Название: Основные особенности продольных дифференциальных защит электрооборудования (Багинский, Л.В.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1222


5.2.  признаки режима внешнего кз   в переходных процессах

 

Осциллограмма максимального тока небаланса в подавляющем большинстве  ПП внешних КЗ имеет вид последовательности однополярных импульсов, разделенных паузами (см. рис. 7). Такой характер этого тока вполне закономерен, поскольку этот ток образован намагничивающим током глубоко насыщенного ТТ, причем это насыщение вызвано наличием апериодической составляющей в первичном токе. Последняя является экспонентой и поэтому имеет однополярный характер, что и обусловливает однополярность импульсов тока небаланса. Паузы между импульсами тока возникают в связи с изменением полярности первичного тока в окрестностях конца каждого периода ПП (относительно полярности апериодической составляющей), что приводит к выходу из насыщения ТТ

и, следовательно, к снижению его намагничивающего тока до пренебрежимо малой величины. Запаздывание появления очередного импульса относительно начала полуволны первичного тока такой же полярности, как и у апериодической составляющей, обусловлено необходимостью определенного времени для нарастания потока в сердечнике до порога насыщения в данном периоде ПП (после каждого выхода из насыщения) [3]. В то же время при внутреннем КЗ, не сопровождающемся насыщением ТТ, в дифференциальной цепи протекает либо синусоидальный, либо синусоидальный с апериодической составляющей ток. При насыщении ТТ в этом режиме за счет апериодической составляющей форма дифференциального тока также существенно искажается (см. сплошную линию на рис. 8), но осциллограмма этого тока существенно отличается от представленной на рис. 7.

 

Рис. 8

 

Таким образом, характеры осциллограмм тока небаланса в ПП (т.е. ложного сигнала) и дифференциального тока в режиме внутреннего КЗ (полезного сигнала) принципиально отличаются друг от друга. Это отличие открывает принципиально иную возможность отстройки от тока небаланса по сравнению с рассмотренными способами в разд. 4. Если найти устойчивый признак возникновения тока небаланса, порожденного насыщением ТТ в ПП, то по этому признаку можно идентифицировать режим внешнего КЗ и воздействовать на РО ДЗ таким образом, чтобы она не могла сработать.

Существует несколько признаков тока небаланса ПП, сопровождающихся насыщением ТТ. Эти признаки различаются по своим свойствам. Часть признаков проявляется как в токах небаланса в ПП, так и в режимах внутренних КЗ, но в последних режимах в меньшей степени, чем в первых (или в течение меньшего интервала времени). Такие признаки условимся называть количественными. Они, как правило, проявляются на значительных интервалах ПП. Другая часть признаков, называемых качественными, проявляется в режимах внешних КЗ и не проявляется в режимах внутренних КЗ, но на незначительных интервалах (доли периода, т.е. в течение нескольких миллисекунд). Однако интенсивность проявления этих признаков на разных стадиях ПП, а также при различных условиях возникновения ПП может быть различной. Поэтому устойчивыми признаками тока небаланса (т. е. режима внешнего КЗ) являются только такие признаки, которые позволяют уверенно идентифицировать режимы внешнего или внутреннего КЗ.

Рассмотрим сначала наиболее широко используемые количественные признаки режима внешнего КЗ и условия их устойчивости.

Наиболее очевидным признаком максимального тока небаланса в ПП, сопровождающемся значительной апериодической составляющей тока КЗ, является его однополярность (см. рис. 7), что существенно отличает его по форме от дифференциального тока в режиме внутреннего КЗ (см. рис. 8). Однако далеко не во всех реально возможных условиях эксплуатации ДЗ этот признак достаточно устойчив. Действительно, при внутренних КЗ на защищаемом объекте, непосредственно присоединенном к мощному источнику питания, может возникать ток с максимальной апериодической составляющей при величинах постоянной времени 0,3–0,5 с, а амплитуда периодической составляющей этого тока в течение нескольких периодов будет уменьшаться [4]. Тогда осциллограмма тока КЗ имеет практически однополярный характер, поскольку как амплитуда непродолжительных полуволн (т.е. полуволн, имеющих противоположную полярность по отношению к полярности апериодической составляющей) исчезающе мала. Если таким первичным током будет обтекаться ТТ с незначительной нагрузкой, то этот ТТ может не насыщаться в продолжение нескольких периодов и полезный сигнал (ток в РО ДЗ при внутреннем КЗ) будет также иметь почти однополярный характер. Следовательно, по признаку однополярности ДЗ идентифицирует режим внутреннего КЗ как режим внешнего КЗ и не будет срабатывать, пока ток в ее РО не станет разнополярным, т.е. пока не возрастет существенно амплитуда непродолжительных полуволн. Таким образом, возможна задержка в срабатывании, соизмеримая с постоянной времени апериодической составляющей. Следует отметить, что при значительной нагрузке ТТ, обтекаемом током КЗ такого характера в рассматриваемом режиме, также возможна задержка в срабатывании,

поскольку РО может не успеть сработать до первого насыщения ТТ (см.

рис. 8). При столь малой амплитуде непродолжительных полуволн их площадь (которая определяет значение вторичного тока ТТ в очередном периоде [3]) может быть ничтожно мала и соответственно интенсивность полезного сигнала недостаточна для срабатывания РО. Неустойчивость этого признака может проявляться и в режиме внешних КЗ, особенно при двустороннем питании внешнего КЗ (см. рис. 9а). Если в доаварийном режиме существовал значительный переток активной мощности от источника питания ветви 1 к ветви 2 (или наоборот), то  векторы токов источников

 

Рис. 9а

 

Подпись: IKПодпись:  
Рис. 9б
могут существенно не совпадать по фазе, например, arg I1 > arg I2  (см.

рис. 9б). Тогда вполне возможно, что КЗ произойдет в тот момент, когда максимальная апериодическая составляющая возникнет в ветви с опережающим током (I1 на рис. 9а). Поскольку arg I1 > arg IK, ток iK  в поврежденной ветви начнется с непродолжительной полуволны (см. рис. 9в) и поэтому в начале ПП поток в сердечнике ТТК  будет изменяться в сторону удаления от насыщения. И только с момента начала продолжительной полуволны приращение потока будет происходить в направлении насыщения сердечника.

По этим причинам, а также из-за возможного различия нагрузок и остаточных потоков в сердечниках ТТ1 и ТТК  первый из них может насытиться значительно раньше, чем второй. Аналогично, выходить из насыщения ТТ1 будет раньше, чем ТТК, так как продолжительная полуволна тока i1 окончится раньше, чем тока iK. Поэтому эти ТТ будут насыщаться и выходить из насыщения поочередно: при  насытится ТТ1 (см. рис. 9в) и лишь при  – ТТК, т. е. на интервале  в состоянии насыщения будет находиться только ТТ1, а его вторичный ток будет равен нулю. Затем на интервале  будут насыщены оба эти ТТ и сохранится ток

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г

 

 

 

iK

 

 

 

 

 

 

iнб

 

i2

 

i1

 

Рис. 9в, г

лишь в плече ТТ2 i2. При  выйдет из насыщения ТТ1, при  выйдет из насыщения  ТТК (на интервале  будет насыщен лишь ТТК). В последующих периодах очередности насыщения и выхода из насыщения, а также следования интервалов времени, в которых насыщены один или оба ТТ, будут сохраняться, пока не насытятся другие ТТ. Таким образом, вследствие поочередного преобладания намагничивающих токов насыщенных ТТ (то ТТ1, то ТТК) образуется разнополярный ток небаланса, модуль которого соизмерим с модулем максимального тока небаланса в ПП, хотя и меньше его. На рис. 9 осциллограммы построены на основе ПХН-аппроксимации характеристики намагничивания ТТ [3]: когда насыщен только ТТ1, его вторичный ток отсутствует и ток небаланса есть iK +  i2, когда насыщены ТТ1 и ТТК – i2, когда насыщен только ТТК – i1+ i2.

Возможность возникновения разнополярного тока небаланса в рассматриваемом режиме можно доказать без построения осциллограммы.

В самом деле, ток небаланса образован алгебраическим суммированием мгновенных значений намагничивающих токов, которые при глубоконасыщенных ТТ практически не отличаются от их первичных токов. Но векторы первичных токов ТТК и ТТ1 почти взаимно противоположны, т. е. их мгновенные значения имеют противоположную полярность на протяжении большей части их полуволн. Поэтому если насыщен один из этих ТТ, полярность тока небаланса задана полярностью полуволны первичного тока насыщенного ТТ, а так как они насыщаются поочередно, полярность искомого тока небаланса меняется. Когда насыщены оба ТТ, ток небаланса есть алгебраическая сумма мгновенных значений намагничивающих токов этих ТТ, которая также может изменять полярность, поскольку векторы первичных токов этих ТТ мало отличаются от положения противофазы (см. рис. 9б).

Другим распространенным признаком тока небаланса в ПП (и соответственно, режима внешнего КЗ) является большее содержание четных гармоник (особенно второй) в токе небаланса, чем в дифференциальном токе режима внутренних КЗ. Физической причиной проявления этого  признака является также одностороннее насыщение ТТ в ПП и, следовательно, однополярный характер намагничивающего тока. В результате этого полуволны противоположной полярности периодической составляющей тока небаланса в ПП не могут быть симметричными. Однако и в ПП режима внутреннего КЗ, сопровождающемся глубоким насыщением ТТ, дифференциальный ток тоже содержит четные гармоники (см. рис. 8)

в достаточно большом количестве. Как показали исследования, не существует достаточно четкого количественного различия в содержании четных гармоник в дифференциальных токах обоих рассматриваемых режимов при глубоких насыщениях ТТ. Такое различие  появляется, если в режимах внутренних КЗ отсутствует апериодическая составляющая, обусловившая глубокое насыщение ТТ. Поэтому при использовании этого признака в случаях глубоких насыщений ТТ в режимах внутренних КЗ возникают задержки в срабатывании ДЗ: в начале ПП по рассматриваемому признаку она ложно идентифицирует режим внешнего КЗ и лишь на последующей стадии ПП, когда степень насыщения ТТ снижается, происходит выявление внутреннего КЗ. Некоторого уменьшения задержек в срабатывании можно достичь, если в качестве признака тока небаланса ПП вместо второй гармоники использовать отношение амплитуд второй и первой гармоник дифференциального тока.

Количественным признаком тока небаланса в ПП с глубоким насыщением ТТ является также наличие пауз между импульсами (полуволнами) осциллограммы этого тока на тех интервалах времени, когда ТТ выходит из насыщения. При неглубоких насыщениях такие паузы в явном виде отсутствуют, но на интервале выхода из насыщения мгновенное значение тока небаланса изменяется гораздо медленнее (на 1–2 порядка), чем на интервале насыщенного состояния. Поэтому эти паузы достаточно четко проявляются в первой производной тока небаланса. Однако устойчивость этого признака может нарушаться в режимах как внешнего, так и внутреннего КЗ. При внешних КЗ объекта ДЗ, непосредственно примыкающего к мощному источнику питания, непродолжительная полуволна может быть весьма малой, если в токе содержится апериодическая составляющая, начальное значение которой близко к максимальному (как было уже отмечено выше). Поэтому насытившийся в начале ПП ТТ будет выходить из насыщения на весьма короткое время [3] и, следовательно, длительность пауз будет незначительной. Кроме того, в режиме внешних КЗ с двусторонним питанием при наличии значительного взаимного угла между ЭДС источников питания и максимальной апериодической составляющей в токе питающей ветви (см. рис. 9) паузы могут существенно сокращаться за счет разновременности насыщений и выходов из насыщений ТТ питающей

и поврежденной ветвей (см. рис. 9г). В самом деле, если взаимный угол между векторами ЭДС отсутствует, наиболее вероятно насыщение ТТК, и тогда время паузы при немаксимальном содержании апериодической составляющей может быть достаточно большим  ( на рис. 9г). Но если существует значительный взаимный угол, а максимальная апериодическая составляющая возникла в ветви с опережающей ЭДС, то , т.е. в результате насыщения ТТ1 пауза уменьшилась на длительность интервалов  и . В режиме внутренних КЗ, сопровождающихся апериодической составляющей и насыщением ТТ, также возникает пауза во вторичном токе (а следовательно, и в дифференциальном токе), которая может существенно превышать паузу в токе небаланса. По мере затухания апериодической составляющей эта пауза уменьшается и становится меньше, чем в токе небаланса, т. е. ДЗ срабатывает

с задержкой, соизмеримой с постоянной времени апериодической составляющей. Однако в ДЗ некоторых объектов первичный ток в режиме внутреннего КЗ может значительно превышать расчетное значение тока по выбору ТТ для ДЗ (например, в случае ДЗ трансформаторов). В таких  случаях при внутренних КЗ глубокое насыщение ТТ будет возникать и без апериодической составляющей [3]. Поэтому  КЗ будет сопровождаться паузами значительной продолжительности, которые не будут уменьшаться

с течением времени. Это означает, что ДЗ, использующая рассматриваемый признак, в таком случае откажет в действии. Чтобы этого не произошло, она должна снабжаться дополнительными средствами защиты (обычно – дифференциальной отсечкой).

В целом все количественные признаки тока небаланса (режима внешнего КЗ) обладают следующим общим недостатком: для идентификации режима им требуется время не менее периода промышленной частоты. При внутренних КЗ, сопровождающихся апериодической составляющей, насыщение ТТ может произойти гораздо раньше и тогда в полезном сигнале (в дифференциальном токе) может появиться признак режима внешнего КЗ. А признак режима внутреннего КЗ появляется после некоторого затухания апериодической составляющей, когда насыщение ТТ становится не столь глубоким, как в начальной стадии ПП, что и обусловливает задержку в срабатывании ДЗ. Таким образом, отстройка от внешних КЗ достигается за счет задержек в срабатывании ДЗ в режимах внутренних КЗ, сопровождающихся значительной апериодической составляющей и насыщением ТТ.

Качественные признаки режима внешнего КЗ являются непосредственным следствием характера токов в нагруженных преимущественно активными сопротивлениями плечах ТТ, насытившихся под влиянием апериодической составляющей тока КЗ. Наиболее простым качественным признаком внешнего КЗ является совпадение передних фронтов продолжительных полуволн тока плеча поврежденной ветви и суммы токов плеч питающих ветвей (если принять в качестве положительного направление токов при внешнем КЗ) на том интервале времени, когда ни один из ТТ не насыщен. Именно в этом интервале времени каждый ТТ работает в режиме источника тока (так называемый «интервал идеальной трансформации»), и токи плеч в режиме внешнего КЗ находятся в соотношении, определяемом первым законом Кирхгофа. Рассматриваемый признак безусловно устойчив до первого насыщения ТТ, причем погрешность ТТ на этом интервале весьма мала (значительно меньше 10 \%). Однако при неглубоком насыщении  в последующих периодах интервалы идеальной трансформации отсутствуют и признак становится неустойчивым. Это объясняется наличием достаточно больших приращений потока в сердечнике насыщенного ТТ и, следовательно, существованием его ЭДС, которая способна оказывать существенное влияние на величину и характер вторичного тока (при глубоких насыщениях эта ЭДС ничтожно мала и ей всегда пренебрегают, используя прямоугольную аппроксимацию характеристики намагничивания [3]). При глубоких насыщениях устойчивость рассматриваемого признака может сохраняться в течение нескольких периодов, но не до конца ПП вследствие постепенного затухания апериодической составляющей, приводящего к уменьшению степени насыщений сердечника. Поскольку при внешних КЗ могут быть как глубокие, так и неглубокие насыщения, этот признак следует считать устойчивым только в первом периоде ПП.

Более совершенным является качественный признак, который формируется на основе контроля передних фронтов продолжительных полуволн не только токов плеч, но и дифференциального тока. Признаком режима внешнего КЗ (т. е. тока небаланса) в ПП является запаздывание переднего фронта появления тока небаланса относительно момента совпадения передних фронтов токов плеча поврежденной ветви и суммы токов плеч питающих ветвей (если принять в качестве положительного направление

токов при внешнем КЗ). Это запаздывание закономерно, так как ток небаланса в ПП появляется в результате насыщения ТТ, а магнитный поток не может нарастать скачкообразно. Для его возрастания до потока насыщения необходимо определенное время, которое и образует время запаздывания тока небаланса. Однако и этот признак устойчив только в первом периоде ПП, так как в последующих периодах его устойчивость нарушается по тем же причинам, что и устойчивость предыдущего признака, или в результате взаимодействия с ТТ других фаз.

Еще один качественный признак режима, основанный на характерах осциллограмм токов небаланса и дифференциального в режиме внутреннего КЗ, использует временные параметры этих осциллограмм. Для тока небаланса ПП (см. рис. 7) характерно превышение интервала времени от момента его максимального мгновенного значения до конца его полуволны, для полезного сигнала (см. рис. 8), наоборот, превышение интервала от начала полуволны до максимума, если ТТ насыщен, и равенство этих интервалов – если не насыщен. Недостатком этого признака является сравнительно большое время его проявления – до 20 мс. Он может быть неустойчивым в последующих (после первого) насыщениях ТТ под влиянием взаимодействия ТТ разных фаз.

Кроме того, если ток небаланса возник не в результате насыщения ТТ (например, за счет РПН у ДЗ трансформаторов), то он имеет синусоидальную форму и рассматриваемые интервалы времени будут равны так же, как и в режиме внутренних КЗ. Поэтому в таких случаях этот признак неустойчив и не может использоваться.

Признаком тока небаланса в ПП является также совпадение приращений, с одной стороны, отрицательного – суммы модулей токов плеч и, с другой стороны, положительного – модуля дифференциального тока.

В самом деле, в ПП ток небаланса возникает за счет резкого уменьшения тока плеча насытившегося ТТ. В режиме внутреннего КЗ знаки приращений этих токов совпадают, так как дифференциальный ток образуется из токов плеч, как и тормозной ток. Этот признак, как и предыдущий, может использоваться в защите тех объектов, у которых единственной причиной возникновения тока небаланса является различие намагничивающих токов ТТ, так как компоненты тока небаланса, обусловленные другими причинами, возрастают вместе с ростом токов плеч, т. е. знаки приращений токов тормозного и дифференциального совпадают, как и при внутренних КЗ. Кроме того, этот признак может терять устойчивость при тех же условиях, что и предыдущий. Он также не является быстродействующим, поскольку работает с модулями токов, а не с мгновенными значениями. Но модуль тока при наличии апериодической составляющей в худшем случае определяется за время около 20 мс. Однако ТТ может насытиться значительно раньше, что является причиной неустойчивости этого признака.

Главными достоинствами двух первых рассмотренных качественных признаков являются, во-первых, возможность использования для  идентификации режимов неискаженной информации о защищаемом объекте,

а во-вторых, возможность идентификации режима до насыщения ТТ, но вместе с тем отсутствует повторяемость их проявления при последующих насыщениях ТТ, что является их недостатком.