Динамическое тестирование релейной защиты с учётом переходных процессов в трансформаторах тока

Для выявления возможных случаев неправильной работы устройств релейной защиты (РЗ) в переходных режимах, связанных с насыщением трансформаторов тока (ТТ), может применяться тестирование устройств РЗ в системе «Трансформатор тока – устройство релейной защиты», учитывающее динамику аварийного процесса в энергосистеме и вероятность насыщения ТТ. Пример такой системы приведён на рис. 1, в котором ток с апериодической составляющей с выхода модели энергосистемы (ЭС) поступает на вход модели измерительного ТТ, где, в соответствии с параметрами ТТ, искажается и подаётся на вход устройства РЗ. Напряжение проверки при этом, как правило, остаётся синусоидальным в соответствии с особенностями протекания электромагнитных переходных процессов в RL-моделях ЭС. Подобная функция моделирования с последующим воспроизведением в автоматическом режиме переходных процессов во вторичных цепях РЗ, возникающих при насыщении измерительных ТТ, реализована в программном обеспечении (ПО) современных испытательных комплексов РЕТОМ 51/61/71.

Далее будут рассмотрены особенности моделирования и режимов воспроизведения переходных процессов для проверки устройств РЗ в системе «Трансформатор тока – устройство релейной защиты».

Рис. 1 – Блок-схема динамического тестирования в системе ТТ – РЗ

1. Моделирование переходных процессов в трансформаторах тока

В качестве модели ТТ в ПО РЕТОМ-51/61/71 (программный модуль «Модель ТТ») используется одна из известных моделей ТТ [1]. В дальнейшем ПО будет расширяться и включать варианты моделей ТТ в зависимости от имеющихся исходных данных (паспортные данные, экспериментальные вольт-амперные характеристики ТТ и т.д.).

На рис. 2 представлена схема замещения ТТ, состоящая из ветви намагничивания L0, активно-индуктивных сопротивлений вторичной обмотки ТТ (RОБМ, LОБМ) и нагрузки (RНАГР, LНАГР). Исходные данные для моделирования (табл. 1) можно разделить на параметры аварийного режима (тип КЗ, угол включения тока КЗ), энергосистемы (соотношение сопротивлений X/R) и ТТ (электрические и геометрические). Параметры для модели могут быть получены из паспортных данных ТТ, источников [2, 3] либо экспериментальных измерений (напряжение насыщения). Аналогичные параметры ТТ используются в Стандарте ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.120.70.241-2017 «Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА» при проведении функциональных испытаний устройств РЗ [4].

Рис. 2 – Схема замещения ТТ: i1 – первичный ток; i2 – вторичный ток; i0 – ток намагничивания.

Моделирование переходных процессов в ПО РЕТОМ-51/61/71 производится комплексно для трёх вариантов включения токовых цепей РЗ (рис. 3):

1. распределительное устройство (РУ) с одним выключателем;
2. РУ с двумя выключателями и внешним суммированием токов ТТ;
3. РУ с двумя выключателями и внутренним (в терминале РЗ) суммированием токов ТТ.

Для схем РЗ с двумя ТТ (3/2, 4/3 или 2 выключателя на присоединение) для каждого трансформатора задаются индивидуальные параметры для оценки влияния неодинакового насыщения ТТ на функционирование алгоритмов РЗ.

Таблица 1. Исходные данные для модели

Параметр

Действующее значение первичного тока КЗ, А

Угол включения тока КЗ, °

Отношение X/R электрической системы, о.е.

Номинальный первичный ток ТТ, А

Номинальный вторичный ток ТТ, А

Напряжение насыщения, В

Величина предельной индукции, Тл

Коэффициент остаточной индукции (намагничивания), о.е.

Относительная магнитная проницаемость сердечника, о.е.

Средняя длина сердечника (магнитопровода), м

Площадь сечения магнитопровода, м2

Активное сопротивление вторичной обмотки ТТ, Ом

Реактивное сопротивление вторичной обмотки ТТ, Ом

Активное сопротивление нагрузки, Ом

Реактивное сопротивление нагрузки, Ом

Особенностью модели ТТ в ПО РЕТОМ-51/61/71 является то, что моделируются процессы в фазах ТТ в зависимости от выбираемого вида КЗ: однофазного (AN, BN, CN), двухфазного (AB, BC, CA), двухфазного КЗ на землю (ABN, BCN, CAN), трёхфазного (ABC) и обратной последовательности токов (I2) с учётом угловых соотношений в фазах тока КЗ. При этом рассчитывается ток нулевой последовательности 3I0, возникающий, в том числе, и из-за несимметричности насыщения фаз ТТ.

В модели учитывается остаточное намагничивание сердечника, уровень которого как относительный коэффициент может задаваться общим для трёх фаз ТТ либо пофазно. Предусмотрено моделирование процессов при несимметричной нагрузке ТТ заданием параметров нагрузки для каждой фазы каждого ТТ.

Программный модуль «Модель ТТ» ПО РЕТОМ-51/61/71 является «автономным», т.е. может использоваться без приборов РЕТОМ для моделирования, анализа переходных процессов и экспорта аварийных осциллограмм в формате COMTRADE. Также возможно совмещение смоделированных токов совместно с аварийными напряжениями и доаварийным (нагрузочным) режимом.

а)	б)	в)

Рис. 3 – Схемы подключения токовых цепей РЗ: а) через один ТТ; б) два ТТ с внешним суммированием тока; в) два ТТ с внутренним суммированием тока

Воспроизведение смоделированных процессов позволяет производить проверки алгоритмов устройств РЗА по восстановлению формы сигнала тока искажённого насыщением и функций блокировки (детектора насыщения) устройств РЗА при насыщении ТТ по гармоническому или временному принципу (рис. 4).

Рис. 4 – Пример проверки функции детектора насыщения

Осциллограмма протекания переходного процесса при трёхфазном КЗ приведена на рис. 5, для случая, когда неодинаковое насыщение фаз ТТ приводит к появлению тока нулевой последовательности 3I0, который может вызвать срабатывание некоторых функций РЗ в нерасчётном для них режиме (дистанционная защита от КЗ на землю, токовая защита нулевой последовательности и т.д.). Соответственно, можно оценить уровни тока 3I0 и время его существования и, при необходимости, учесть их при выборе параметров срабатывания функций РЗ.

Рис. 5 – Осциллограмма результатов моделирования для трёхфазного КЗ: ТТ 1000/1; ток КЗ 20 кА

Аналогичные процессы можно получить для случаев включения устройств РЗ на сумму токов ТТ (рис. 6). В данном режиме можно проверять алгоритмы блокирования функций РЗ при внешних КЗ, когда происходит реверс тока в цепях РЗ из-за насыщения одного из ТТ, и направленная защита (например, дистанционная) может воспринять его как КЗ в зоне.

При моделировании предполагается, что устройство РЗ может включаться как на внешнюю, так и н внутреннюю сумму токов ТТ, соответственно процессы в модели для удобства анализа и воспроизведения рассчитываются для каждого ТТ и суммарных токов в цепях РЗ.

Рис. 6 – Моделирование схемы с двумя ТТ (внешнее суммирование токов) для трёхфазного КЗ

2. Режим автоматического воспроизведения переходных процессов в цепях релейной защиты

Основной особенностью функции моделирования переходных процессов ПО РЕТОМ 51/61/71 является возможность воспроизведения смоделированного процесса и непосредственная проверка устройств РЗ как в лабораториях, так и на действующих объектах электроэнергетики. При этом максимальная величина вторичного тока, смоделированного при использовании, например, РЕТОМ-61, составляет 72 А для тестирования в режиме многофазных КЗ (например, функции дистанционной защиты), 108 А – для тестирования в пофазном режиме дифференциальных защит (проверка характеристики торможения) и 216 А – при тестировании в однофазном режиме (фазные и нулевой последовательности токовые защиты).

Смоделированные режимы автоматически масштабируются и воспроизводятся в программах Стандартного ПО РЕТОМ: «Реле тока», «Реле сопротивления», «Реле мощности», «Секундомер-регистратор» и др., что позволяет производить тестирование устройств РЗ искажённой формой вторичного тока при насыщении ТТ, а также неискажённым насыщением тока КЗ с апериодической составляющей в автоматическом режиме для всех видов функций РЗ. Для удобства анализа характеристики срабатывания функций (устройств) РЗ, например реле сопротивления, приводятся к реальному вторичному току КЗ, при котором происходит срабатывание с перерасчётом реального вторичного тока КЗ в момент срабатывания с учётом времени действия выходного контакта защиты.

Для функций РЗ таких, как дистанционная защита, реле направления мощности, включаемых на сумму токов ТТ двух выключателей (физическую или виртуальную), при проверках параметров, связанных с переходом КЗ из внешнего во внутреннее и обратно, токи КЗ на входе моделей ТТ и, соответственно, устройства РЗ, будут изменяться. При этом также будет изменяться и картина насыщения ТТ и форма токов во вторичных цепях РЗ. При автоматических проверках характеристик таких защит (например, Z(φ), φмч) в программе производится автоматическое переключение тока КЗ с внешнего во внутреннее и наоборот, - в зависимости от угла между напряжением и током на текущей проверке.

Для определения границ перехода КЗ (внешнее/внутреннее) задаются углы зоны направленности (рис. 7), при выходе за которую токи, протекающие через ТТ, будут изменять значения, что, соответственно, повлечет за собой пересчет тока и напряжения проверки (для реле сопротивления). Указанная граница также может интерпретироваться как учёт переходного сопротивления (дуги) при КЗ вблизи места установки защиты.

Рис. 7 – Границы зоны направленности для перехода КЗ во внешнее/внутреннее

В качестве примера применения автоматического воспроизведения смоделированных процессов рассматривалось устройство ДЗ SIPROTEC4 7SA522 («Siemens AG»), рис. 8. Снимались характеристики первой ступени без выдержки времени для разных значений времени насыщения ТТ tНАС: более периода T; T/2 < tНАС < T; tНАС < T/2. Наблюдалось «сжимание» характеристики срабатывания ДЗ при сокращении времени начала насыщения ТТ, соответствующее особенностям алгоритма ДЗ устройства 7SA522.

а) 1– синусоидальных входных сигналов; 2– время начала насыщения 26 мс; 3 – время начала насыщения 10 мс; 4 – время начала насыщения 5 мс

б) формы сигналов при проверке характеристики срабатывания ДЗ Рис. 8 – Экспериментальные характеристики срабатывания ДЗ типа 7SA52

Выводы

Автоматическая проверка устройств РЗ в системе «Трансформатор тока – релейная защита» позволяет убедиться в соответствии заданных уставок и алгоритмов РЗ поведению ТТ в аварийных режимах, в том числе с учётом остаточного намагничивания. Сокращается время- и трудозатраты на моделирование и тестирование сложных функций микропроцессорных терминалов РЗ с индивидуальными алгоритмами восстановления формы сигнала тока и блокировки при насыщении ТТ.

С учётом выводов [5], выдвигающих требования к работе устройств РЗ в переходных режимах ТТ, применение рассмотренных возможностей программно-технических комплексов РЕТОМ-51/61/71 для проверки сложных функций и комплексов релейной защиты и автоматики является особенно актуальным.

Литература

1. Mathematical Models for Current, Voltage, and Coupling Capacitor Voltage Transformers. Working Group C-5 of the Systems Protection Subcommittee of the IEEE Power System Relaying Committee, Demetrios A. Tziouvaras, Chairman, Peter McLaren, Vice Chairman, George Alexander, Douglas Dawson, Jules Esztergalyos, Charles Fromen, Mietek Glinkowski, Irwin Hasenwinkle, Mladen Kezunovic, Ljubomir Kojovic, Bill Kotheimer, Richard Kuffel, Jerry Nordstrom, and Stanley Zocholl. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 15, NO. 1, JANUARY 2000.
2. Королев Е.П., Либерзон Э.М. Расчёты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. – М.: Энергия, 1980. – 208 с.
3. Афанасьев В.В. и др. Трансформаторы тока. – Л.: Энергоатомиздат, 1989.
4. СТО 56947007-29.120.70.241-2017 «Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА». Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Дата введения 28.02.2017. ПАО «ФСК ЕЭС» 2017.
5. Воробьёв В.С., Расщепляев А.И. Особенности работы трансформаторов тока в переходных режимах, влияющие на работу устройств релейной защиты и автоматики // Релейщик, №4 – 2015.