книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

ния граничных значений разности приращений интегралов для защит мак­ симального и минимального действия содержит соответственно по два ИМП: ИМПЗ, ИМП4, ИМП5, ИМП6. Результирующий сигнал, обрабаты­ ваемый в решающем органе ПРЗ, поступает на исполнительный блок ИБ (см. рис. 5.21).

Рассмотренные в гл. 3 ИМП представляют собой вычислительные устройства, обработка информации в которых происходит последова­ тельно, разряд за разрядом, а числовая информация передается между ИМП в виде приращений в тернарной системе кодирования. В связи с этим при вводе текущей информации о ходе процесса решается задача согласования поступающей информации и приведения ее к виду, с кото­ рым работает ИМП, т.е. разворот ее в поток приращений, который вы­ полняется в узле разворота, входящем в блок ввода и разворота. Струк­ туры ПРЗ могут также быть выполнены на базе процессора цифровой обработки сигналов типа КМ 1813ВЕ1, позволяющего реализовать ин­ крементный вычислитель с многоразрядными приращениями, что повы­ шает быстродействие ПРЗ.

Г л а в а ш е с т а я

УСТРОЙСТВА СВЯЗИ МПРЗ С 0 3

6.1. АДАПТИВНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ МПРЗ С 03

Технические средства МПРЗ должны содержать устройства, реали­ зующие задачу ввода информации от 03. Такие устройства принято на­ зывать устройствами связи с объектом (УСО). По сравнению с УСО МП-средств и систем автоматики к УСО МПРЗ предъявляются дополни­ тельные требования. Наиболее специфичными из них являются: способ­ ность работать в условиях больших кратностей амплитуд входных сиг­ налов; повышенное быстродействие, обеспечивающее в пределе прогно­ зирование значения входных сигналов; высокая точность преобразова­ ния в широком динамическом диапазоне.

Место УСО в структуре программируемой системы РЗ показано на рис. 6.1. В общем случае УСО может содержать группу ИП информации, масштабирующие усилители (входные согласующие устройства), преобразователи аналоговых сигналов в цифровые, аналоговые и цифро­ вые коммутаторы, преобразователи цифровых сигналов в аналого­ вые, выходные согласующие устройства, связывающие микроЭВМ с исполнительными органами защиты.

Для получения оптимальной структуры УСО необходимо исходить из конкретных условий задачи. Однако обязательными элементами из­ мерительных каналов (ИК) УСО МПРЗ являются: //Я, масштабирующие усилители (МУ), аналого-цифровые преобразователи АЦП. Исключением

191

Рис. 6.1. Структурная схема УСО МПРЗ

является случай использования многофункционального аналого-цифро­ вого ИПТ (см. § 6.5), не требующего дополнительного АЦП. В гл. 6 рассматриваются такие элементы УСО, как МУ, различные перспектив­ ные варианты ИП, а также устройства предварительной обработки ин­ формации от ИП. Вопросы, связанные с реализацией и схемами включе­ ния АЦП, ЦАП, выходных согласующих устройств, в гл. 6 не обсужда­ ются, поскольку они достаточно освещены в литературе, например в [1,61]. Микроэлектронные коммутаторы как элементы УСО рассмотре­ ны в гл. 3.

В настоящее время отечественной промышленностью освоен серий­ ный выпуск АЦП в интегральном исполнении, которые по быстродей­ ствию и точности преобразования удовлетворяют требованиям, предъ­ являемым к устройствам РЗ и автоматики. Для использования выпус­ каемых АЦП в МПРЗ необходимо иметь в наличии МУ, задачей которых является расширение шкалы АЦП и уменьшение в целом погрешности преобразования во всем диапазоне амплитуд входных сигналов. В этой связи вопросы, связанные с разработкой МУ для МПРЗ, приобретают весьма актуальное значение.

Ниже приведено описание МУ, структурная схема которого (рис. 6.2)

непосредственно на один инвертирующий вход двойных компараторов К и через инверторы —на другие инвертирующие входы этих же компа­ раторов. Неинвертирующие входы каждого двойного компаратора объединены и подсоединены к выходам ИОН.

192

Рис. 6.2. Структурная схема масштабирующего усилителя

Рис. 6.3. Временная диаграмма работы масштабирующего усилителя

Таким образом, напряжение с выхода дифференциатора £/диж непре­ рывно сравнивается с опорными напряжениями \U0i\ и \U02 \ (± Uol и

± U02) . Если | £/диф | превышает модули опорных напряжений, на выхо­ де обоих К появляются соответственно сигналы UKl и UK2, которые поступают на D -входы триггеров Т. На счетные входы триггеров посту­ пают через соответствующие дизъюнкторы сигналы Uc и UT с выходов синхронизатора ГТИ, однако сигнал UT поступает лишь до тех пор, по­ ка не появится сигнал логической единицы на прямых выходах Т (соот­

ствующих конъюнкторов, которые выполняют функции логических эле­ ментов запрета прохождения тактовых импульсов ГТИ на счетные вхо­ ды триггеров Т. При этом синхроимпульсы Uc продолжают поступать на счетные входы обоих триггеров через соответствующие дизъюнкто­ ры. Поэтому при снижении сигнала |£/диф| ниже опорных напряжений \U0 l\ и \U02\ при первом же синхроимпульсе Uc на прямых выходах Т триггеров появляется сигнал логического нуля. Одновременно сни­ мается запрет на прохождение тактовых импульсов с ГТИ на счетные входы триггеров Г. Напряжение на прямых выходах триггеров Т ис­ пользуется для управления соответствующими ключами Кл, которые изменяют коэффициент усиления У путем изменения сопротивления в цепи его отрицательной обратной связи.

Таким образом, в зависимости от соотношения мгновенного значе­ ния сигнала с выхода дифференциатора 1/циф и опорных напряжений | f/01 1 и \U02\ коэффициент усиления У изменяется. Причем поскольку значение коэффициента усиления изменяется в зависимости от значения первой производной входного сигнала по времени, то масштаб входного сигнала по существу прогнозируется, чем достигается адаптация УСО к изменениям амплитуды входного сигнала. Высокое быстродействие обеспечивается тем, что на счетные входы триггеров Т поступают сигна­ лы высокой частоты с выхода ГТИ. Например, при частоте входного сигнала 50 Гц частота тактовых импульсов может быть принята равной 1 МГц и более. Поэтому задержка на срабатывание триггеров Т может составлять до 1 мкс. По отношению же к входному сигналу задержка практически отсутствует. Возврат триггеров Т осуществляется синхро­ импульсами Uc, что обеспечивает постоянство коэффициента усиления У в пределах полуволн входного сигнала.

Выходное напряжение ВД ограничено максимальным входным нап­ ряжением АЦП при максимальной кратности входного напряжения. Для реализации линейной шкалы АЦП в возможном диапазоне измене­ ний амплитуд входных напряжений выбраны следующие значения коэф­ фициентов усиления МУ: 32; 4; 1. Критериями при выборе данных ко­ эффициентов являются, с одной стороны, минимум погрешности АЦП, с другой - более удобное представление данных коэффициентов в двоичной системе счисления, поскольку это необходимо для выпол-

194

нения последующих кодовых операций в канале обработки инфор­ мации.

Использование описанного МУ в МПРЗ позволяет обеспечивать в ли­ нии связи (ЛС) высокие значения отношения сигнал-помеха за счет авто­ матического переключения коэффициента усиления усилителя У, причем на входе АЦП во всех режимах сигнал не превышает по уровню допу­ стимого значения. Масштабирующий усилитель разработан для согласо­ вания токовых индукционных преобразователей, работающих в режиме трансреактора, с АЦП, входное напряжение которого не должно превы­ шать 2 В. Амплитудное значение номинального выходного напряжения индукционных преобразователей равно 14 В, однако оно может увели­ чиваться в аварийных режимах до 30-кратного значения, т.е. до 420 В. С учетом этого коэффициент деления входного делителя напряжений принят равным 210. Когда модуль значения входного сигнала ниже мо­ дулей значений опорных напряжений, МУ работает с коэффициентом уси­ ления Ку j = 32. В качестве аналого-цифрового преобразователя исполь­ зован 8-разрядный АЦП типа К1107ПВ2 с временем преобразования 0,2 мкс. С учетом выбранных коэффициентов усиления погрешность та­ кого АЦП не превышает 1,5% во всем диапазоне изменения амплитуд входных сигналов.

6.2. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИПТ ДЛЯ ГИБКИХ РЗ

Рассмотренная в гл. 2 архитектура универсальной гибкой РЗ обладает повышенными свойствами технического совершенства, и прежде всего в отношении быстродействия. Эти требования к устройствам РЗ предъ­ являют условия обеспечения безаварийности функционирования совре­ менных ЭЭС различного назначения (как объединенных, так и автоном­ ных) .В [5, 108] отмечается, что собственное время действия основных РЗ, установленных на ЛЭП напряжением 330 кВ и выше, не должно пре­ вышать 0,02—0,04 с, причем дальнейшее снижение времени отключения КЗ является важнейшей задачей электроэнергетики. Например, умень­ шение времени отключения КЗ с 0,12 до 0,06 с приводит к увеличению пропускной способности ЛЭП напряжением 500—750 кВ по условиям электродинамической устойчивости на 20—25%.

Выше отмечалось, что в мощных автономных ЭЭС и электротехнологических установках низкого напряжения к быстродействию РЗ предъявляются еще более жесткие требования. В таких ЭЭС и установ­ ках значения токов КЗ [99] могут достигать 100 кА и более. Суще­ ствующие АВ в ряде случаев не могут обеспечить отключение подобных повреждений по своей предельной коммутационной способности. В та­ ких цепях используются токоограничивающие выключатели, производя­ щие разрыв цепи КЗ до достижения токами максимальных значений [99]. Управление подобными выключателями осуществляется ПРЗ, которые вычисляют максимальное значение тока КЗ в первый момент

195

его возникновения (§ 5.5). Времена срабатывания токоограничива­ ющих выключателей могут достигать единиц миллисекунд, следователь­ но, время срабатывания РЗ в этом случае желательно иметь существен­ но менее 1 мс. Создание и освоение полупроводниковых выключателей (ВП) позволило повысить технико-экономические показатели выпуска­ емых автоматов, и в первую очередь их быстродействие [109]. При ис­ пользовании современных ВП время срабатывания устройств РЗ в среднем составляет около 50 мкс. Дальнейшее его уменьшение затруд­ нено вследствие необходимости обеспечения помехоустойчивости функ­ ционирования защит.

В последние годы в связи с интенсивным строительством атомных и гидроаккумулирующих электрических станций в практике объединен­ ных ЭЭС высокого напряжения появилась тенденция к более широкому применению сильноточных генераторных выключателей. Прогнозиру­ емые на ближайшие годы номинальные токи генераторов оцениваются [101] в 30-50 кА, а их токи КЗ в 100-200 кА. Это потребовало и в объединенных ЭЭС высоких напряжений с целью уменьшения электро­ динамических и термических воздействий токов КЗ на токоведущие части создания коммутационной аппаратуры, способной не только от­ ключать большие токи КЗ, но и ограничивать их максимальные значе­ ния. В связи с этим ведутся исследования новых способов коммута­ ции, основанных на использовании нетрадиционных проводящих мате­ риалов, в частности сверхпроводников. Указанные обстоятельства опре­ деляют актуальность проблемы создания прогнозирующих защит и для объединенных ЭЭС.

Усложнение электромагнитных переходных процессов в объединен­ ных и автономных ЭЭС, возрастающие возможности современных уни­ версальных гибких и особенно прогнозирующих РЗ предъявляют повы­ шенные требования к ИПТ в отношении точностных динамических ха­ рактеристик и разнообразия форм представления информации. Тради­ ционные электромагнитные ТТ обеспечивают, как правило, работу с заданной погрешностью в статических (установившихся) режимах и только при синусоидальной форме кривой контролируемого тока [108]. Их динамические погрешности значительно больше, чем статические. Они не могут эффективно функционировать в ряде случаев, например в автономных ЭЭС или в устройствах РЗ сетей электротехнологических производств со сложным динамичным изменением режимов (электро­ металлургические производства и др.), в которых контролируемый ток носит ярко выраженный стохастический характер. Устройства РЗ преды­ дущих поколений использовали, как правило, информацию о токе уста­ новившихся режимов (действующие и средние значения токов). Совре­ менные и перспективные типы быстродействующих РЗ нередко требуют более сложной информации о параметрах тока в динамических режимах (мгновенные и интегральные на малом интервале времени значения то­ ков, их производные различных порядков и др.) - Изложенные обстоя­

196

тельства требуют создания универсальных ИПТ нового поколения, обес­ печивающих преобразование токов с допустимыми погрешностями [42, 108] не только в статических, но и в динамических режимах.

В [108, 110] отмечается, что новые типы ИПТ перспективны в пер­ вую очередь для сетей высоких, сверхвысоких и ультравысоких напря­ жений, где начали использоваться ТТ с магнитопроводами (МПВ), име­ ющими воздушные зазоры (ТТЗ). Их существенным недостатком яв­ ляется необходимость выполнения 8—12 зазоров, равномерно распреде­ ленных по длине средней магнитной линии МПВ, что заметно снижает технологичность конструкции и увеличивает разброс характеристик при массовом производстве ТТЗ. Преимущества, достигаемые за счет зазо­ ров в МПВ, значительно технологичнее могут быть получены при изго­ товлении МПВ из МДЭ, например, на основе железных, карбонильных или альсиферовых порошков [42]. Комбинированный МПВ, состоя­ щий из двух слоев —ферромагнитного и МДЭ, является аналогом МПВ с частичными зазорами. Кроме того, ТТЗ по своим массогабаритным ха­ рактеристикам не имеют преимуществ по сравнению с электромагнит­ ными ТТ. Этот недостаток можно устранить, используя оптоэлектрон­ ные ТТ, которые начинают применяться в ЭЭС высокого напряжения [110]. Представляется перспективным [42] использование МДЭ для МПВ первичных ИПТ, располагаемых на потенциале высокого напряже­ ния с последующей передачей информации о токе на потенциал земли

вдискретной форме с помощью оптоэлектронных каналов связи, кото­ рые обеспечивают высокую помехоустойчивость передачи информации

втех случаях, когда первичный ИПТ работает в режиме ТР и выдает во вторичную цепь ограниченную мощность. Необходимо подчеркнуть большую перспективность применения как волоконно-оптических ка­

белей связи [111], которые успешно начали применяться в распределен­ ных системах управления различными технологическими процессами, так и оптоволоконных датчиков магнитного поля [44] в качестве ИПТ.

в [42] показано, что внедрение современной микроэлектронной техники существенно снижает потребление мощности в токовых це­ пях устройств РЗ, что делает целесообразным использование в сетях низкого напряжения в качестве первичных преобразователей тока ТР, имеющих МПВ из МДЭ (ИПТМР). Главное достоинство ТР по сравнению с ТТ заключается в том, что за счет увеличения сопротивления нагрузки можно обеспечить сколь угодно малую токовую погрешность ТР прак­ тически при нулевой угловой погрешности.

Представляется также перспективным использование ИПТМР в ка­ честве вторичных ТР, широко применяемых в устройствах РЗ, особен­ но выполненных на микроэлектронной элементной базе. В настоящее время МПВ указанных ТР изготовляются при промышленном произ­ водстве методом навивки из ферромагнитной ленты. Затем в ферромаг­ нитных МПВ делают разрезы, в которые вставляют немагнитные прок­

197

ладки, и МПВ вновь стягивают. С учетом малых габаритов МПВ вторич­ ных ТР (единицы сантиметров по высоте и длине) и малого сечения (единицы квадратных сантиметров) при массовом производстве встре­ чаются серьезные затруднения в обеспечении высокой воспроизводимо­ сти и линейности их магнитных характеристик в диапазоне первич­ ных токов (0,2 -5- 10) /ном. Эта задача полностью решается при изготов­ лении замкнутых МПВ из Г-образных стержней, отпрессованных из МДЭ. Современные тенденции развития электроэнергетики и МПРЗ требуют также создания ИПТ, предназначенных для работы в сетях с из­ меняющейся частотой тока, с дискретной формой представления инфор­ мации о контролируемых токах и т.д. Ниже рассмотрены некоторые пер­ спективные ИПТ: магнитодиэлектрические, на основе элементов Хол­ ла, многофункциональные с различными формами представления инфор­ мации.

6.3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ИПТ НА ОСНОВЕ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МПВ

В [42] освещены основные вопросы конструирования универсаль­ ных аналоговых ИПТ, работающих в режиме ТР и имеющих МПВ, изго­ товленные из МДЭ методом порошковой технологии, преимуществен­ но на основе порошков карбонильного железа. Универсальность указан­ ных ИПТ проявляется в том, что они могут использоваться как в устрой­ ствах РЗ, так и в устройствах измерения нагрузочных и аварийных зна­ чений токов КЗ.

Следует полагать, что при наличии электрической вторичной цепи ИПТМР могут использоваться в сетях с номинальным напряжением 6-10 кВ, а при наличии оптоэлектронных каналов связи —в сетях с более высоким напряжением. Это объясняется возможностью возник­ новения емкостных токов утечки при наличии гальванической вторич­ ной цепи. Емкости выпускаемых промышленностью ТТ для сетей напря­ жением 20-35 кВ составляют около 150 пф, напряжением 110-220 кВ - 50-200 пФ, напряжением 330—750 кВ — 700-1500 пФ.

Поскольку ТТ и ТР по своим функциональным возможностям имеют как достоинства, так и недостатки, каждый указанный тип ИПТ целе­ сообразно использовать в тех случаях, когда его положительные каче­ ства окажутся определяющими. При этом следует учитывать, что про­ мышленность еще длительно будет выпускать устройства РЗ, ориенти­ рованные преимущественно на использование ИПТ, работающих в режи­ ме ТТ. Поэтому ТТ будут практически всегда применяться в объединен­ ных и автономных ЭЭС. Однако ТТ, созданные в свое время для поко­ ления электромеханических реле, бесспорно, будут дальше совершен­ ствоваться. Поэтому постоянно ведется разработка новых типов ТТ [108, 110, 112, 113].

198

Одним из перспективных типов ТТ для РЗ является ТТЗ, для которых МПВ также целесообразно выполнять из МДЭ (ИПТМТ). Анализ данных, приведенных в [108], показывает, что значения эквивалентной магнит­ ной проницаемости МПВ различных исполнений ТТЗ лежат в пределах Мг экв = 40 -г 130 и более. В [42] отмечается, что указанные параметры МДЭ МПВ не могут быть получены у изделий, отпрессованных из карбо­ нильных порошков, частицы которого, как правило, имеют сферичес­

Для изготовления МПВ ИПТМТ необходимо использовать железные (ГОСТ 9849—74) или альсиферовые (ГОСТ 8763—77) порошки, кото­ рые могут обеспечить значения Мгнач МДЭ в необходимом для ИПТМТ диапазоне. Возможными материалами для ферроосновы МДЭ являются порошки термокомпенсированного альсифера марки ТЧК-55 (мгнач = = 48-^58), а также марок ТЧ-60 ( ^ Нач = ^3 ^ 63), ТЧ-90 (мгнач = 19 + -г 91), для которых /р < 10 кГц. Однако недостатками МПВ, изготов­ ленных из альсиферовых порошков, являются низкая индукция насы­ щения (Bs « 1,1 Тл) и высокие удельные давления прессования (700— 1500 МПа), так как твердость дробленых альсиферовых частиц превос­ ходит твердость сферических частиц карбонильного порошка. Попут­ но следует отметить, что для ферромагнитных материалов, имеющих малые значения Мгнач « 10 -г 15, можно считать Hrmax ^МГНач’а в даа' пазоне Мгнач = 30-г 100 - соответственно jtirmax = (1,1 1,4) дгнаЧо

Наиболее перспективным для указанных целей следует считать желез­ ный порошок, который выпускается промышленностью в достаточно широкой номенклатуре. При выборе порошка необходимой марки учи­ тывают, что наименьшее удельное давление прессования (200—300 МПа) требуют порошки, имеющие губчатую форму частиц и которые получа­ ются путем восстановления прокатной окалины или рудного концент­ рата и представляют собой порошки технически чистого железа с низ­ ким содержанием углерода (до 0,05%). Мелкие и весьма мелкие фрак­ ции порошка прессуются легче, а получаемые при прочих одинаковых условиях МПВ имеют более высокие механическую прочность и рабо­ чую частоту. Наибольшее значение индукции насыщения (в пределах до Bs = 2,18 Тл) позволяют получить порошки технически чистого железа, имеющие минимальное количество примесей (например, ПЖ0 —99%Fe; ПЖ1 — 98,8%Fe; ПЖ2 —98,8%Fe), что превосходит этот параметр для лучших электротехнических сталей (В$ = 1,9 Тл). Поэтому ИПТМТ обладает более широкимлинейным диапазоном преобразования, чем ТТЗ.

Экспериментально полученные характеристики намагничивания МДЭ МПВ, в качестве ферроосновы которых были использованы железные

199

Рис. 6.4. Характеристики намагничивания прессованных МПВ, не содержащих ди­ электрической связки, при различных давлениях прессования для железного по­ рошка разных марок:

Рис. 6.5. Характеристики намагничивания МДЭ МП с одинаковым содержанием диэлектрической связки (4 % смолы ЭД-20), отпрессованных с одинаковым удель­ ным давлением (300 МПа) для железного порошка различных марок:

1 - ПЖ4С2; 2 - ПЖ2МЗ; 3 - ПЖ6С2; 4 - ПЖ5МЗ; 5 - ASC 100.29: 6 - ПЖ6М2

порошки различных марок (рис. 6.4), доказывают возможность прак­ тической реализации ИПТМТ. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований было выявлено, что определяющее влияние на магнитные характеристики МДЭ МПВ оказывают удельное давление прессования и процентное содержание диэлектрической связ­ ки. На рис. 6.5 приведены характеристики намагничивания МДЭ МПВ

содинаковым содержанием диэлектрической связки, отпрессованных

содинаковым удельным давлением для железного порошка различных марок. Приведенные данные подтверждают, что индукция насыщения МДЭ повышается при использовании в качестве ферроосновы железных порошков с меньшим содержанием углерода (например, ПЖ2 - 0,03%С; ПЖ6 - 0,25%С). На рис. 6.6 приведены зависимости эквивалентной маг­ нитной проницаемости от удельного давления прессования и процентно­ го содержания диэлектрической связки для железного порошка ПЖ2МЗ.

Для расчета конструктивных параметров ИПТМТ за основу была при­ нята методика расчета ТТЗ, изложенная в [110]. Отличие состоит в том, что если для расчета ТТЗ необходимо определить число и длину воз­ душных зазоров МПВ, то для ИПТМТ - технологические параметры из­ готовления МПВ, а также химический и гранулометрический составы по-

200