Основные книги / Релейная защита в пдф

помощью катушки Роговского можно измерять токи в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц. Основными ее недостатками являются 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) (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Цифровая обработка сигналов

Аналоговые сигналы от трансформаторов тока и напряжения ТА и TV преобразуются промежуточными трансформаторами напряжения и тока ПТН и ПТТ, фильтрами низких частот и поступают на мультиплексор, обеспечивающий поочередно выборку мгновенных значений величин с выходов отдельных фильтров и их запоминание на время правильной работы АЦП. В результате выходные сигналы АЦП соответствуют в цифровом виде сигналам, модулированным по амплитуде синусоидальными функциями. Каждому аналоговому

31

сигналу u(t) на выходе фильтра соответствуют дискретный сигнал u(nT) на входе АЦП и цифровой сигнал на выходе АЦП, вводимый в вычислительное устройство ВУ, осуществляющее цифровую обработку сигналов.

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.

Характеризуя АЦП, говорят о его разрядности и интервале дискретизации сигнала по времени t, или частоте выборок fв=1/Δt, или, если речь идет о периодических сигналах с периодом Т, о количестве выборок за период N=fв T.

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.

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 0 1000 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

32

числовых комбинаций: 00, 01, 10 и 11. Эти числа можно интерпретировать как нахождение входного аналогового сигнала в одном из четырех поддиапазонов, ограниченных 0 Xmax. 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 (0 1)Iном, в аварийных режимах достигает (10 30)Iном. Для преобразования с погрешностью не более (2 5)% требуемое число ступеней квантования m должно быть 2000 4000, 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 5 30 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 (концевым выключателем). 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

33

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.

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

34

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 0,5 1,0 с происходит движение вперед, а при удержании кнопки в нажатом состоянии – автоматический переход от одной позиции меню к другой (так называемая прокрутка).

35

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:

-высокой помехозащищённостью в условиях сильных полей;

-большой пропускной способностью;

-безопасностью при эксплуатации: исключается вынос электрического потенциала из электроустановки; невозможно возгорание кабеля по причине КЗ;

-не используется дефицитная медь, что делает их потенциально дешевле

вперспективе при отработке технологии производства;

-высокими эксплуатационными характеристиками: малым радиусом изгиба, некритичностью к условиям прокладки (возможна прокладка рядом с сильноточными кабелями), малыми массогабаритными показателями 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 (0,96 0,97 вместо 0,8 0,85 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 0,1 0,5 В А вместо 10 30 В А 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 15 20 Вт.

36

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

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.

37

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, 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(n t), взятых с интервалом t из входного сигнала. На выходе фильтра в результате определенных операций возникает последовательность чисел Хвых(n t). 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 измене-

38

ния 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 значения искаженного сигнала вторичного тока. Для этого необходимо измерить мгновенные значения тока на отрезках правильной трансформации, вычислить его амплитудное и действующее значения, предполагая, что закон их изменения известен i(t1) = Im sin( t1+ ), i(t2) = I’m

39

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

40