Алгоритм дифференциальной защиты трансформатора, описанный в работе [16] , основан на времяимпульсном принципе обработки дифференциального тока. В основе его лежат два принципа:
I. Сравнение с заданным порогом времени между моментами появления напряжения на силовом трансформаторе и дифференциального тока. Так как при броске тока намагничивания (БТН) это время не может быть меньше 2-4 мс, более раннее появление тока свидетельствует о внутреннем повреждении,
2/ Сравнение с заданным порогом времени бестоковой паузы в дифференциальном токе, формируемой на заданном уровне замера. Для того чтобы исключить замедление в срабатывании из-за возможной апериодической слагающей, бестоковые паузы измеряются не в самом дифференциальном токе, а в его производной.
При этом в дифференциальном токе при броске намагничивающего тока силового трансформатора имеются чередующиеся малая (порядка I мс) и большая (более 4-7 мс) паузы, поэтому условие срабатывания защиты записывается в виде системы неравенств:
где ip2 > ipz - указанные паузы.
Распределения параметров при броске тока намагничивания исследовались статистическими методами, например в работе [17] .
Следует отметить, что оба принципа нашли свою реализацию в аналоговых устройствах [18 , 19, 20] . В отличие от принципов, заложенных в эти устройства, особенностью второго принципа [16] является то, что бестоковая пауза при внутреннем КЗ ограничена снизу величиной Aipj . Такое ограничение приводит к замедлению в срабатывании защиты в ряде случаев (например, при подпитке точки КЗ от длинной линии) и может при увеличении кратности тока КЗ привести к отказу в срабатывании.
В работе [21] рассмотрены результаты испытаний цифровой защиты однофазного двухобмоточного трансформатора, выполненной на микропроцессоре.
Структурная схема защиты показана на рис. II. Напряжение, пропорциональное току стороны трансформатора, формируется с помощью шунтов R ш2 и после предварительного усиления и фильтрации
попадает в устройство стробирования импульсов, которое в момент замера осуществляет запоминание (сглаживание) мгновенного значения (выборки) напряжения. Установленный между усилителем и устройством стробирования импульсов аналоговый четырехполюсный фильтр Чебышева обеспечивает затухание до 8дБ на частоте 167 Гц и 20,9 <?£ на частоте 240 Гц при коэффициенте усиления постоянного сигнала, равном 4.
Рас. II. Структурная схема защиты трансформатора [21] :
S/H - устройство стробирования импульсов; МРХ - мультиплексор; AJD - аналого-цифровой преобразователь; L - устройство связи; ВУ - компьютер; ТУ - устройство управления
АЦП выполнен 12-разрядным и рассчитан на диапазон входного напряжения от -10 до 10 В. Время преобразования равно 20 мкс. Алгоритм обработки сигналов, преобразованных в цифровую форму, реализуется с помощью вычислительного устройства и устройства управления, снабженного генератором сигналов частотой 480 Гц.
На рис. 12 приведена блок-схема программы расчета. Программа содержит алгоритм формирования тормозной характеристики защиты, состоящий из трех участков: горизонтального при дифференциальном токе 1Д > 10 , первого наклонного при 10 < 1д < 11 и второго наклонного при Хд > If. Значения 10, /; , /? , а также коэффициенты наклона Кт и Kg жестко заданы программой и равны:
Для расчета местонахождения 1Д в плоскости тормозной характеристики использованы максимальные значения входных токов. Алгоритм, выявляющий бросок намагничивающего тока, основан на сравнении частичных сумм: 
где 1дх.,.1д0 - выборки дифференциального тока»
По полученным данным ВУ определяет
и фиксирует режим броска тока намагничивания, если
Частота дискретизации принималась равной 480 Гц (восемь выборок за период) при номинальной частоте 60 Гц. При выборе периода дискретизации авторами учитывались следующие обстоятельства.
Дискретный сигнал должен сохранить информацию о частотном спектре аналогового сигнала в диапазоне частот, необходимом для действия защиты, в данном случае 120 Гц. Причем частота дискретизации должна превышать указанное значение не менее чем в 2 раза. Увеличение частоты дискретизации ограничивается быстродействием АЦП, который за период дискретизации должен успевать вводить в ЭВМ данные о шести сигналах (для защиты трех фаз трансформатора), для работы ВУ.
При использовании тактового генератора микропроцессора на частоте I мГц максимальное время выполнения алгоритма в одной фазе составляет 59? мкс, что менее 1/3 периода дискретизации. Авторами отмечается, что увеличение числа N отсчетов за период с 8 до 12 приводит к увеличению времени работы программы при одновременном снижении максимально допустимого времени, и для работы устройства в реальном времени требуется увеличение тактовой частоты до 155 МГц.
Программа занимает 466 байт, хранится в оперативной памяти емкости 4 К и вводится всякий раз после включения машины с постоянного носителя на перфоленте.
Цифровой алгоритм защиты трансформатора [22] реализует тормозную характеристику, идентичную характеристике выпускаемой промышленностью СССР защиты типа ДЗТ-21 [19] , которая состоит из начального горизонтального участка, наклонного линейного участка и второго горизонтального участка (рис. 13,а). Положение рабочей точки в плоскости тормозной характеристики определяется в микроЭВМ защиты с помощью линейных уравнений, описывающих указанные участки характеристики через действующие значения дифференциального и тормозного токов. Наряду с традиционным торможением, в защите реализован также принцип реагирования на отношение приращений тормозного и дифференциального токов [15] . Тормозная характеристика для приращений токов представлена в виде прямой, проходящей через начало координат (рис. 13,6).
Рис, 12. Алгоритм работы программы вычислительного устройства дифференциальной защиты трансформатора [21]
Отстройка от броска тока намагничивания обеспечивается путем вычисления и сравнения между собой первой и второй гармоник дифференциального тока.
В алгоритм защиты заложена компенсация составляющей тока небаланса, вызванной регулированием под нагрузкой коэффициента трансформации силового трансформатора. Для этого в защиту вводится информация о положении РПН. Кроме того, программным путем осуществляется компенсация групп и соединений силового трансформатора.
Рис. 13. Тормозные характеристики защиты [22] :
а - для полных тормозного 1т и дифференциального 1д токов; д - для приращений этих же токов
Защита реализована на микроЭВМ типа К 1520 8-битовым процессором И880. Для обеспечения необходимой надежности путем тестирования использовались две микроЭВМ (ВЩ и ВМ2). Структурная схема защиты представлена на рис. 14.
Аналоговые величины преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП с разрешающей способностью 12 бит и временем преобразования 25 мкс.
Устройство сбора данных измерений содержит согласующий блок и фильтр нижних частот Баттерворта 5-го порядка с частотой среза 120 Гц, усилители считывания и задержки, мультиплексор и процессор, осуществляющий подготовку 16-битных слов, представляющих токи защищаемых присоединений. В защите используется интервал дискретизации, равный 1,25 мс (800 Гц). Подготовленные данные поступают в ВЩ через общеподстанционную распределительную ВМ. В защите заложено следующее распределение функций между двумя микроЭВМ:
ВЖ обеспечивает прием данных, коррекцию токов, расчет мгновенных значений дифференциального и тормозного токов, расчет действующего значения тормозного тока;
ВМ2 получает данные от BMI, определяет действующее значение дифференциального тока, определяет местонахождение рабочей точки на плоскости тормозной характеристики, вычисляет процент второй гармоники дифференциального тока по отношению к первой и вырабатывает, в случае необходимости, сигнал отключения.
Рис. 14. Структурная схема защиты трансформатора [22]
Защита успешно прошла испытания в лабораторных условиях на небольшом силовом трансформаторе. В программу испытаний включались: включения на холостой ход, внешние КЗ, внутренние КЗ, в том числе витковые (замыкались 10 % витков). К недостаткам защиты следует отнести ее высокую сложность, приводящую, как правило, к низкой надежности и высокой стоимости. В то же время данное устройство представляет собой одно из наиболее современных устройств цифровой дифференциальной защиты трансформатора.
С развитием средств микропроцессорной техники наметилась тенденция к их комплексному применению в виде микропроцессорных систем защиты, унифицированных с системами управления подстанциями. Примером таких систем является разработанная фирмой Siemens микропроцессорная система защиты ответвлений типа 7 А, краткая информация о которой приведена в [23, 24] . В составе системы имеются дифференциальная защита силового трансформатора и дифференциальная защита шин.
Алгоритмы рассмотренных устройств цифровых дифференциальных защит базируются, в основном, на известных принципах, используемых в аналоговых устройствах защиты.
Цифровые способы реализации дифференциальных защит позволяют развивать перспективные принципы, которые не получили широкого распространения из-за трудностей аппаратной реализации, например, программный учет положения РПН трансформатора для ДЗТ, принцип сравнения приращений токов.
Благодаря программной реализации наметилась тенденция одновременного применения нескольких принципов (алгоритмов) в одной защите, что позволяет существенно улучшить их основные характеристики: селективность, чувствительность, быстродействие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Использование микроЭВМ в системах оперативного и автоматического управления//Средства и системы управления в энергетике: Обзор. информ.Сер.6. Информэнерго, 1988. Вып. I.
2 Шнеерсон Э.М. Измерительные органы релейной защиты на основе микропроцессорных структур//Электротехн.пром-сть: Обзор.информ. Сер.07. Аппараты низкого напряжения. Информэлектро, 1988. Вып.1.
3 Ямаура Мицуру. Тенденции развития релейной защиты// Toshiba Rev. I986.4I.JS II. Pp.940-941.
4 Линт М.Г., Фурашов B.C. Современные устройства дифференциальной Защиты сборных шин высокого напряжения//Электротехн.пром-сть : Обзор.информ. Сер. 07. Аппараты низкого напряжения. Информэлектро, 1987. Вып. 1(6).
5 Арцишевский Я.Л. и др. Цифровая токовая релейная защита со сжатием данных в измерительных цепях//Тр.Моск.энерг.ин-та. 1986. Вып.96. С.156-165.
6 Ларин Ю.Т. Оптические кабели//Электротехн.пром-сть: Обзор.информ Сер.19. Кабельные изделия. Информэлектро, 1983.
7 Кондзуми Кинусукэ, Курасова Киеси. Использование волоконно-оптических кабелей в технике измерений в энергетике//Дэнки Херон. Elec. Rev. 1986. 71. № 6. С.679-686.
8 Судзияма Т. и др. Разработка дифференциальной токовой релейной системы с кодо-импульсной модуляцией передачи данных по волоконно-оптическому кабелю//Пер.е англ. № КЛ-78184. Киев, 1985.
9. Оптоволоконные системы "Электроника"// Каталог. ЦНИИ "Электроника". 1984.
Ю.Акимото И., Ямоура М., Мацисима Т. Система цифровой дифференциальной релейной защиты для линий электропередачи со сверхвысоким напряжением//Пер. с англ,№ КЛ-78237. Киев, 1985.
Protective differential reluy. The General Electric Company P.I.C. (United Kingdom) UK Patent Application GB2173&58A.
Касьянов Г.П., Холоденко Ю. Исследование чувствительности дифференциальной защиты, использующей информацию о режиме работы защищаемого объекта в дискретной форме// Автоматизация и релейная защита электрических систем. Киев: Наукова думка, 1977. С.70-74.
Цыгулев Н.И. Разработка алгоритмов функционирования быстродействующих реле на базе однокристальных микроЭВМ серии К 1816// Быстродействующая релейная защита и противоаварийная автоматика электрических систем. Новосибирск, 1987.
Касьянов Г.П., Германчук Г.Ф. Ситуационный принцип выполнения программируемых защит сосредоточенных объектов энергосистем// Известия вузов. Энергетика. 1988. № 5.
Patrick J.M.c.Cleer, Mustahann Mir. A new technique of differenttial relaying the A -differential relay // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. PAS-101. No 10, October 1982.
I60New idea of digital transformer differential protection. Hibner E,, Zielenski J.S. // Arch, electrotechn. (PRL). 1984.
N 1/2. Pp. 34-9-351.
I7,Hibner E. Statistical investigation of the inrush current for digital transformer differential protection // Arch, electrotechn. (PHL). 1984. N 1/2. Pp.213-218.
18.3асыпкин A.C., Аллилуев В.А. Устройство для дифференциальной защиты силового трансформатора, А.с, 907668.
Дмитренко А.М., Линт М,Г. Дифференциальная защита трансформаторов ДЗТ-21//Электротехн,пром-сть; Обзор.информ, Сер. 07, Аппараты дизкого напряжения, Информэлектро, 1979, Вып. 3(79).
Надель Л.А., Линт М.Г., Гибель Н.Е. Комплекс защит автотрансформаторов//Электротехника. 1985. № 8.
2I.I,aIson R,R., Flechsig A.J. The design and test of digital relay for transformer protection // IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-98. N 3» May/June 1979.
Pp,795-804.
Herrmann H.J., Forster U. Einsatz von Mikrorechnem fur den digitalen Transformatordifferentialachutz // Messen-StevernHegeln. Berlin 28, (1985).
Koch G., Renz E. Never modemen Abzweigschutz auf Mikroprozessorbaais // Siemens Energie & Automation. 7(1985) Heft 2.
S. 134-157.
Westerhol H, Leittechnik fur schaltanlagen // E. und M. Jargaung ЮЗ, Heft 7/8. S. 363-372. УДК 621.310.925 2:621.311 РГ 45.31.31
Линт М Г, Фурашов В. С. Дифференциальные токовые защиты элементов энергосистем с применением цифровой техники // Электротехн. пром-сть. Сер. 07. Электр, аппараты и устройства низкого напряжения: Обзор, информ. — 1990. —Вып. 16. — С. 1—32.