Мы публикуем статьи наших сотрудников с молодежной конференции Академии электротехнических наук Чувашской республики (АЭН ЧР) «Электротехника, электроэнергетика, электромеханика – 2018», в ходе которой были рассмотрены актуальные вопросы развития релейной защиты и автоматизации, например, прозвучал доклад на тему «Распознавание витковых замыканий в автотрансформаторе методом локализации». Авторы данной статьи являются сотрудники компании Релематика: Смирнова И.В., Павлова К.В., Белянин А.А.
Аннотация. На сегодняшний день задача построения защит от витковых замыканий в обмотках автотрансформатора для релейной защиты остается актуальной. В данной работе исследуется применение метода локализации для распознавания витковых замыканий в автотрансформаторе.
Опасность витковых коротких замыканий (ВКЗ) в обмотках автотрансформатора (АТ) состоит в том, что, при несрабатывании или недостаточно быстром срабатывании защит, АТ может полностью выйти из строя из-за чрезмерного перегрева замкнутых накоротко витков. В связи с этим необходимо обеспечить высокую чувствительность защит к ВКЗ, а также быстрое отключение ими данного повреждения. В настоящее время основной защитой от ВКЗ является газовая защита АТ, которая имеет достаточную чувствительность к витковым повреждениям. Однако данная защита ввиду физических процессов, происходящих внутри бака АТ, может иметь достаточно большую выдержку времени на срабатывание (150-200 мс) [1]. Кроме этого необходимо наличие резервирования действия данной защиты в случае ее отказа. Ранее были проведены исследования поведения резервных защит АТ (таких как дистанционная защита и токовая защита нулевой последовательности) при витковых повреждениях. В данных исследованиях было выявлено, что данные защиты не могут гарантировать надежное отключение ВКЗ ввиду нечувствительности (или недостаточной чувствительности при малой доле замкнувшихся витков) к данному виду повреждений [2]. Поэтому разработка новых чувствительных защит от ВКЗ является одной из важных задач релейной защиты.
В данной работе рассматривается применение метода локализации повреждений [3] для распознавания ВКЗ в АТ. Принцип реализации данного метода заключается в следующем:
1) измеряются все токи (Iнабл) и напряжения (Uнабл) со всех сторон защищаемого АТ;
2) в соответствии с принципом компенсации наблюдаемые напряжения (Uнабл) заменяются источниками ЭДС;
3) определяются нормальные токи (Iнорм) как реакция неповрежденной модели АТ на приложенные источники ЭДС;
4) рассчитывается вектор локальных токов по формуле
Iлок = Iнабл - Iнорм (1)
Полученное значение локального тока (Iлок) используется в качестве критерия повреждения и позволяет определить состояние защищаемого объекта. В случае отсутствия повреждения в защищаемой зоне локальный ток отсутствует. Если же повреждение произошло в защищаемой зоне, то значение локального тока отлично от нуля.
Для проверки работоспособности метода локализации при ВКЗ в программном комплексе MatLab/Simulink была построена имитационная модель однофазной энергосистемы, включающая в себя систему, автотрансформатор и нагрузку (рис. 1).
Параметры модели:
Система: ESном = 500 кВ, δS = 30°, XS = 7 Ом. АТ типа АТДЦН-500000/500/220: Sном = 500 МВА, Uвн = 500 кВ, Uнн = 230 кВ. Нагрузка: ZНг = 105,8 Ом, φНг = 0,85.
Следует отметить, что при построении модели АТ использовались следующие допущения: отсутствует насыщение магнитопровода, плотность тока в обмотках постоянная и вектора напряженности магнитного поля параллельны и симметричны относительно оси магнитопровода.
На основе полученной модели был рассмотрен режим ВКЗ в последовательной обмотке АТ через активное переходное сопротивление Rf = 0,1 (Ом) при изменении числа замкнувшихся витков (xf).
Далее представлены результаты моделирования при xf = 30% для тока стороны ВН: наблюдаемый и нормальный токи (рис. 2,а), локальный ток (рис. 2,б), рассчитанный по формуле (1).
Рис. 2. Годограф токов стороны ВН
а – наблюдаемый и нормальный токи; б – локальный ток
Из приведенных графиков видно, что режим ВКЗ в обмотках АТ сопровождается появлением значительного уровня локального тока, что свидетельствует о наличии повреждения в АТ. Для тока стороны НН полученные результаты аналогичны.
В то же время при рассмотрении режима внешнего повреждения, наблюдаемый и нормальный токи совпадали по значению и по фазе, а локальный ток отсутствовал. Полученные результаты подтверждают селективность метода локализации для определения внутренних повреждений в АТ.
Для оценки чувствительности предложенного решения были построены зависимости действующего значения локального тока (Iлок) со сторон ВН и НН от количества замкнувшихся витков (xf). Данные зависимости приведены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость Iлок от числа замкнувшихся витков
а – со стороны ВН; б – со стороны НН
Из анализа рис. 3 следует, что даже при 1% замкнувшихся витков появляется локальный ток, соответственно получаем практически абсолютную распознаваемость витковых замыканий в АТ. Однако, требуется анализ возможных причин появления локального тока в режимах, не связанных с внутренними повреждениями, таких как погрешности измерительных трансформаторов тока, погрешность алгоритмического моделирования и т.п.
Выводы
1. Использование метода локализации может стать основой для создания особого вида защиты от ВКЗ.
2. Предложенный метод обладает высокой чувствительностью к ВКЗ.
Литература
1. Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 528 с.
2. Лукина К.В., Белянин А.А., Широкин М.Ю. Анализ действия резервных защит автотрансформатора при витковых замыканиях в обмотках // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем. 2017. С.233-236.
3. Лямец Ю.Я., Белянин А.А. Составляющие токов короткого замыкания в наблюдаемой электрической сети // Электротехника. 2016. №10. С.40-44.
