Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок
Проанализированы недостатки дифференциальной токовой защиты сборных шин и известных способов возможной реализации их дифференциально-фазной защиты. Разработаны более совершенные способы сравнения фаз токов дифференциально-фазной защиты шин (ДФЗШ), в частности, приведены логические выражения для кажд...
Gespeichert in:
| Datum: | 2017 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2017
|
| Schriftenreihe: | Технічна електродинаміка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158978 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок / В.В. Ниценко, Д.А. Кулагин // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 6. — С. 61–71. — Бібліогр.: 10 назв. — pос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158978 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1589782025-02-23T17:58:41Z Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок Вдосконалення способів реалізації релейного захисту систем збірних шин розподільчих установок Improvement implementation methods of relay busbars protection of switchgears Ниценко, В.В. Кулагин, Д.А. Електроенергетичні системи та устаткування Проанализированы недостатки дифференциальной токовой защиты сборных шин и известных способов возможной реализации их дифференциально-фазной защиты. Разработаны более совершенные способы сравнения фаз токов дифференциально-фазной защиты шин (ДФЗШ), в частности, приведены логические выражения для каждого предложенного способа, включающие в себя проверочные условия, выполнение которых требуется для обеспечения надежного пуска и срабатывания защиты при идентификации аварийного режима повреждения защищаемой системы шин. Приведены иллюстрации действия защиты при использовании каждого из этих способов в режимах внутренних и внешних коротких замыканий. Выбор наиболее целесообразного способа сравнения фаз токов для последующей его реализации устройством ДФЗШ проведен на основании составления их сравнительной характеристики по результатам теоретических и практических исследований действия защиты в аварийных режимах, сделаны выводы о преимуществах использования предложенного дифференциально-фазного алгоритма функционирования устройств релейной защиты сборных шин. Проаналізовано недоліки диференційного струмового захисту збірних шин і відомих способів можливої реалізації їхнього диференційно-фазного захисту. Розроблено більш досконалі способи порівняння фаз струмів диференційно-фазним захистом шин (ДФЗШ), зокрема наведено логічні вирази для кожного запропонованого способу, що містять перевірочні умови, виконання яких необхідне для забезпечення надійного пуску і спрацювання захисту у разі ідентифікації аварійного режиму пошкодження системи шин, що захищається. Наведено ілюстрації дії захисту при використанні кожного з цих способів у режимах внутрішніх і зовнішніх коротких замикань. Вибір найбільш доцільного способу порівняння фаз струмів для подальшої його реалізації пристроєм ДФЗШ зроблений на підставі складання їхньої порівняльної характеристики за результатами теоретичних і практичних досліджень дії захисту в аварійних режимах. Зроблено висновки щодо переваг застосування запропонованого диференційно-фазного алгоритму функціонування пристроїв релейного захисту збірних шин. The article analyzes all disadvantages of differential busbar protection and known methods of possible realization of their phase-differential protection. The authors improved more advanced methods for comparing current phases by phase-differential busbar protection, in particular, logical operations for each proposed method are given, including verification conditions that are required to ensure reliable start and trip from protection when identifying the emergency condition of internal fault, and also illustrations of the protection oparation are given when using each of these methods in case of internal and external faults. The choice of the most expedient method for comparing the currents phases for its subsequent implementation by the phase-differential protection device was made on the basis of building their comparative characteristics based on the results of theoretical and practical studies of the protection operation in emergency conditions. Conclusions were made about the advantages of using the proposed phasedifferential algorithm of relay busbar protection operation. 2017 Article Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок / В.В. Ниценко, Д.А. Кулагин // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 6. — С. 61–71. — Бібліогр.: 10 назв. — pос. 1607-7970 DOI: https://doi.org/10.15407/techned2017.06.061 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158978 621.316.925 ru Технічна електродинаміка application/pdf Інститут електродинаміки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Електроенергетичні системи та устаткування Електроенергетичні системи та устаткування |
| spellingShingle |
Електроенергетичні системи та устаткування Електроенергетичні системи та устаткування Ниценко, В.В. Кулагин, Д.А. Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок Технічна електродинаміка |
| description |
Проанализированы недостатки дифференциальной токовой защиты сборных шин и известных способов возможной реализации их дифференциально-фазной защиты. Разработаны более совершенные способы сравнения фаз токов дифференциально-фазной защиты шин (ДФЗШ), в частности, приведены логические выражения для каждого предложенного способа, включающие в себя проверочные условия, выполнение которых требуется для обеспечения надежного пуска и срабатывания защиты при идентификации аварийного режима повреждения защищаемой системы шин. Приведены иллюстрации действия защиты при использовании каждого из этих способов в режимах внутренних и внешних коротких замыканий. Выбор наиболее целесообразного способа сравнения фаз токов для последующей его реализации устройством ДФЗШ проведен на основании составления их сравнительной характеристики по результатам теоретических и практических исследований действия защиты в аварийных режимах, сделаны выводы о преимуществах использования предложенного дифференциально-фазного алгоритма функционирования устройств релейной защиты сборных шин. |
| format |
Article |
| author |
Ниценко, В.В. Кулагин, Д.А. |
| author_facet |
Ниценко, В.В. Кулагин, Д.А. |
| author_sort |
Ниценко, В.В. |
| title |
Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок |
| title_short |
Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок |
| title_full |
Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок |
| title_fullStr |
Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок |
| title_full_unstemmed |
Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок |
| title_sort |
совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| publishDate |
2017 |
| topic_facet |
Електроенергетичні системи та устаткування |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158978 |
| citation_txt |
Совершенствование способов реализации релейной защиты систем сборных шин распределительных установок / В.В. Ниценко, Д.А. Кулагин // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 6. — С. 61–71. — Бібліогр.: 10 назв. — pос. |
| series |
Технічна електродинаміка |
| work_keys_str_mv |
AT nicenkovv soveršenstvovaniesposobovrealizaciirelejnojzaŝitysistemsbornyhšinraspredelitelʹnyhustanovok AT kulaginda soveršenstvovaniesposobovrealizaciirelejnojzaŝitysistemsbornyhšinraspredelitelʹnyhustanovok AT nicenkovv vdoskonalennâsposobívrealízacíírelejnogozahistusistemzbírnihšinrozpodílʹčihustanovok AT kulaginda vdoskonalennâsposobívrealízacíírelejnogozahistusistemzbírnihšinrozpodílʹčihustanovok AT nicenkovv improvementimplementationmethodsofrelaybusbarsprotectionofswitchgears AT kulaginda improvementimplementationmethodsofrelaybusbarsprotectionofswitchgears |
| first_indexed |
2025-11-24T06:37:43Z |
| last_indexed |
2025-11-24T06:37:43Z |
| _version_ |
1849652688993648640 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6 61
УДК 621.316.925
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СИСТЕМ
СБОРНЫХ ШИН РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
В.В. Ниценко1*, Д.А. Кулагин2**
ГП НЭК «Укрэнерго» Днепровская ЭС,
ул. Плотинная, 2, Запорожье, Украина, 69096. E-mail: nicenkovladimir@gmail.com
Запорожский национальный технический университет,
ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063. Е-mail: kulagindo@gmail.com
Проанализированы недостатки дифференциальной токовой защиты сборных шин и известных способов воз-
можной реализации их дифференциально-фазной защиты. Разработаны более совершенные способы сравнения
фаз токов дифференциально-фазной защиты шин (ДФЗШ), в частности, приведены логические выражения
для каждого предложенного способа, включающие в себя проверочные условия, выполнение которых требует-
ся для обеспечения надежного пуска и срабатывания защиты при идентификации аварийного режима по-
вреждения защищаемой системы шин. Приведены иллюстрации действия защиты при использовании каждого
из этих способов в режимах внутренних и внешних коротких замыканий. Выбор наиболее целесообразного спо-
соба сравнения фаз токов для последующей его реализации устройством ДФЗШ проведен на основании со-
ставления их сравнительной характеристики по результатам теоретических и практических исследований
действия защиты в аварийных режимах, сделаны выводы о преимуществах использования предложенного
дифференциально-фазного алгоритма функционирования устройств релейной защиты сборных шин.
Библ. 10, рис. 5, табл. 1.
Ключевые слова: релейная защита, дифференциально-фазная защита шин, реле сравнения фаз, угол блоки-
ровки, сборные шины, способы сравнения фаз токов.
Введение. Сборные шины (СШ) распределительных установок электрических станций и под-
станций являются одним из наиболее ответственных элементов электрических сетей (ЭС). К систе-
мам СШ, как правило, подключается большое количество присоединений, ввиду чего аварийные токи
при повреждениях СШ могут достигать критических значений, а глубокое понижение напряжения на
шинах, обусловленное протеканием сверхтоков, приводит как к нарушению нормальной работы по-
требителей электрической энергии, так и представляет угрозу нарушения динамической устойчи-
вости энергосистемы.
В настоящее время для обеспечения релейной защиты (РЗ) СШ используются устройства, прин-
цип действия которых основан на дифференциальном сравнении вторичных токов трансформаторов
тока (ТТ) присоединений, подключенных к общей системе СШ – устройства дифференциальной то-
ковой защиты шин (ДЗШ) [7, 9]. Опыт эксплуатации таких устройств [2, 5, 6] указывает на наличие
недостатков, характерных указанному принципу действия РЗ СШ, среди них: трудности при расче-
тах уставок ДЗШ по условию обеспечения требуемой чувствительности в минимальных режимах
внутренних (коротких замыканий) КЗ и надежной отстройки от установившихся и переходных токов
небаланса при внешних КЗ; повышенные требования к характеристикам и условиям эксплуатации
ТТ, ко вторичным цепям которых подключена защита, в частности, обеспечение их работы в преде-
лах допустимых погрешностей в аварийных режимах [1, 2]. Современные микропроцессорные (МП)
устройства ДЗШ являются более совершенными и имеют более гибкую логику действия, реализуя
принцип процентного торможения защиты, используемый для более эффективной отстройки от
установившихся и переходных токов небаланса при внешних КЗ [8, 9]. Стоит отметить, что недо-
статком таких устройств является сложность логических алгоритмов и расчетных методик их
настройки (большой объем расчетных уставок), малейшая ошибка в которых может привести к
неправильному действию защиты. К тому же, требования к точности функционирования ТТ в соот-
ветствии с инструкциями заводов-изготовителей МП устройств ДЗШ [8] остаются теми же, что и для
аналогичных им электромеханических (полупроводниковых) защит. Определяющим фактором при
выборе рабочих уставок ДЗШ являются токовые и угловые погрешности ТТ, которые зависят от
кратности аварийного тока, наличия в нем затухающих периодических и апериодических составля-
© Ниценко В.В., Кулагин Д.А., 2017
ORCID ID: *http://orcid.org/0000-0002-3450-7649 ; ** http://orcid.org/0000-0003-3610-4250
62 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6
ющих и прочих факторов [1]. Согласно [2], в переходных режимах КЗ предельное значение токовой
погрешности может достигать 89%, тогда как угловая погрешность обычно не превышает 46–500, что
в относи-тельных единицах составляет 51–55% (в расчете, что 900 – 100%).
Актуальность. Поскольку на работу ДЗШ оказывают влияние полные погрешности ТТ, опре-
деляющиеся преимущественно их токовыми погрешностями, целесообразно применение устройств
РЗ СШ, которые по принципу действия отстроены от влияния этих погрешностей. К ним относятся
устройства дифференциально-фазной защиты шин, принцип действия которых основан на опреде-
лении соотношений между фазами токов присоединений, подключенных к общей системе СШ [2, 3].
Такие устройства отстраиваются только от угловых погрешностей ТТ, которые, согласно [5], не нор-
мируются и имеют меньшие значения как в установившихся, так и в переходных режимах КЗ [1, 2].
Известные способы реализации ДФЗШ [2] являются наиболее простыми, но в то же время менее на-
дежными, так как предусматривают проверку лишь одного логического условия для идентификации
совпадения фаз вторичных токов ТТ, например, сравнения с заданным значением длительности бес-
токовой паузы в совокупностях полуволн токов положительной или отрицательной полярности, что
является недостаточным и может послужить причиной излишнего действия ДФЗШ в переходных
режимах внешних КЗ либо приводить к ее блокированию при внутренних КЗ. В связи с этим ак-
туальным является совершенствование указанных способов путем ввода дополнительных логичес-
ких условий (ограничений), позволяющих повысить надежность и селективность действия ДФЗШ. На
основании сравнительной характеристики должен быть выбран наиболее целесообразный способ,
имеющий наилучшие технические показатели к перспективной реализации.
Цель работы – совершенствование способов сравнения фаз токов ДФЗШ распределительных
установок электрических станций и сетей.
Материалы исследований. Структур-
ная схема цепей ДФЗШ для защиты одиноч-
ной системы шин с тремя присоединениями,
показана на рис. 1, где ЕС1-ЕС2 – питающие
энергосистемы; ВВ1-ВВ3 – высоковольтные
выключатели; ТТ1-ТТ3 – трансформаторы то-
ка; Т1 – трансформатор, питающий нагрузку
Н1; СШ – сборные шины; ШПИ+, ШПИ- –
шинки приема положительных и отрицатель-
ных импульсов; ФИ1-ФИ3 – формирователи
импульсов; S1+-S3+, S1--S3- – логические им-
пульсы напряжения положительной и отрица-
тельной полярностей; РСФ – реле сравнения
фаз токов; і1КЗ-і3КЗ – первичные токи КЗ; і’2КЗ-
і’3КЗ – вторичные токи КЗ.
Рис. 1
Основным реагирующим органом ДФЗШ является реле сравнения фаз токов (РСФ), осу-
ществляющее логические операции по определению соотношений между фазами токов, циркули-
рующих по подключенным к общей системе СШ присоединениям. Более подробно особенности
функционирования РСФ и ДФЗШ рассмотрены в [4, 10].
Авторами усовершенствованы рассмотренные в [2] способы сравнения фаз токов в ДФЗШ,
для чего предложены следующие их варианты, которые основаны на использовании:
– совокупностей разнополярных импульсов напряжения, сформированных из вторичных то-
ков присоединений, и пауз между ними (способ 1);
– опорного сигнала (способ 2);
– совокупностей разнополярных импульсов напряжения, сформированных из вторичных то-
ков присоединений, и вычисленного из них дифференциального тока (способ 3);
– пауз между совокупностями разнополярных импульсов напряжения, сформированных из
вторичных токов присоединений (способ 4).
Алгоритм действия ДФЗШ, согласно способу 1, основан на определении длительности совпа-
дения однополярных импульсов напряжения, длительности их несовпадения и длительности непре-
рывного сигнала в промежутке между паузами на каждом последующем периоде тока. Отличитель-
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6 63
ной особенностью данного способа от предложенных в [2] является проверка трех пусковых условий
на протяжении одного периода тока, выполнение которых требуется для определения защитой внут-
реннего КЗ, чем обеспечивается более высокая ее надежность на несрабатывание при отсутствии по-
вреждения на СШ, в частности, в переходных режимах внешних КЗ и при насыщении ТТ. В ука-
занных режимах форма кривой вторичного тока одного или нескольких ТТ может искажаться из-за
влияния свободной составляющей либо увеличения содержания высших гармоник во вторичном то-
ке, вследствие чего возможно «ложное» выполнение одного или нескольких пусковых условий (крат-
ковременно или длительно), что может послужить причиной излишнего срабатывания ДФЗШ. Про-
верка трех условий пуска снижает вероятность излишнего действия защиты.
Логическое выражение, соответствующее способу 1, имеет следующий вид:
1 2 31 2 3 1 2 3
1
1 2 31 2 3 1 2 3
( ) ( ) ( )
D t ,
( ) ( ) ( )
S S S S S S S S S
F
S S S S S S S S S
(1)
где 321 S,S,S – логические импульсы напряжения положительной полярности; 321 S,S,S – логи-
ческие импульсы напряжения отрицательной полярности; 21 SS – логическая операция «И» (AND);
21 SS – логическая операция «ИЛИ» (OR); S – логическая операция инверсии импульса «НЕ»
(NOT); 21 SS – логическая операция «Исключающее ИЛИ» (XOR); D t – оператор времени про-
верки синфазности токов присоединений, которым обеспечивается замедление действия защиты на
время, определяемое его параметром t, что необходимо для исключения вероятности ее излишнего
действия при возникновении возмущений в ЭС, сопровождающихся кратковременным изменением
соотношений между фазами токов присоединений, обусловленных реверсом мощности, а также для
предотвращения ложного действия ДФЗШ при неисправности ее токовых цепей для обеспечения
возможности своевременного вывода защиты из действия [2, 10].
Как показано на рис. 2, при внутренних (рис. 2, а) и внешних (рис. 2, б) КЗ обеспечивается
измерение длительности интервала совпадения импульсов напряжения положительной и отрицатель-
ной полярностей t1+ (t1-) (операция «И»), интервала их несовпадения t3+ (t3-) (операция «ИЛИ-НЕ») и
общая длительность существования сигнала t2+ (t2-) (операция «ИЛИ») в промежутке между паузами.
Все измерения осуществляются на протяжении одного периода тока, причем каждый последующий
его период измеренные значения длительностей интервалов t1, t2, t3 обновляются.
Рис. 2
Принципиально новым логическим элементом в выражении (1) (по сравнению с рассмотрен-
ными в [2]) является использование логической операции «Исключающее ИЛИ» (XOR), которая дает
результат лишь при условии истинности одного выражения из тех, что объединены данной логичес-
кой операцией, в противном случае, а именно, когда оба эти выражения одновременно справедливы
или не справедливы, выходного результата (логической «1») от выполнения данной операции не по-
лучим. Для рассматриваемого способа согласно выражению (1) учитывается истинность логических
64 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6
условий, выполняемых либо для совокупностей импульсов положительной (отрицательной) поляр-
ности, либо для пауз между этими импульсами. Для пуска и срабатывания ДФЗШ необходима спра-
ведливость выражения
,332211 TtTtTt (2)
где 1 2 3, ,T T T – расчетные параметры защиты, способ действия которой выполнен согласно выраже-
нию (1).
Значения параметров 1T и 3T должны быть определены следующим образом, мс:
,
231 áë
ÏTTT
(3)
где ÏT – период тока промышленной частоты, 20ÏT мс; бл – расчетная уставка угла блокировки
защиты, выраженная в электрических градусах.
Угол блокировки защиты бл представляет собой предельный угол расхождения векторов то-
ков присоединений от 1800 при внешних КЗ и в прочих режимах ЭС, при котором действие защиты
должно быть надежно заблокировано [3]. Рекомендации по выбору уставки бл ДФЗШ приведены в
[2, 3]. При этом согласно приведенным в [3] результатам значение уставки бл не должно превышать
900 для обеспечения абсолютной селективности действия ДФЗШ в аварийных режимах.
Расчетный параметр 2T определяется из следующего выражения, мс:
.12 TTT Ï (4)
В соответствии с [3], при выборе уставки бл , равной 900, значения указанных параметров бу-
дут равны 1 3 5T T мс, 2 15T мс.
Измерение интервалов t1, t2, t3 РСФ осуществляется непрерывно и раздельно для совокуп-
ностей разнополярных импульсов, что способствует повышению быстродействия ДФЗШ за счет
обеспечения пуска и срабатывания защиты при справедливости логических условий из выражения (1)
как на положительном, так и на отрицательном полупериодах тока.
Значение параметра t оператора времени D(t) из выражения (1) здесь и далее принимается
равным 20 мс, что соответствует одному периоду тока промышленной частоты. При пуске ДФЗШ
вследствие выполнения всех условий согласно выражению (1), то есть "1"1 F , срабатывание защиты
происходит лишь по истечении времени t=20 мс и с обязательной проверкой выполнения условия
"1"1 F . Если же по истечении 20 мс после успешного пуска защиты выражение (1) теряет свою
справедливость ( "0"1 F ), то есть имело место возмущение в ЭС, не связанное с повреждением СШ и
сопровождающееся изменением соотношений между фазами токов присоединений, происходит воз-
врат ДФЗШ, чем обеспечивается исключение ее неселективного действия. Такие возмущения, как
правило, имеют кратковременный характер, поэтому выдержка времени t=20 мс не позволит защите
сработать на возникшее внешнее возмущение, и только лишь при повреждении СШ синфазность то-
ков питающих присоединений сохраняется длительно (до момента локализации КЗ), что приведет к
срабатыванию ДФЗШ. Таким образом, обеспечивается выполнение требования к абсолютной селек-
тивности действия защиты, что при условии правильной настройки значения ее параметра бл позво-
ляет отказаться от использования дополнительных пусковых органов ДФЗШ таких, как дифферен-
циальные токовые, дистанционные, напряженческие и т.п., как это предлагается в [2] (применение
дифференциальных токовых пусковых органов).
Алгоритм действия ДФЗШ согласно способу 2 основан на поочередном определении соотно-
шений между фазами токов ТТ присоединений, подключенных к общей системе СШ, и фазой опор-
ного сигнала, в качестве которого может быть использован вторичный ток любого питающего присо-
единения, находящегося под нагрузкой, либо же сгенерированный самим устройством ДФЗШ перио-
дический опорный сигнал. Отличительной особенностью данного способа является применение до-
полнительного «опорного сигнала», о котором не упоминается в [2], с опорной фазой которого по-
очередно происходит сравнение фаз токов ТТ всех присоединений, чем обеспечивается повышение
селективности и надежности ДФЗШ при внутренних КЗ, так как реагирующий орган защиты полу-
чает более точную информацию о фазе каждого из вторичных токов по отношению к опорному сиг-
налу, сравнивая в последующем эти соотношения с настроенной уставкой бл , не формируя при этом
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6 65
различного рода совокупностей сигналов, что предусматривается для остальных способов. Принципи-
ально новым логическим элементом, по сравнению с рассмотренными в [2], для данного способа реа-
лизации алгоритма РСФ является использование логической операции «Исключающее ИЛИ» (XOR).
Логическое выражение, соответствующее способу 2, имеет следующий вид:
1 2 3
2
1 2 3
D(t),
î ï î ï î ï
î ï î ï î ï
S S S S S S
F
S S S S S S
(5)
где опоп S,S – положительные и отрицательные импульсы, формируемые из опорного тока.
На рис. 3 показаны иллюстрации действия ДФЗШ, алгоритм которой выполнен согласно спо-
собу 2 при внутренних (рис. 3, а) и внешних (рис. 3, б) КЗ, где в качестве опорного сигнала iоп ис-
пользуется фазный ток одного из питающих присоединений i3.
Рис. 3
Как показано на рис. 3, сравнение фаз токов происходит путем нахождения разности между
фазой каждого из вторичных токов присоединений и фазой опорного тока n , что в последующем
сопоставляется с уставкой бл , которая по условию обеспечения селективности действия ДФЗШ не
должна превышать 900.
Для пуска и срабатывания ДФЗШ необходима справедливость выражения
1 1 ,
2 2 ,
Î Ï áë
Î Ï áë
1 1 ,
2 2 .
Î Ï áë
Î Ï áë
(6)
Каждое из подмодульных выражений из (6) представляет собою угол расхождения между фа-
зой опорного сигнала и фазой каждого из токов присоединения. Выражение (6) имеет две формы за-
писи, объединенные условием «ИЛИ», что объясняется возможностью использования сгенерирован-
ного внутреннего опорного сигнала. При этом все аварийные токи в питающих присоединениях при
КЗ на СШ могут находиться как в одной фазе со сгенерированным опорным сигналом, так и в про-
тивофазе к нему. Для приведенного на рис. 3, а случая при внутреннем КЗ аварийные токи i1 и i2
находятся в одной фазе с опорным током i3. При этом модули расхождения фаз между токами при-
соединений и опорным током 1 и 2 не превышают уставку бл .
Условие пуска и срабатывания защиты выполняется 0 0
1 2 290 90 "1".F
При внешнем КЗ, как показано на рис. 3, б, ток в поврежденном присоединении i1 оказывается
в противофазе к опорному сигналу, в то время как ток i2 не изменяет своей фазы по отношению к не-
му, следовательно, условие пуска защиты не выполняется:
66 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6
0 0
1 2 290 90 "0".F
Повышение быстродействия ДФЗШ согласно рассматриваемому способу ее реализации, по-
добно способу 1, обеспечивается путем использования для сравнения фаз токов как положительных,
так и отрицательных их полуволн.
Алгоритм действия ДФЗШ согласно способу 3 основан на определении длительности интер-
вала совпадения импульсов напряжения положительной и отрицательной полярностей, сформирован-
ных из вторичных токов присоединений и их дифференциального тока. Отличием указанного спо-
соба по сравнению с рассмотренными в [2] является использование дополнительной информации о
фазе дифференциального тока, что способствует повышению селективности и надежности действия
защиты, сравнение фаз токов в которой осуществляется посредством определения длительности ин-
тервала совпадения разнополярных импульсов, сформированных из вторичных токов.
Логическое выражение соответствующее способу 3 имеет следующий вид:
3 1 2 3 1 2 3 D(t),dif difF S S S S S S S S (7)
где ,dif difS S – импульсы положительной и отрицательной полярностей, сформированные из соот-
ветствующих им полуволн дифференциального тока, который в «идеальном» случае (ТТ не имеют
погрешностей) имеет место только лишь при внутренних КЗ.
Как показано на рис. 4, сравнение фаз токов согласно способу 3 осуществляется путем опре-
деления длительности интервала совпадения импульсов tS+ (tS-), сформированных из полуволн токов
i1-i3 и их дифференциального тока іdif. Измерение длительности интервала tS+ (tS-) осуществляется на
протяжении одного периода тока и каждый последующий его период измеренные значения указан-
ного интервала обновляются.
Рис. 4
При внутренних КЗ (рис. 4, а) дифференциальный ток имеет некоторое максимальное зна-
чение, его фаза совпадает с фазами токов всех питающих КЗ присоединений, при этом длительность
измеренного интервала tS+ (tS-) является также максимальной и превышает уставку срабатывания
ДФЗШ. При внешних КЗ (рис. 4, б) ток в поврежденном присоединении изменяет свою фазу на про-
тивоположную, при этом в дифференциальной цепи защиты имеется некий небаланс токов іdif, обус-
ловленный преимущественно разностью погрешностей ТТ разных присоединений, фаза которого за-
нимает некоторое промежуточное значение между фазами противоположно направленных токов, чем
создается дополнительное блокирующее действие защиты при внешних КЗ. Длительность интервала
tS+ (tS-) при этом значительно сокращается и не превышает уставки срабатывания ДФЗШ.
Для пуска и срабатывания ДФЗШ требуется справедливость выражения
S St T , (8)
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6 67
где ST – расчетный параметр, значение которого соответствует принятой уставке бл , выраженной в
единицах измерения времени (мс).
Следовательно, при выборе уставки бл , равной 900 или же 5 мс, согласно рекомендациям [3],
при внутренних КЗ будет выполняться условие 5tS мс.
Алгоритм действия ДФЗШ согласно способу 4 основан на определении длительности пауз в со-
вокупностях разнополярных импульсов напряжения, сформированных из вторичных токов присоедине-
ний, и их последующем сравнении между собой. Отличием указанного способа действия ДФЗШ от ра-
нее рассмотренных, а также предложенных в [2], является использование дополнительной информации о
разности длительностей этих пауз путем применения логической операции «Равнозначность» («Экви-
валентность»), что позволяет повысить селективность ДФЗШ в переходных режимах, в частности, ис-
ключить вероятность ее излишнего срабатывания из-за влияния свободной затухающей составляющей
аварийного тока, приводящей к его несимметрии относительно оси времени и, как следствие, к появ-
лению отличий между длительностями пауз в совокупностях разнополярных импульсов.
Логическое выражение, соответствующее способу 4, имеет следующий вид:
1 2 3 1 2 3
4
1 2 3 1 2 3
( ) ( )
D t ,
( ) ( )
S S S S S S
F
S S S S S S
(9)
где 1 2S S – логическая операция равнозначности (эквивалентности).
Для пуска и срабатывания ДФЗШ требуется справедливость выражения
p+ p p- p,
p+ p- p
T T T >T
T -T ΔT ,
(10)
где pp T,T – длительность пауз в совокупностях импульсов положительной и отрицательной по-
лярностей, мс; pT – расчетный параметр защиты, значение которого соответствует принятой уставке
бл , выраженной в единицах измерения времени (мс); pT – предельно допустимая разность между
длительностями пауз в совокупностях разнополярных импульсов, по превышению которой защита
должна блокироваться.
Функционирование ДФЗШ согласно способу 4 показано на рис. 5. Измерение длительности
пауз Тр+ и Тр- осуществляется на протяжении одного периода тока и каждый последующий его период
измеренные значения этих интервалов обновляются. В установившихся режимах КЗ выполняется
условие Тр+=Тр-, что не приводит к блокированию защиты. При КЗ на СШ (рис. 5, а) длительность пауз
в совокупностях положительных Тр+ и отрицательных Тр- импульсов является максимальной и
превышает уставку срабатывания защиты Тр. При внешних КЗ (рис. 5, б) длительность указанных пауз
значительно сокращается и не превышает уставки защиты.
Рис. 5
68 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6
Устройство ДФЗШ, алгоритм действия которого выполнен согласно предложенным авторами
способам, при симметричных и несимметричных КЗ функционирует аналогично, поскольку в изме-
рительных цепях защиты предусматривается раздельное сравнение фаз токов присоединений с ис-
пользованием для этой цели трех РСФ. Приведенные в статье иллюстрации и анализ действия ДФЗШ
являются характерными как для симметричных, так и для несимметричных аварийных режимов. При
внутренних и внешних КЗ, независимо от их вида, соотношения между фазами векторов токов раз-
ных присоединений, которыми осуществляется подпитка КЗ, будут разными: при внутренних КЗ ава-
рийные токи, протекающие поврежденными фазами по всем присоединениям, подключенным к по-
врежденной системе шин, находятся в одной фазе (имеют одинаковое направление – «к шинам»), а
следовательно, в «идеальном» случае угол сдвига между фазами этих токов будет равен 00 (в дейст-
вительности за счет влияния угловых погрешностей ТТ и прочих факторов, указанных в [2, 3], этот
угол отличается от 00), что приведет к срабатыванию ДФЗШ. При внешних КЗ угол сдвига между
фазами аварийных токов составит 1800, поскольку эти токи в поврежденном и в неповрежденных
присоединениях находятся в противофазе, что не приводит к срабатыванию ДФЗШ.
Учет влияния токов нагрузки является неотъемлемой частью общего анализа и оценки пове-
дения устройств РЗ в аварийных и прочих эксплуатационных режимах, в частности, устройств, име-
ющих абсолютную селективность действия. К таким устройствам относится и рассматриваемая в ста-
тье ДФЗШ, область применения которой не ограничивается конкретным типом защищаемой элек-
троустановки и конфигурацией схемы ее первичных электрических соединений. При анализе этого
влияния учитывается состав и характер нагрузки, ее удаленность от места повреждения, вид КЗ и
прочие факторы, которые могут повлиять на селективность и надежность действия защиты [4]. Мощ-
ные синхронные и асинхронные электродвигатели (ЭД), входящие в состав подключенной к СШ на-
грузки, можно рассматривать в качестве источников подпитки КЗ, которые оказывают аналогичное
влияние на поведение ДФЗШ в этих режимах, что и синхронные генераторы. При повреждении защи-
щаемой системы СШ аварийные токи от всех питающих место КЗ присоединений, в том числе токи
подпитки от мощных ЭД нагрузки, будут иметь одинаковое направление – к поврежденным шинам
подстанции, что не приведет к нарушению селективности защиты. Несколько иное влияние на пове-
дение ДФЗШ в аварийных режимах могут оказывать тупиковые присоединения, в состав нагрузки
которых входят асинхронные ЭД относительно небольшой мощности или же достаточно удаленные
от шин, которые не способны длительно подпитывать возникшее на шинах подстанции КЗ из-за не-
возможности по принципу своего действия и конструктивным особенностям перехода в устойчивый
генераторный режим. В связи с этим подпитка КЗ на шинах от указанных ЭД, то есть их кратко-
временный переход в генераторный режим, возможна только в начальный момент КЗ, а именно на
протяжении нескольких периодов тока, после чего подпитка КЗ резко сменяется потреблением тока
из сети [2, 4]. В рассматриваемых режимах из-за влияния токов нагрузки в зависимости от метода вы-
полнения измерительных цепей ДФЗШ возможна неправильная работа защиты, о чем сказано в [2].
Более подробные результаты проведенного анализа влияния нагрузки на функционирование ДФЗШ в
аварийных режимах приведены в [4].
Для анализа эффективности использования каждого из усовершенствованных авторами спо-
собов сравнения фаз токов реагирующим органом ДФЗШ проведены исследования путем имитаци-
онного моделирования действия защиты в установившихся и переходных режимах КЗ, анализ полу-
ченных результатов которого приведен в [10]. Выбор наиболее целесообразного способа сравнения
фаз токов осуществлен на основании составления их сравнительной характеристики. В качестве кри-
териев оценки были приняты следующие: быстродействие РСФ в установившихся и переходных ре-
жимах КЗ; селективность действия; устойчивость функционирования РСФ в переходных режимах
КЗ; надежность действия; простота способа.
Полученные результаты были проанализированы и обобщены в таблице.
Преимущества предложенных авторами способов сравнения фаз токов в ДФЗШ следующие.
1. Перед применяемыми в настоящее время устройствами ДЗШ [5, 7, 9]:
− более надежная отстройка от установившихся и переходных токов небаланса при внешних
КЗ ввиду отсутствия пусковых органов, реагирующих на абсолютные значения токов;
− более высокая чувствительность благодаря использованию единого принципа сравнения фаз
токов для идентификации внутренних КЗ независимо от кратности аварийного тока и наличия в нем
апериодических составляющих;
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6 69
− снижение требований к характеристикам и условиям эксплуатации ТТ, ко вторичным цепям
которых подключена ДФЗШ, за счет исключения влияния на защиту токовых погрешностей ТТ.
№ Критерий сравнения Обобщенные результаты исследований
Способ F1 Способ F2 Способ F3 Способ F4
1
Быстродействие, мс
установившийся р-м
переходный р-м
25
36
35
40
27
29
25
37
2 Селективность Не нарушается в установившихся и переходных режимах КЗ
3 Надежность
функционирования
Высокая на-
дежность на
несрабатыва-
ние достигает-
ся проверкой
трех пусковых
условий со-
гласно выра-
жению (1)
Высокая надеж-
ность на срабаты-
вание за счет по-
очередного срав-
нения фаз каждого
из токов с фазой
опорного сигнала,
но потеря этого
сигнала может
привести к непра-
вильному дейст-
вию защиты
Высокая надеж-
ность достигается
определением фа-
зы дифференци-
ального тока и ее
последующим
сравнением с фа-
зами токов каждо-
го присоединения
Менее надежный. Для
повышения надежности
на несрабатывание в
переходных режимах
внешних КЗ произво-
дится сравнение дли-
тельностей пауз в со-
вокупностях разнопо-
лярных импульсов
4 Устойчивость в
переходных
режимах КЗ
Нарушается
ввиду сущест-
венного уве-
личения вре-
мени отключе-
ния КЗ (более
чем на 10 мс)
Не нарушается, КЗ отключается практи-
чески с тем же быстродействием, что и
в установившихся режимах КЗ (отличие
во времени не превышает 10 мс)
Нарушается ввиду су-
щественного увеличе-
ния времени отключе-
ния КЗ, (более чем на
10 мс)
5 Простота
реализации способа
Усложнен на-
личием трех
проверочных
условий пуска
защиты, со-
гласно выраже-
нию (1)
Относительно
прост ввиду по-
очередного срав-
нения фаз каждого
из токов присое-
динений с фазой
опорного сигнала
Наиболее сложен,
так как дополни-
тельно требуется
вычисление диф-
ференциального
тока с последую-
щим определени-
ем его фазы
Наиболее прост ввиду
проверки одного усло-
вия пуска ДФЗШ со-
гласно выражению (9)
– длительности пауз в
совокупностях разно-
полярных импульсов;
сравнение длительнос-
тей пауз является доп.
условием
2. Перед известными способами реализации действия ДФЗШ [2]:
− более высокая надежность защиты на несрабатывание при отсутствии повреждения СШ
благодаря использованию дополнительных проверочных условий, выполнение которых требуется
для пуска и срабатывания ДФЗШ;
− более высокая селективность действия защиты за счет реализации дополнительных логи-
ческих условий, позволяющих обеспечить надежное блокирование защиты при внешних КЗ, в част-
ности, в переходных режимах, и ее срабатывание при внутренних КЗ.
Выводы. Авторами проанализированы недостатки существующих защит СШ и предложены
решения по усовершенствованию способов выполнения их дифференциально-фазной защиты, для
каждого из которых приведены логические выражения и иллюстрации действия защиты при внешних
и внутренних КЗ. Приведенные в статье результаты получены при несколько идеализированных
условиях, в частности, не учитывались факторы, влияющие на отличие угла сдвига между аварий-
ными токами от 00 – при внутренних КЗ и от 1800 – при внешних КЗ. Последующее проведение
опытов лабораторного образца устройства ДФЗШ позволит уточнить полученные результаты,
качественные особенности каждого из предложенных способов сравнения фаз токов, выбранные
уставки защиты и эффективность ее применения.
На основании сравнительной характеристики делаем вывод, что наиболее целесообразным к
применению является способ 3, который основан на использовании совокупностей разнополярных
импульсов напряжения, сформированных из полуволн вторичных токов присоединений и их диффе-
70 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6
ренциального тока, благодаря следующим преимуществам: высокой надежности, которая достигается
путем дополнительного определения фазы дифференциального тока и ее последующего сравнения с
фазами токов ТТ присоединений, подключенных к общей СШ; достаточно высокому быстродейст-
вию защиты, не превышающее 30 мс в установившихся и переходных режимах внутренних КЗ; аб-
солютной селективности и устойчивости защиты в переходных режимах КЗ при наличии в аварийном
токе апериодической составляющей.
Несмотря на некоторую сложность реализации ДФЗШ согласно способу 3 по сравнению с
другими способами, он является наиболее целесообразным для применения при разработке МП
устройств ДФЗШ, т.к. улучшаются основные показатели РЗ СШ − надежность, селективность и
чувствительность.
1. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Жалалис Л.В., Сирота И.М., Стогний Б.С. Трансформаторы тока. – Л: Энер-
гия, 1980. – 344 с.
2. Кужеков С.Л., Синельников В.Я. Защита шин электростанций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1983. –
184 с.
3. Ниценко В.В., Кулагин Д.А., Махлин П.В., Климко А.Н. Исследование основных расчетных параметров диф-
ференциально-фазной защиты сборных шин энергообъектов и факторов электрической сети, оказывающих вли-
яние на их выбор // Електротехніка та електроенергетика. – 2015. – Вип. 2/2015. – С. 87−94. Режим доступa:
http://journal.zntu.edu.ua/et/files/ET22015/ET(2)_2015.pdf
4. Ніценко В.В., Кулагин Д.О. Дослідження методів реалізації вимірювальних кіл диференційно-фазного захис-
ту збірних шин // Електротехнічні та комп’ютерні системи. – 2017. – Вип. 24 (100). – С. 28−38. Режим доступу:
http://www.etks.opu.ua/?fetch=articles&with=topic&id=24.
5. Правила устройства электроустановок: Глава 3.2. Релейная защита. – Х: Форт, 2009. – 704 с.
6. Сборник директивных материалов главтехуправления Минэнерго СССР: Электротехническая часть. – М.:
Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
7. Технічна політика ДП «НЕК «Укренерго» у сфері розвитку та експлуатації магістральних та міждержавних
електричних мереж : СОУ НЕК 20.261:2017. – К.: ДП «НЕК «Укренерго», 2017. – 76 с.
8. Distributed busbar protection REB500 including line and transformer protection: Operating instruction. – Baden:
ABB Switzerland Ltd, 2011. – 65 p.
9. Gajic Zoran., Hamdy Faramawy, Li He, Klass Koppari, Lee Max. Modern design principles for numerical busbar
differential protection // Relay protection and automation for electric power systems, April 25−28, 2017. – Saint-
Petersburg, 2017. – Pр. 1−16.
10. Nitsenko V.V., Kulagin D.O. Investigation of operation of differential-phase protection of busbars system voltage of
110-750 kV // Scientific Bulletin of National Mining University. – 2017. – No 4. – Pp. 60−67.
ВДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБІВ РЕАЛІЗАЦІЇ РЕЛЕЙНОГО ЗАХИСТУ СИСТЕМ ЗБІРНИХ ШИН
РОЗПОДІЛЬЧИХ УСТАНОВОК
В.В. Ніценко1, Д.О. Кулагін2
1 - ДП «НЕК «Укренерго» Дніпровська ЕС,
вул. Гребельна, 2, Запоріжжя, 69096, Україна.
E-mail: nicenkovladimir@gmail.com
2 - Запорізький національний технічний університет,
вул. Жуковського, 64, Запоріжжя, Україна, 69063.
Е-mail: kulagindo@gmail.com
Проаналізовано недоліки диференційного струмового захисту збірних шин і відомих способів можливої реалі-
зації їхнього диференційно-фазного захисту. Розроблено більш досконалі способи порівняння фаз струмів ди-
ференційно-фазним захистом шин (ДФЗШ), зокрема наведено логічні вирази для кожного запропонованого спо-
собу, що містять перевірочні умови, виконання яких необхідне для забезпечення надійного пуску і спрацювання
захисту у разі ідентифікації аварійного режиму пошкодження системи шин, що захищається. Наведено
ілюстрації дії захисту при використанні кожного з цих способів у режимах внутрішніх і зовнішніх коротких
замикань. Вибір найбільш доцільного способу порівняння фаз струмів для подальшої його реалізації пристроєм
ДФЗШ зроблений на підставі складання їхньої порівняльної характеристики за результатами теоретичних і
практичних досліджень дії захисту в аварійних режимах. Зроблено висновки щодо переваг застосування запро-
понованого диференційно-фазного алгоритму функціонування пристроїв релейного захисту збірних шин.
Бібл. 10, рис. 5, табл. 1.
Ключові слова: релейний захист, диференційно-фазний захист шин, реле порівняння фаз, кут блокування, збір-
ні шини, способи порівняння фаз струмів.
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 6 71
IMPROVEMENT IMPLEMENTATION METHODS OF RELAY BUSBARS PROTECTION OF SWITCHGEARS
V. Nitsenko1, D. Kulagin2
1 - GP "NEC "Ukrenergo" Dnipro ES,
str. Hrebelna, 2, Zaporizhzhia, 69096, Ukraine.
E-mail: nicenkovladimir@gmail.com
2 - Zaporozhye National Technical University,
str. Zhukovskoho, 64, Zaporizhzhia, 69063, Ukraine.
E-mail: kulagindo@gmail.com
The article analyzes all disadvantages of differential busbar protection and known methods of possible realization of
their phase-differential protection. The authors improved more advanced methods for comparing current phases by
phase-differential busbar protection, in particular, logical operations for each proposed method are given, including
verification conditions that are required to ensure reliable start and trip from protection when identifying the
emergency condition of internal fault, and also illustrations of the protection oparation are given when using each of
these methods in case of internal and external faults. The choice of the most expedient method for comparing the
currents phases for its subsequent implementation by the phase-differential protection device was made on the basis of
building their comparative characteristics based on the results of theoretical and practical studies of the protection
operation in emergency conditions. Conclusions were made about the advantages of using the proposed phase-
differential algorithm of relay busbar protection operation. References 10, figures 5, table 1.
Keywords: relay protection, phase-differential busbar protection, phase comparison relay, block angle, methods of
comparison currents phases.
1. Afanasiev V.V., Adoniev N.M., Galalis L.V., Sirota I.M., Stogniy B.S. Current transformers. – Leningrad:
Energiia, 1980. – 344 p.
2. Kuzhekov S.L., Sinelnikov V.Y. Busbar protection powerstation and substation. − Moskva: Energoatomizdat,
1983. − 184 p. (Rus)
3. Nicenko V.V., Kulagin D.O., Makhlin P.V., Klimko A.N. Investigations of main counted parametrs of
differential-phase busbars protection and factors of power grid, which influences for its setting // Elektrotekhnika i
Elektroenergetika. – 2015. – Vypusk 2. – Pp. 87–94. (Rus)
Available at: http://journal.zntu.edu.ua/et/files/ET22015/ET(2)_2015.pdf
4. Nicenko V.V., Kulagin D.O. Investigation methods of implementation measurement circuits of busbar’s
protection system // Elektrotekhnichni ta kompiuterni systemy. − 2017. − Vypusk 24 (100). – Pp. 28–38. (Ukr)
Available at: http://www.etks.opu.ua/?fetch=articles&with=topic&id=24.
5. The rules of electrical. Head 3.2. Relays protections. – Kharkov: Fort, 2009. – 704 p. (Rus)
6. Collection of guidance materials main technical management USSR Ministry of Energy. – Moskva: Energo-
atomizdat, 1985. – 304 p. (Rus)
7. Technical policy of SE "NEC" Ukrenergo" in the field of development and operation of trunk and interstate
electric networks. − Kyiv: Ukrenerho, 2017. – 76 p. (Ukr)
8. Distributed busbar protection REB500 including line and transformer protection: Operating instruction. –
Baden: ABB Switzerland Ltd, 2011. – 65 p.
9. Gajic Zoran, Hamdy Faramawy, Li He, Klass Koppari, Lee Max. Modern design principles for numerical
busbar differential protection // Relay protection and automation for electric power systems, April 25–28, 2017, Saint-
Petersburg, Russia. – Saint-Petersburg, 2017. – Pp. 1–16.
10. Nitsenko V.V., Kulagin D.O. Investigation of operation of differential-phase protection of busbars system
voltage of 110–750 kV // Scientific Bulletin of National Mining University. – 2017. – No 4. – Pp. 60–67.
Надійшла 28.10.2015
Остаточний варіант 30.08.2017
|