по разделам дисциплины за каждый правильный ответ на тестовый вопрос дается один балл (60 вопросов по 1 баллу). За выполнение лабораторных работ и правильное оформление отчетов по работам дается 12 баллов (6 лабораторных работ по 2 балла). При наличии принципиальных ошибок при выполнении лабораторной работы и оформлении отчета баллы не начисляются. За правильное выполнение практических заданий и оформление отчетов по практическим занятиям дается 15 баллов (3 занятия по 5 баллов). При наличии принципиальных ошибок при выполнении практических занятий и оформлении отчетов по занятиям баллы не начисляются. За правильное выполнение курсовой работы дается 13 баллов. Студент не получает баллов при допущении в работе принципиальных ошибок. Для получения положительной оценки без сдачи экзамена следует набрать: - 70…80 баллов – для оценки «удовлетворительно»; - 81…90 баллов – для оценки «хорошо»; - 91…100 баллов – для оценки «отлично». 3. Информационные ресурсы дисциплины 3.1. Библиографический список Основной: 1. Андреев, В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: учебник для вузов / В.А. Андреев. – М.: Высшая школа, 2008. Дополнительный: 2. Чернобровов, Н.В. Релейная защита энергетических систем: учеб. пособие / Н.В. Чернобровов, В.А. Семенов. – М.: Энергоатомиздат, 2007. 3. Басс, Э.И. Релейная защита электроэнергетических систем: учеб. пособие для вузов / Э.И. Басс, В.Г. Дорогунцев. – М.: МЭИ, 2006. 4. Электроэнергетика: рабочая прогр., задание на курсовую работу. Ч.5. Релейная защита и автоматизация / сост.: С.И. Джаншиев. – СПб.: изд-во СЗТУ, 2006. 3.2. Опорный конспект лекций по дисциплине Введение При эксплуатации систем электроснабжения неизбежны повреждения и ненормальные режимы. Наиболее опасными повреждениями являются короткие замыкания (КЗ). К ненормальным режимам относятся режимы перегрузки оборудования. КЗ возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала и других причин. В большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга, термическое действие которой приводит к разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электрических аппаратов. При КЗ к месту повреждения притекают большие токи (токи КЗ), которые перегревают неповрежденные токоведущие части и могут вызвать дополнительные повреждения, т. е. развитие аварии. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов. Развитие аварий может быть предотвращено быстрым отключением поврежденного участка электрической сети при помощи комплекса специальных автоматических устройств, действующих на отключение выключателей и получивших название релейная защита. Если назначением релейной защиты является в первую очередь отключение оборудования, то в функции электроавтоматики входит его включение. В чистом виде к электроавтоматике относят автоматическое повторное включение (АПВ) и автоматическое включение резервного питания (АВР). Существуют также виды технологической автоматики, например, автоматическое регулирование возбуждения синхронных машин, противоаварийной режимной автоматики, например, автоматическая частотная разгрузка и противоаварийной системной автоматики, например, предотвращение и прекращение асинхронного хода. В современных условиях элементной базой релейной защиты и автоматики становятся микропроцессорные терминалы. При изложении материала дисциплины основное внимание уделено цифровой защите и автоматике. Раздел 1. Общие вопросы релейной защиты В разделе рассматриваются три темы: - назначение и виды релейных защит в системах электроснабжения; - повреждения и ненормальные режимы; - цифровые устройства релейной защиты. Для закрепления теоретического материала по темам этого раздела предусмотрено проведение лабораторной работы «Исследование работы дуговой защиты шкафа КРУ». После проработки теоретического материала следует ответить на вопросы тренировочного теста №1. Правильные ответы на вопросы тренировочных тестов приведены на с. 217. При появлении затруднений по тестовым заданиям следует обратиться к теоретическому материалу [1] или проконсультироваться у преподавателя. При эффективной проработке материала данного раздела можно набрать 12 баллов из 100 возможных. 1.1. Назначение и виды релейных защит в системах электроснабжения Развитие аварий может быть предотвращено с помощью релейной защиты. При отключении поврежденного элемента гаснет электрическая дуга в месте КЗ, прекращается протекание тока КЗ и восстанавливается напряжение на неповрежденной части электрической сети. Благодаря этому минимизируются, или даже совсем предотвращаются повреждения оборудования, на котором возникло КЗ, а также восстанавливается нормальная работа неповрежденного оборудования. Таким образом, основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения КЗ и быстрое автоматическое отключение поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части электрической установки или сети. Кроме повреждений электрического оборудования могут возникать такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью, витковые замыкания в обмотках трансформатора, понижение уровня масла в его расширителе и др. В указанных случаях нет необходимости немедленного отключения оборудования, так как эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут самоустраниться. Поэтому при нарушении нормального режима работы на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом, как правило, достаточно дать предупредительный сигнал персоналу подстанции. На подстанциях без постоянного обслуживающего персонала и в отдельных случаях на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени. Отсюда, вторым назначением релейной защиты является выявление нарушений нормальных режимов работы оборудования, которые могут привести к аварии, и подача предупредительных сигналов обслуживающему персоналу, или отключение оборудования с выдержкой времени. Согласно требованиям Правилам технической эксплуатации (ПТЭ), силовое оборудование электростанций, подстанций и электрических сетей должно быть защищено от КЗ и нарушений нормальных режимов работы устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА). Устройства РЗА должны быть постоянно включены. Свое название релейная защита получила от основного элемента схем защиты – реле. В настоящее время термином реле обозначается широкая группа автоматических приборов и устройств, используемых в релейной защите, автоматике, телемеханике, телефонии и других отраслях техники. В релейной защите термином реле обычно обозначают автоматически действующее устройство, производящее скачкообразное изменение (так называемое релейное действие) в управляющей системе при заданном изменении контролируемых параметров. Так, например, реле максимального тока при увеличении тока в контролируемой цепи до заданного значения, называемого током срабатывания, замыкает своими контактами управляемую цепь. Под устройством релейной защиты подразумевается совокупность реле, приборов и вспомогательных элементов, которые при возникновении повреждений и ненормальных режимов работы оборудования должны действовать на его отключение или на сигнал. Основные виды релейной защиты рассматривались при изучении дисциплины «Электроэнергетика. Часть 2». В данной дисциплине будет рассмотрено применение релейной защиты в системах электроснабжения. 1.2. Повреждения и ненормальные режимы КЗ, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием, как по виду, так и по характеру повреждения.  а) б)  в) г) Рис. 1.1. Виды повреждений Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений, а именно: - как правило, в сетях напряжением выше 1000 В не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственное (или, как говорят, «глухое» или «металлическое») соединение фаз между собой или на землю (для сети с заземленной нейтралью); - не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий электропередачи; - сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми. Основные виды КЗ показаны на рис. 1.1. Междуфазные КЗ – двухфазные и трехфазные – возникают в сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с эффективно заземленной нейтралью. Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывания и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия изоляции испражнениями птиц (аистов), перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др. Методы расчёта токов и напряжений, построение векторных диаграмм при КЗ и обрывах фаз подробно рассмотрены в курсе «Переходные процессы в электроэнергетических системах». 1.3. Цифровые устройства релейной защиты 1.3.1. Основные свойства цифровых защит Цифровые реле защиты, а также многофункциональные терминалы защиты и автоматики обладают многими замечательными свойствами, которые и определяют их преимущество в сравнении с электромеханическими реле. Ниже рассмотрен ряд достоинств и новых возможностей цифровых защит. Самодиагностика. Непрерывная автоматическая самопроверка цифровых реле позволяет персоналу быть уверенным в их исправности и надёжности срабатывания при КЗ. Этим обеспечивается сохранность электрооборудования, устраняется возможность излишних погашений потребителей и, следовательно, ущербов от недоотпуска электроэнергии. Совмещение функций управления, контроля, визуализации и защиты электроустановок в цифровом многофункциональном устройства (терминале) позволяет создавать на их основе нижний уровень автоматических систем управления технологическим процессом систем электроснабжения (АСУ ТП). Ускорение отключения КЗ, достигается использованием различных времятоковых характеристик, трёх ступеней токовых защит, минимальных ступеней селективности по времени (0,15÷0,3 с), ускорением защиты после АПВ, а также выбором двух наборов уставок, автоматически сменяемых при изменении режима системы электроснабжения. Сокращение расходов при создании систем электроснабжения и при их обслуживании. Обеспечение безопасности оперативного персонала за счёт дистанционного обслуживания электроустановок. Из далеко не полного перечня достоинств цифровой РЗА видно, насколько важно ее изучение и практическое освоение. 1.3.2. Структура цифровых устройств релейной защиты Цифровые устройства защиты различного назначения имеют много общего, а их структурные схемы очень похожи и подобны представленной на рис. 1.2. Центральным узлом цифрового устройства является микро-ЭВМ (микропроцессор), которая через свои устройства ввода-вывода обменивается информацией с периферийными узлами. С помощью этих дополнительных узлов осуществляется сопряжение микропроцессора с внешней средой: датчиками исходной информации, объектом управления, оператором и т. д. Следует отметить, что в реальном устройстве защиты может использоваться несколько микропроцессоров, каждый из которых занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия. Например, в сложных защитах высоковольтных линий используется до 10 микропроцессоров, работающих параллельно. Непременными узлами любого цифрового устройства РЗА являются: входные (U1...U4) и выходные (KL1...KLJ) преобразователи сигналов, тракт аналого-цифрового преобразования (U6, U7), кнопки управления и ввода информации от оператора (SB1, SB2), дисплей (Н) для отображения информации и блок питания (U5). Современные цифровые устройства, как правило, оснащаются и коммуникационным портом (X1) для связи с другими цифровыми устройствами. Входные преобразователи. Они обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей от внутренних цепей устройства. Одновременно входные преобразователи осуществляют приведение контролируемых сигналов к единому виду (как правило, к напряжению) и нормированному уровню. Здесь же осуществляется предварительная частотная фильтрация входных сигналов перед их аналого-цифровым преобразованием. Одновременно принимаются меры по защите внутренних элементов устройства от воздействия помех и перенапряжений.  Рис. 1.2. Структурная схема цифрового терминала защиты Различают преобразователи аналоговых (U3, U4) и логических (Ul, U2) входных сигналов. Первые стремятся выполнить так, чтобы обеспечить линейную (или нелинейную, но с известным законом) передачу контролируемого сигнала во всем диапазоне его изменения. Преобразователи логических сигналов, наоборот, стремятся сделать чувствительными только к узкой области диапазона возможного нахождения контролируемого сигнала. Такое исполнение позволяет в ряде случаев избежать неправильного действия устройства РЗА при замыканиях на землю в цепях оперативного тока. Выходные преобразователи. Воздействия реле на объект защиты традиционно осуществляются в виде дискретных сигналов управления. При этом выходные цепи устройства защиты выполняют так, чтобы обеспечить гальваническую развязку коммутируемых цепей, как между собой, так и относительно внутренних цепей устройства защиты. Выходные преобразователи должны обладать соответствующей коммутационной способностью и, в общем случае, обеспечивать видимый разрыв коммутируемой цепи. Тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор (U6) и собственно аналого-цифровой преобразователь – АЦП (U7). Мультиплексор – это электронный коммутатор, поочередно подающий контролируемые сигналы на вход АЦП. Применение мультиплексора позволяет использовать один АЦП для нескольких каналов. В АЦП осуществляется преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорциональную ему цифровую величину. Преобразования выполняются с заданной периодичностью во времени. В последующем, в микропроцессоре по этим выборкам из входных сигналов рассчитываются интегральные параметры контролируемых сигналов – их амплитудные или действующие значения. Блок питания (БП) обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети. Дисплей и клавиатура. Они являются непременными атрибутами любого цифрового устройства, позволяя оператору получать информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию. Надо отметить, что дисплей (Н) и клавиатура (SB1, SB2) в цифровых реле, как правило, реализуются в максимально упрощенном виде: дисплей – цифробуквенный (одна или несколько строк); клавиатура – несколько кнопок. Порт связи с внешними цифровыми устройствами. Достоинством цифровых устройств является возможность передачи имеющейся информации в другие цифровые системы: АСУ ТП, персональный компьютер и т. д., что позволяет интегрировать различные системы, экономя на каналах связи, затратах на предварительную обработку сигналов и т. п. Коммуникационный порт – необходимый элемент для дистанционной работы с данным устройством. Практически вся обработка информации в цифровом реле осуществляется внутри микропроцессора по определенному алгоритму, реализованному в виде программы. Сегодня промышленностью предлагаются десятки разновидностей микропроцессоров и они непрерывно совершенствуются. По этой причине происходит периодическое обновление аппаратной базы в цифровых устройствах РЗА. Входное преобразование аналоговых сигналов. Сигналы, контролируемые устройствами РЗА, имеют, в общем случае, разную физическую природу – токи, напряжения, температура и т. д. Чаще всего устройства защиты работают с сигналами от источников переменного тока и напряжения, с традиционными номинальными уровнями: 1 А, 5 А, 100 В. Такие уровни сигналов обеспечивают необходимую помехозащищенность, но совершенно неприемлемы для обработки в электронных схемах. Использование же датчиков с выходными сигналами, согласованными с требованиями электроники, наталкивается на необходимость либо резко ограничивать длину линий связи, размещая устройства вблизи датчиков информации, либо применять дополнительные меры по их защите от помех, такие как, экранирование. При подключении микропроцессорных устройств к традиционным датчикам тока и напряжения требуется приведение сигналов к единому виду и диапазону изменения, приемлемому для обработки электронными узлами. Наиболее часто входные согласующие преобразователи цифровых устройств выполняют на базе обычных электромагнитных трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Несмотря на то, что такие трансформаторы имеют нелинейные передаточные характеристики, определенный разброс параметров, некоторую нестабильность во времени и при изменении температуры, они все же приемлемы для построения устройств защиты, допускающих работу с погрешностью 25 %. В отдельных цифровых устройствах входные преобразователи выполняются на основе так называемых «активных трансформаторов». Эти преобразователи известны и как преобразователи с датчиками Холла. Их класс точности составляет порядка 0,1, что с запасом удовлетворяет требованиям релейной защиты. В последнее время в связи с появлением электронных устройств со сверхмалым потреблением возрос интерес к датчикам тока типа «катушка Роговского». Измерительная катушка Роговского не имеет ферромагнитного сердечника и располагается вокруг проводника с контролируемым током i(t). Отсутствие в ней нелинейного ферромагнитного сердечника обеспечивает малую погрешность преобразования (в лучших образцах не более 0,1 %) в очень широком диапазоне изменения контролируемых токов (от нуля до сотен килоампер). С помощью катушки Роговского можно измерять токи в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц. Основным ее недостатком является очень малая отдаваемая мощность и низкий уровень выходного сигнала. Однако, несмотря на этот недостаток, катушки Роговского уже начали широко применяться на практике. Тракт аналого-цифрового преобразования. Практически все реально существующие физические явления и процессы описываются аналоговыми сигналами. Аналоговый сигнал непрерывно изменяется во времени и может принимать любые значения в некотором диапазоне, определяемом природой физической величины. Дискретный (цифровой) сигнал может принимать лишь конечное множество значений и определен лишь для конкретных моментов времени. Процесс перехода от аналогового сигнала к дискретному называется дискретизацией или квантованием сигнала, а устройства, выполняющие эту операцию, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Переход от непрерывного сигнала к дискретному всегда происходит с потерей некоторого количества информации. Конечное число градаций дискретного сигнала обусловливает погрешность квантования по уровню, а одной из причин необходимости квантования по времени является то, что и сам процесс аналого-цифрового преобразования и последующий цикл вычислений в микропроцессоре требуют определенного времени, по истечении которого можно делать новую выборку из входного сигнала (рис. 1.3). Он показывает, как из непрерывного аналогового сигнала X(t) (рис. 1.3,а) c помощью АЦП получают ряд квантованных по уровню дискретных значений X*(t), отстоящих друг от друга на интервал дискретизации Δt (рис. 1.3,б), которые используются в дальнейших расчётах. Огибающая выборки X*(t) повторяет в заданном масштабе аналоговый сигнал X(t). Характеризуя АЦП говорят о его разрядности и интервале дискретизации сигнала по времени Δt или частоте выборок fв=1/Δt, или, если речь идет о периодических сигналах с периодом Т,о количестве выборок за период N=fвT. Для точного восстановления первоначального сигнала из его дискретного представления частота выборок должна, по крайней мере, вдвое превышать самую высокочастотную гармоническую составляющую входного сигнала, т. е. fв > 2fmax или N > 2fmaxT.  Рис. 1.3. Аналого-цифровое преобразование сигнала Более того, при аналого-цифровом преобразовании из входного сигнала должны быть исключены все гармоники с частотой, более высокой, чем частота квантования. В противном случае, при восстановлении сигнала появляется разностная составляющая низкой частоты, поэтому на входе АЦП всегда устанавливают аналоговый фильтр нижних частот с полосой пропускания не более fв. В устройствах РЗА применяют АЦП с частотой выборок от 600 Гц до 2000 Гц. Более высокая частота выборок используется в том случае, когда устройство защиты обеспечивает еще и осциллографирование аварийного процесса. Цифровое устройство с частотой выборок 2000 Гц эквивалентно осциллографу с полосой пропускания 01000 Гц. Второй важной характеристикой АЦП является разрядность р формируемого им двоичного числа. Существует однозначная связь между разрядностью АЦП и точностью измерения аналоговой величины. Например, в двухразрядном АЦП на его двух выходах возможно формирование только четырех независимых числовых комбинаций: 00, 01, 10 и 11. Эти числа можно интерпретировать как нахождение входного аналогового сигнала в одном из четырех поддиапазонов, ограниченных 0Xmax. В случае р-разрядного АЦП ступенька квантования при определении уровня сигнала составит Хmах/2р. В энергетике из всех величин в наиболее широком диапазоне изменяется ток. В нормальном режиме работы электроустановки ток находится в пределах (01)Iном, в аварийных режимах достигает (1030)Iном. Для преобразования с погрешностью не более (25)% требуемое число ступеней квантования m должно быть 20004000, т. е. требуется АЦП с разрядностью р = 11, 12. Входные преобразователи дискретных сигналов. Практически во всей современной электронной аппаратуре ввод дискретных сигналов осуществляется через преобразователи на основе оптронов. Выходные релейные преобразователи. Несмотря на очевидные достижения электроники в области коммутации высоких потенциалов и сильных токов в цифровых реле, в большинстве случаев по-прежнему используются промежуточные электромагнитные реле. Контактная пара пока еще остается вне конкуренции как единственное устройство, обеспечивающее видимый разрыв в коммутируемой цепи. К тому же это и самое дешевое решение. Как правило, в цифровых устройствах защиты применяются несколько типов малогабаритных реле: с большей коммутационной способностью – для работы непосредственно в цепях управления выключателей, с меньшей – для работы в цепях сигнализации. Мощные реле способны включать цепи с током порядка 530 А, но их отключающая способность обычно не превосходит 1 А при напряжении 220 В. Таким образом, схема управления высоковольтным выключателем должна предусматривать прерывание тока в цепи электромагнита отключения выключателя его вспомогательным контактом (концевой выключатель). Отключающая способность сигнальных реле обычно не превышает 0,15 А в цепях постоянного тока напряжением 220 В. Средства отображения информации. Требования к средствам визуального отображения информации весьма противоречивы. Это является причиной большого многообразия в части дизайна лицевых панелей цифровых устройств защиты. Для отображения информации в реле используются и отдельные светодиодные индикаторы, и табло, и даже графические экраны. Для простоты будем называть совокупность элементов визуального отображения информации в реле дисплеем. Каким требованиям должен удовлетворять дисплей реле защиты? Очевидно, что он не должен быть дорогим, так как общение человека с реле происходит крайне редко. Дисплей должен обеспечивать быстрое и однозначное представление информации. Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяют простые дисплеи в виде светодиодных индикаторов. С другой стороны, цифровое устройство защиты – это устройство, которое способно предоставить оператору очень большой объем информации: текущие значения токов и напряжений, их аварийные значения, уставки (а их в цифровых реле может быть несколько наборов), состояние входов и выходов управления и т. д. Для оперативного получения такого объема информации требуются соответственно и более информативные дисплеи. На рис. 1.4 представлены некоторые варианты выполнения дисплеев устройств защиты. В комплектных устройствах защиты типа SPAC 800 (рис. 1.4,а) отдельный светодиодный индикатор (или крайний левый разряд цифрового светодиодного табло) указывает на отображаемый параметр, а численное значение этого параметра выводится в трех правых разрядах цифрового табло. Светодиодный дисплей хорошо заметен, особенно в условиях малой внешней освещенности.  а) б) в) Рис.1.4. Варианты дисплеев цифровых устройств защиты Применяются цифробуквенные многострочные дисплеи (рис. 1.4,б), что обеспечивает удобство считывания информации. Такие табло выполняются на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). Основными недостатками ЖКИ-дисплеев являются относительно низкая контрастность изображения и неработоспособность при низких температурах. Однако невысокая стоимость и легкость управления ЖКИ способствуют их широкому применению. Наиболее наглядно информация представляется на графическом дисплее, что в какой-то мере демонстрирует рис. 1.4,в. В последнее время применение в реле сложного дисплея становится менее актуальным. Современные цифровые реле, как правило, предусматривают возможность подключения к компьютеру, и вся необходимая информация может в любой удобной форме быть представлена на привычном дисплее компьютера. Органы местного управления реле. Кнопки управления или клавиатура являются неотъемлемыми элементами связи человека с цифровым устройством. С помощью клавиатуры можно изменить режим работы устройства, вызвать на дисплей интересующие параметры и величины, ввести новые уставки и т. д. Число кнопок, используемых в клавиатурах различных устройств защиты, варьируется от двух до десяти. Чем больше кнопок в клавиатуре, тем удобнее и быстрее можно вводить информацию в устройство. Однако кнопки являются наиболее ненадежными элементами. Поэтому там, где пользоваться клавиатурой приходится крайне редко, стремятся использовать минимальное число кнопок. Минимальное число кнопок клавиатуры, позволяющее вводить любую информацию, равно двум. Работу с двухкнопочной клавиатурой можно ассоциировать с продвижением по кругу из неких параметров, управляя движением одной из кнопок, и выбором искомого – с помощью другой кнопки. В некоторых реле состояния, доступные с помощью кнопок управления, представляются двухмерным массивом. Продвижение по координатам массива осуществляется соответствующими кнопками, а выбор элемента массива производится одновременным нажатием двух кнопок. При нажатии одной кнопки происходит перемещение по вертикали, а при нажатии другой кнопки – по горизонтали. Манипулируя длительностью нажатия кнопок можно обеспечить продвижение в прямом и обратном направлениях. Например, при нажатии кнопки на время менее 0,5 с происходит движение назад; при нажатии кнопки в течение 0,51,0 с происходит движение вперед, а при удержании кнопки в нажатом состоянии – автоматический переход от одной позиции меню к другой (так называемая прокрутка). Оптоволоконные каналы передачи информации. Оптические системы связи начали развиваться с начала 70-х годов прошлого века. Основными их компонентами являются: оптический излучатель, световод и светочувствительный элемент (фотоприемник). По сравнению с электрическими кабелями световоды обладают рядом достоинств: - высокая помехозащищённость в условиях сильных полей; - большая пропускная способность; - безопасность при эксплуатации: исключается вынос электрического потенциала из электроустановки; невозможно возгорание кабеля по причине КЗ; - не используется дефицитная медь, что делает их потенциально дешевле в перспективе при отработке технологии производства; - высокие эксплуатационные характеристики: малый радиус изгиба, некритичность к условиям прокладки (возможна прокладка рядом с сильноточными кабелями), малые массо-габаритные показатели и т.д. Основным недостатком оптических кабелей является сложность стыковки световодов между собой, а также с излучателями и приёмниками сигналов. Однако технология сращивания оптических кабелей быстро совершенствуется. 1.3.3. Отличительные особенности цифровых защит Особенности обработки информации в цифровых реле. Цифровые реле обладают всеми достоинствами, достигнутыми электронными реле с аналоговыми принципами обработки информации. Это: - более близкий к единице коэффициент возврата измерительных органов (0,960,97 вместо 0,80,85 у механических реле), что является результатом перехода от механических узлов сравнения к электронным узлам, нечувствительным к механическим ударам и вибрации; - малое потребление мощности от трансформаторов тока и напряжения (на уровне 0,10,5 ВА вместо 1030 ВА у электромеханических реле) вследствие использования их исключительно как датчиков информации. Правда, при этом электронным реле требуется надежный источник питания. Практически, независимо от числа реализуемых функций, цифровое устройство защиты потребляет от сети оперативного тока мощность порядка 1520 Вт. Однако некоторые характеристики цифровых реле остались на том же уровне, как у их аналоговых (электромеханических и электронных) прототипов. Собственное время срабатывания цифровых реле. Собственное время срабатывания измерительных органов цифровых реле осталось таким же, как у их электромеханических аналогов. Это можно объяснить тем, что для определения интегральных параметров контролируемых токов и напряжений (действующих значений, фазовых сдвигов) требуется некоторое время. Так, согласно определению, действующее (эффективное) значение периодической временной функции x(t)находится по выражению: Хэ =  Как видно, расчёт действующего значения сигнала связан с вычислением интеграла в пределах периода изменения контролируемого сигнала. А это значит, что в реальном времени результат вычислений этого интеграла может быть получен только после наблюдения за контролируемым сигналом x(t)в течение отрезка времени, равного периоду Т. При этом не принципиально, будет ли использоваться численный метод интегрирования или аналоговое интегрирующее звено. Цифровые реле, как и их аналоговые прототипы, в принципе могут формировать сигнал срабатывания и через более короткий отрезок времени, чем период Т,если значение контролируемой величины заведомо превышает уставку. Это легко сделать, так как численное интегрирование представляет собой подсчет суммы приращений:  где х(t) – значение подынтегральной функции в узловых точках х(ti), взятых на интервале интегрирования; t – отстояние друг от друга во времени узловых точек функции. Безусловно, вычисление суммы можно приостановить по достижении наперед заданного значения. Однако при значениях контролируемой величины, соизмеримых с уставкой, время наблюдения будет стремиться к Т. Кажется, что в условиях, когда входной сигнал представляется только одной гармоникой, на вычисление действующего значения можно тратить меньше времени, так как амплитуда синусоиды и ее действующее значение могут быть вычислены после замера нескольких мгновенных значений. Однако в реальных сигналах всегда наряду с интересуемой гармоникой присутствуют другие гармоники и апериодические составляющие. Выделение же из сложного сигнала интересующей гармоники требует времени. В общем случае, сказанное не распространяется на реле, в которых не используется определение интегральных параметров сигнала. Например, в дифференциальной токовой защите теоретически можно производить сравнение мгновенных значений токов в ветвях защищаемой схемы. Однако реально и в дифференциальных реле приходится сталкиваться с вопросами фильтрации. Фильтрация требуется и для подавления помех в рабочих токах, и при формировании блокирующих воздействий. Например, в дифференциальной защите трансформатора при бросках тока намагничивания, обнаруживаемых по факту появления второй гармоники в дифференциальном токе. Фильтрация сигналов в цифровых реле. Если контролируемый сигнал периодический и существует достаточно длительное время, то для выделения основной гармоники (или любой другой) можно воспользоваться теорией гармонического анализа. Для этого широко применяется программа быстрого преобразования Фурье. Численный способ гармонического анализа применяется в том случае, когда функция x(t)известна на промежутке 0 < t ≤ Т только в дискретной системе точек tn = nT / N, n = 0, 1, ... N-1. Цифровой фильтр работает с последовательностью из N выборок Хвх(nΔt), взятых с интервалом Δtиз входного сигнала. На выходе фильтра в результате определенных операций возникает последовательность чисел Хвых(nΔt). Идеальный цифровой фильтр должен оперировать с бесконечным числом выборок из входного сигнала, предшествующих моменту вычисления очередной дискреты его выходного сигнала. Реальное цифровое устройство может работать лишь с конечным числом выборок N. Ассоциируя число используемых выборок с неким временным окном наблюдения за входным сигналом, можно отметить, что в первые моменты времени после скачкообразного изменения входного сигнала, например тока в результате КЗ, вычислительное устройство некоторое время будет формировать «неправильный» выходной сигнал. Точность вычислений будет тем выше, чем больше выборок находится в окне наблюдения. Цифровые фильтры имеют ряд преимуществ. Основные из них – надежность работы и стабильность характеристик, недостижимые в аналоговых фильтрах. Однако многие практические вопросы можно рассматривать с позиций аналоговых фильтров. Так же как и аналоговые фильтры, цифровые имеют противоречие в части точности выделения нужной гармоники из сложного сигнала и времени, затрачиваемого на фильтрацию. Для того чтобы отстроиться от апериодических составляющих, высших гармоник и помех, амплитудно-частотная характеристика входного тракта реле должна быть подобна характеристике полосового фильтра, т. е. характеризоваться частотой пропускания сигнала. Сужение полосы пропускания улучшает помехозащищенность реле, так как большинство помех являются импульсными сигналами (грозовые разряды, коммутационные перенапряжения и т. д.). При этом, чем уже полоса пропускания входного тракта реле, тем меньшая доля энергии помехи будет добавляться к рабочему сигналу. Однако слишком узкополосный входной тракт реле приводит к неприемлемому снижению быстродействия реле. Поэтому с целью повышения быстродействия защиты, приходится идти на компромисс. Работа реле при насыщении трансформатора тока. Цифровые принципы обработки сигналов эффективно применяются и для обеспечения правильной работы реле при насыщении измерительных трансформаторов тока. Очевидно, что вторичный ток насыщенного трансформатора (жирная линия на рис. 1.5,а) существенно отличается от его идеального значения (пунктир). Однако известно и то, что даже в случае глубокого насыщения ТТ в отдельные моменты времени трансформация осуществляется правильно (участки совпадения линий на рис. 1.5,а). Этим обстоятельством можно воспользоваться для определения правильного амплитудного или действующего значение искаженного сигнала вторичного тока. Для этого необходимо измерить мгновенные значения тока на отрезках правильной трансформации, вычислить его амплитудное и действующее значение, предполагая, что закон его изменения известен i(t1) = Im sin(t1+), i(t2) = I’m sin(t2+). Безусловно, реальный алгоритм восстановления искаженного вторичного тока при насыщении трансформатора гораздо сложнее. Решение задачи восстановления токов требуется, например, в защитах от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, где высока вероятность попадания трансформатора тока нулевой последовательности в режим глубокого насыщения. Принцип экстраполяции необходим и для правильного восстановления фаз сигналов. На рис. 1.5,б продемонстрировано, что выделение основной гармоники из искаженного сигнала путем частотной фильтрации приведет к большой погрешности в определении ее и амплитуды и фазы. Однако и в этом случае точность работы цифровых защит будет выше, чем у аналоговых.  Рис. 1.5. Насыщение трансформаторов тока Самоконтроль и диагностика. Одной из особенностей цифровых устройств является относительная простота организации контроля исправности аппаратной части и программного обеспечения. Этому благоприятствует циклический режим работы микропроцессора по заложенной программе. Отдельные фрагменты этой программы и выполняют самотестирование устройства защиты. В арсенале разработчиков цифровой аппаратуры имеется целый набор типовых решений в части тестирования. В цифровых реле при самоконтроле часто используются следующие приемы: - неисправность тракта аналого-цифрового преобразования с большой глубиной охвата входящих в него узлов обнаруживается путем периодического считывания опорного (неизменного во времени) напряжения. Если компьютер обнаруживает расхождение между последним и ранее полученным результатом, то он формирует сигнал неисправности; - исправность памяти оперативного запоминающего устройства проверяют, записывая в ячейки заранее известные числа и сравнивая результаты, получаемые при последующем считывании; - рабочая программа, хранимая в ПЗУ, периодически рассматривается компьютером как набор числовых кодов. Компьютер выполняет их формальное суммирование, а результат сравнивает с контрольной суммой, хранимой в заранее известной ячейке; - целостность обмоток выходных реле проверяется при кратковременной подаче на них напряжения и контроле обтекания их током; - периодически выполняется самотестирование компьютера, измеряются параметры блока питания и других важнейших узлов устройства; - на случай выхода из строя самого компьютера, осуществляющего самоконтроль, в цифровых устройствах предусматривается специальный сторожевой таймер «watchdog». Это несложный и очень надежный узел. В нормальном режиме микропроцессор посылает в этот узел импульсы с заданным периодом следования. С приходом очередного импульса сторожевой таймер начинает отсчет времени. Если за отведенное время от микропроцессора не придет очередной импульс, который сбрасывает таймер в исходное состояние, то таймер воздействует на вход возврата микропроцессора в исходное состояние. Это вызывает перезапуск управляющей программы. При неисправности микропроцессор «зависает», устойчиво формируя 0 или 1. Это обнаруживает сторожевой таймер и формирует сигнал тревоги. При необходимости блокируются наиболее ответственные узлы устройства защиты. Безусловно, тестирование не может обеспечить полное выявление внутренних дефектов изделия. Глубина тестирования целиком находится в компетенции разработчика. Реально тестированием удается охватить порядка 7080% всех элементов изделия. Помехозащищённость цифровых защит. Помехозащищённость – это способность аппаратуры правильно функционировать в условиях электромагнитных помех. Необходимая помехозащищённость обеспечивается только при комплексном решении ряда вопросов: - обеспечения должного превышения уровней информационных сигналов над уровнем помех; для этого в энергетике используются сигналы с номинальными уровнями 1 А и более, 100 В и выше; - правильной прокладкой линий связи датчиков информации с устройствами защиты, а при необходимости – защитой линий связи от действия помех и подавлением самих помех; - правильным конструированием аппаратной части устройств РЗА. Если решение последнего вопроса целиком находится в ведении разработчиков аппаратуры, то вопросы защиты каналов связи от помех должны решаться на стадии проектирования и в ходе эксплуатации систем защиты. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||