На основе результатов анализа схем ПДФЗ (гл. 6) в Чувашском государственном университете им. И. Н. Ульянова была разработана схема ПДФЗ, описание которой приведено в [67].
Защита работает в соответствии с логическими выражениями (6.13) и не действует при повреждениях проводов ЛС. Устройство контроля выполнено на основе принципа информационной избыточности рабочего сигнала. Поскольку ПДФЗ принципиально не реагирует на повреждения ЛС, то контроль проводов действует на сигнал.
Рис. 7.5. Функциональная схема защиты типа ДФТЗ-1
Функциональная схема защиты типа ДФТЗ-1 приведена на рис. 7.5. На выходе КФСС включен полосовой фильтр ZA, уменьшающий содержание апериодической составляющей тока КЗ в выходном сигнале КФСС и улучшающий работу ПДФЗ при насыщении измерительных ТТ. Формирователи прямоугольных импульсов (ФПИ) образуют в моменты перехода сигнала через нуль однополярные прямоугольные импульсы длительностью tи=0,57T Реагирующие органы содержат пороговые элементы ЕА1 и ЕА2 и работают по принципу сравнения времени несовпадения рабочих импульсов полукомплектов с заданным временем tбл, определяемым оператором задержки на срабатывание D↑. Включение реагирующих органов через разделительные диоды VD1 и VD3 обеспечивает работу ПДФЗ в соответствии с (6.13). Пусковой орган АК блокирует действие ПДФЗ при входных токах, меньших тока надежной работы ФПИ.
В нормальном режиме работы защищаемой линии или при внешнем КЗ (рис. 7.6,а) токи по концам линии сдвинуты на угол φ, близкий к 180°, поэтому рабочие сигналы на выходах инверторов DW1 и DW2 сдвинуты на угол (π—φ), приближающийся к нулю. В цепи ЛС протекает импульсный ток прямоугольной формы с длительностью импульсов τи=φT/2π. Угол блокировки защиты φбл связан с временем ил соотношением φбл=2π/tбл. Так как в этом случае tи<tбл, то ПДФЗ не работает.
При КЗ в защищаемой зоне и двухстороннем питании (рис. 7.6,б) токи по концам линии сдвинуты на угол φ≈0. ВЛС будет протекать импульсный ток длительностью tи=(π—φ)T/2π. В КДР поступают сигналы, определяемые инверторами противоположных концов линии.
Рис. 7.6. Временные диаграммы работы защиты:
а— внешнее КЗ; б — КЗ в зоне защиты; в — КЗ в зоне при одностороннем питании
В этом режиме tи>tбл, поэтому ПДФЗ будет действовать на отключение выключателей на обоих концах ВЛ.
При повреждении в зоне защиты и одностороннем питании (рис. 7.6,б) ток на входе КДР-II отсутствует и с инвертора DW2 в цепь ЛС будет поступать непрерывный сигнал, а с инвертора DW1 — однополярные импульсы. В этом случае КДР-I выдает сигнал на отключение своего выключателя.
Реагирующие органы ПДФЗ реализуют логическую функцию
где у определяется по (6.13); увх — сигнал на входе АК; П — уставка срабатывания АК.
При обрыве ЛС обмен информацией между КДР прекращается. В случае замыкания ЛС разрешающие сигналы не попадают в реагирующий орган из-за разделительных диодов VD1 и VD3.
Комбинированный фильтр симметричных составляющих. В качестве преобразователя трехфазной системы токов в однофазную применен КФСС тока (рис. 7.7), выполненный на операционных усилителях А1—АЗ. Во входных цепях КФСС применяются полосовые фильтры, образованные индуктивностями ветвей намагничивания трансреакторов TAV1 и TAV2 и конденсаторами С1 и С2. Изменение коэффициента k в пределах 4—10 осуществляется с помощью резистора R13.
Рис. 7.7. Принципиальная схема КФСС и формирователя рабочих импульсов защиты
Формирователь рабочих импульсов защиты (рис. 7.7 и 7.8), выполненный на ОУ А4, преобразует входной сигнал в прямоугольные
импульсы продолжительностью 0,5Т, которые усиливаются транзисторным каскадом на VT1 (рис. 7.7) и через оптронную развязку VD2 поступают на инвертор, выполненный на транзисторах VT2 и VT3. При отсутствии входного сигнала цепочкой R17—R18 создается начальное смещение на ОУ (20 мВ), необходимое для нормальной работы защиты и УК. С входа инвертора VT2—VT3 однополярные прямоугольные импульсы с амплитудой, равной 25 В у КДР-I и 50 В у КДР-II, поступают в цепь ЛС, где сравниваются.
Стабилитрон VD8 (рис. 7.8) предназначен для защиты инверторов VT2 и VT3 от возможных перенапряжений в цепи ЛС.
Минимальное значение амплитуды импульса Uи (25 В) выбиралось исходя из условия отстройки действия ПДФЗ от влияния наведенных ЭДС. Таким образом, максимальное рабочее напряжение в цепи ЛС не превосходит 50 В.
Рис. 7.8. Принципиальная схема усилителя рабочих импульсов
Рис. 7.9. Принципиальная схема реагирующего органа защиты (а) и устройства контроля ЛС (б)
Реагирующий орган защиты (рис. 7.9) подключается к цепи ЛС через развязывающий диодный оптрон VD6 (рис. 7.8) и содержит пороговый элемент, элемент задержки на срабатывание и элемент задержки на возврат. Пороговый элемент выполнен на ОУ А5, элемент задержки на срабатывание содержит VD10, R32—R34 и С5. Элемент задержки на возврат выполнен на интегральных микросхемах (ИМС) D1, D2, диоде VD11, резисторе R35, конденсаторе С6. Ток срабатывания РО определяется опорным напряжением на неинвертирующем входе ОУ А5. Изменяя выдержку времени на срабатывание с помощью переключателя ХВ1, можно регулировать ширину зоны блокировки защиты в пределах 50—85°. Выходной усилитель РО выполнен на транзисторе VT4, в коллекторную цепь которого включены герконовое реле К1 и сигнальный светодиод VD14.
Работа РО происходит следующим образом. При отсутствии сигналов в ЛС через светодиод оптрона VD6 ток не протекает, фотодиод оптрона VD6 имеет большое сопротивление и на инвертирующий вход ОУ А5 поступает положительное напряжение, превышающее опорное напряжение на неинвертирующем входе Л5, определяемое делителем R29—R30. В результате напряжение на выходе А5 отрицательно, диоды VD9 и VD10 открыты, конденсатор С5 разряжен и на выходе ИМС D1 сигнал имеет уровень логической 1 и поэтому диод VD11 закрыт.
Рис. 7.10. Принципиальная схема пускового органа защиты типа ДФТЗ-1
Конденсатор С6 заряжен до напряжения, превышающего уровень 1 на выходе D1, в результате на выходе ИМС D2 сигнал имеет уровень логического 0. Независимо от состояния выхода пускового органа (ПО) на выходе ИМС D3 имеется сигнал 1, транзистор VT4 закрыт и реле К1 не срабатывает.
При появлении сигнала заданной полярности в цепи ЛС он попадает в оптрон VD6, сопротивление фотодиода уменьшается, что приводит к изменению знака напряжения на выходе Л5, диоды VD9 и VD10 закрываются и начинается заряд конденсатора С5 через один из резисторов R32—R34. Если длительность сигнала в ЛС, определяемая углом сдвига по фазе токов по концам защищаемой линии, превышает заданную, происходит изменение состояния ИМС D1 с уровня 1 до 0, конденсатор С6 разряжается и на выходе ИМС D2 появляется сигнал 1, разрешающий работу выходного реле К1.
Пусковой орган защиты (рис. 7.10). Наличие пускового органа (ПО) в защите является обязательным, так как при токах, близких к нулю (режим холостого хода), из-за погрешностей ФПИ возможно неселективное действие ПДФЗ. На рис. 7.11 показано, как изменяется продолжительность прямоугольного импульса в зависимости от амплитуды входного сигнала. ФПИ имеют конечные пороги срабатывания Uср ф (рис. 7.11), отличные от нуля из-за необходимости отстройки от помех на входе ОУ А4
где Uср ф — напряжение срабатывания ФПИ; Um — максимальное значение входного напряжения ФПИ.
Рис. 7.11. Работа формирователей рабочих импульсов защиты при разных уровнях входного сигнала
Рис. 7.12. Зависимость сигнала небаланса в цепи ЛС от погрешностей формирователей рабочих импульсов
Кроме того, необходимо учитывать, что ФПИ, установленные на противоположных концах защищаемой линии, из-за различных дестабилизирующих факторов (технологические разбросы параметров самих элементов схемы, воздействие окружающей среды, изменение параметров вследствие несоблюдения норм при монтаже и т. д.) могут иметь различные уровни срабатывания, т. е. Ucp ф1≠Uср ф2. В этом случае появляется дополнительная погрешность (рис. 7.12).
Как показано в [71], небаланс Δφ может принимать значения, близкие к φбл. Использование пускового органа обеспечивает надежную правильную работу ПДЗ в этих режимах. Кроме того, ПО повышает надежность функционирования ПДФЗ при действии наведенных ЭДС и позволяет осуществлять плавное регулирование тока срабатывания.
Пусковой орган защиты, выполненный в виде время-импульсного реле максимального тока, содержит двухполупериодный выпрямитель на ОУ А7, пороговый элемент на ОУ А8 и элемент задержки на возврат на время 10 мс, выполненный на ИМС D6, D7 и R58, С9. Изменение тока срабатывания осуществляется регулированием сопротивления R47 в пределах (0,75-М ,5)Iном.
Устройство контроля Л С. Рабочие сигналы КДР-I и КДР-II имеют различную амплитуду: КДР-1—25 В, КДР-II—50 В. Разность амплитуд сигналов используется для контроля исправности ЛС.
Устройство контроля (УК) входящее в состав КДР-I, реагирует на обрыв и замыкание жил ЛС между собой и действует на сигнал ЛС (рис. 7.9). УК подключается к цепи ЛС через диод VD5 и оптрон VD7 (см. рис. 7.8) и содержит пороговый элемент на ОУ А6, элемент задержки на возврат, выполненный на ИМС D4, D5, VD16, R43, С8, и выходной усилитель VT5, в коллекторную цепь которого включены реле К2 и светодиод VD19.
Как было показано ранее (гл. 6), чувствительность УК к изменению параметров ЛС выше чувствительности КДР ПДФЗ, что обеспечивает надежную работу защиты в этих режимах.
Периодический контроль исправности защиты. Для повышения надежности функционирования в процессе эксплуатации в защиту введен периодический контроль исправности ее элементов.
Рис. 7.13. Функциональная схема защиты с периодическим контролем ее исправности
Принцип действия ПДЗ позволяет сравнительно простыми средствами выполнить функциональный контроль ее исправности, для чего необходимо на время проверки нарушить процесс обмена информацией между КДР защиты. Функциональная схема защиты с элементами контроля ее исправности, выполненная в соответствии с [72], приведена на рис. 7.13.
При нажатии кнопки S1 происходит закорачивание цепи Л С контактами S1.1, в результате чего прекращается обмен информацией между КДР защиты и в реагирующий орган (РО) рассматриваемого КДР поступают с противоположного конца рабочие импульсы длительностью в полпериода промышленной частоты, которые приводят к срабатыванию РО в случае его исправности. Одновременно контактом S1.2 на дополнительное реле К1 подается питание, а контактом S1.3 через схему И2 блокируется исполнительный элемент защиты ИЭ. При срабатывании реле К1 его контакт К1.1, замыкаясь, изменяет установку срабатывания пускового органа ПО в сторону уменьшения, в результате чего на выходе элемента И1 появляется сигнал логической 1 и сигнальный элемент СЭ будет сигнализировать об исправности защиты. При отпускании кнопки S1 в цепь ЛС сразу начнут поступать сигналы об обоих КДР, но реле К1, имеющее задержку на возврат, в течение некоторого времени (примерно 40 мс) контактом KL2 блокирует исполнительный элемент, предотвращая возможное кратковременное срабатывание выходного реле защиты. Аналогичным образом происходит контроль исправности защиты на противоположном конце линии.
Рис. 7.14. Схема выходных цепей защиты ДФТЗ-1
Рис. 7.15. Принципиальная схема блока питания защиты
Выходные реле защиты (рис. 7.14) содержат реле КЗ и К4 типа РПУ-0, реле повторителя К5 и К6 типа РПС-20, сигнальные лампы Н1 (ПДФЗ) и Н2 (УК) и кнопки «Сброс» и «Тест». Кнопка S2 «Тест» позволяет осуществить проверку исправности защиты без вывода ее из действия.
Блок питания защиты (рис. 7.15). Питание защиты осуществляется от схемы преобразователя оперативного постоянного напряжения 220 В в напряжение 15, 25 (50) и 24 В. Блок питания выполнен на полумостовой схеме транзисторного преобразователя напряжения, которая сочетает простоту с достаточно высокой надежностью работы. Последовательно соединенные транзисторы высокого напряжения VT6 и VT7 типа КТ-809А являются переключательными элементами преобразователя. Емкостный делитель С14—С15 улучшает работу преобразователя, так как напряжение на закрытом транзисторе в этом случае не превышает напряжения источника питания. Цепочка R62, R63, С11 предназначена для запуска преобразователя. Напряжения питания 15 и 25 (50) В стабилизируются, пульсации сглаживаются фильтрами L1—С16, L2—C17t L3—С18, L4—С19. Благодаря высокой частоте преобразователя (10 кГц) блок питания имеет незначительные габариты. Для защиты от возможных перенапряжений во входную цепь блока питания включен варистор R61
В схеме защиты использованы высокопороговые ИМС серии К511, что обусловило высокую помехоустойчивость защиты. В качестве ОУ использовались ИМС серии К553. В схемах не показаны цепи коррекции и защиты ОУ.
Результаты исследований и испытаний защиты. С целью изучения поведения защиты в условиях переходных режимов КЗ в [41] были проведены исследования ее с помощью математического моделирования на ЭВМ. При этом определялось влияние первичного тока, постоянных времени первичной и вторичной цепи и параметров КФСС на величину сигнала небаланса. Особое внимание при моделировании было уделено расчету небаланса, возникающего при разнополярных остаточных индукциях в магнитопроводах и их насыщении.
В результате моделирования установлено:
- В переходных режимах КЗ между выходными сигналами фильтров КДР-1 и КДР-II защиты появляется фазовый сдвиг φ, который стремится к нулю по мере затухания переходного процесса. Если окажется, что φ>φбл, то возможна неселективная работа защиты, что необходимо учитывать при выборе угла блокировки защиты.
- Наибольшее влияние на фазовый сдвиг φ оказывают величина и знак остаточной индукции Вr в магнитопроводах ТТ. При сочетании наихудших условий (при r максимальной апериодической составляющей в токе КЗ с постоянной времени T1= 0,1 с, наибольшей остаточной индукцией разных знаков и предельно допустимой нагрузке ТТ) максимальный фазовый сдвиг достигает 80°. Однако на практике такое сочетание маловероятно. При наиболее вероятных значениях Т=24 с, ZH=0,74, Br1,2=±0,5 Тл [71] сигнал небаланса φ=45ο-:-50°, что указывает на селективную работу ПДФЗ в переходном режиме.
- Настройка полосового фильтра, установленного на выходе фильтра, на резонансную частоту, несколько меньшую 50 Гц, улучшает форму кривой и снижает сигнал небаланса.
- Полосовой фильтр на выходе фильтра обеспечивает постоянство начальной фазы основной гармоники выходного сигнала, поэтому при искаженных токах начальная фаза выходного напряжения
формирователя прямоугольных импульсов определяется основной гармоникой тока. Если сумма угловой погрешности ТТ и угла расхождения векторов напряжения по концам линии в момент, предшествующий КЗ, не превышает допустимого угла надежной работы защиты при КЗ в защищаемой зоне (π—φбл), то надежная работа ПДФЗ обеспечена.
При работе ТТ с погрешностями по току до 50 % это условие всегда выполняется [71], поэтому при КЗ в защищаемой зоне может быть допущена работа ТТ, питающих цепи ПДФЗ, с погрешностью по току до 50 %.
Защита имеет следующие технические данные:
- Номинальные данные: переменный ток— 5 А, 50 Гц; постоянный ток — 220 В.
- Потребляемая мощность: цепями переменного тока при номинальном симметричном трехфазном токе — не более 0,5 В·А на фазу, цепями постоянного тока для КДР-I в нормальном режиме — не более 8 Вт, при срабатывании — не более 15 Вт; для КДР-II в нормальном, режиме — не более 11 Вт, при срабатывании — не более 17 Вт.
- Защита обеспечивает надежное селективное действие при КЗ в зоне в диапазоне изменения вторичных токов от Iс.з до 40 Iном, где Iном — номинальный ток защиты, и при параметрах ЛС, не входящих за пределы: Rл = 0-:-1000 Ом; Сл = 0-:-0,5 мкФ.
- При повреждении вне защищаемой зоны защита селективна, если фазы токов по концам защищаемой линии находятся в пределах 180°±φбл, где фбл=60, 65, 80°.
- Все элементы защиты, которые в нормальном режиме обтекаются током, длительно выдерживают 110% номинального тока и напряжения.
- Устройство контроля сигнализирует о снижении сопротивления изоляции ЛС до 17 кОм и ниже.
- Время действия защиты с выходным реле не превышает 0,03 с.
- Защита имеет плавную регулировку тока срабатывания по току прямой последовательности (0,75—1,5)Iном·
- Максимальное значение напряжения на ЛС не превышает 50 В.
- Сопротивление изоляции всех независимых цепей переменного и постоянного тока относительно корпуса и между собой в обесточенном состоянии защиты при температуре окружающего воздуха —(-20°С составляет не менее 10 мОм.
- Масса КДР защиты около 7 кг.
- Габариты одного комплекта защиты 290X220X270 мм.
Защита типа ДФТЗ-1 была изготовлена на кафедре электрических аппаратов ЧГУ им. И. Н. Ульянова и установлена для опытной эксплуатации в районном энергетическом управлении Смоленскэнерго на ВЛ 110 кВ протяженностью 5 км. Перед установкой в эксплуатацию защита была испытана в лаборатории кафедры и в электротехнической лаборатории ТЭЦ-2 управления Смоленскэнерго. Лабораторные, натурные испытания и опытная эксплуатация защиты ДФТЗ-1 показали, что она правильно работает при всех видах повреждений, имеет более высокую селективность и быстродействие, существенно меньшие габариты, массу и потребляемую мощность по сравнению с защитой ДЗЛ-2.