ВІД РОЗРОБКИ ДО ВПРОВАДЖЕННЯ

Головна : : Статті : : Алгоритм роботи гнучких мікропроцесорних захистів від...

В.М. Савицький, О.І. Белошистов, О.В. Савицький

Алгоритм роботи гнучких мікропроцесорних захистів від аварійних режимів розподільних мереж вугільних шахт напругою до 1200 В

Постановка проблеми

У цей час у вугільних шахтах застосовується безліч різних комутаційних апаратів, кожний з яких містить кілька одиниць пристроїв захисту та керування. З огляду на живучість вибухозахищених комутаційних апаратів, що досягає декількох десятків років, в умовах експлуатації перебувають одночасно застарілі захисти прямої дії, електромеханічні пристрої захисту типу УМЗ, БРУ-2С і напівпровідникові захисти типу ПМЗ, ТЗП, БКИ, БТЗ-3, БТЗ-Т, БКЗ, а в сучасних апаратах з'являються різного роду мікропроцесорні захисти. Слід зазначити, що основна відмінність різних поколінь пристроїв релейного захисту полягає, насамперед, у технічних засобах реалізації однакових по суті принципів. Жоден з наведених пристроїв захисту не має властивості параметричної адаптації до режимів, які змінюються, об'єктів, які захищаються і не забезпечує необхідної швидкодії для системи випереджального відключення мережі. Давно відомо, що вдосконалювання систем релейного захисту з незмінною архітектурою з метою підвищення надійності, організації контролю та діагностики можливо тільки екстенсивним шляхом нарощування додаткових апаратних засобів, що в остаточному підсумку знижує надійність, а для умов застосування у вибухозахищених апаратах цей напрямок практично неприйнятно.

Безумовно, таке положення справ не може задовольняти експлуатаційний персонал, тому що породжує масу проблем по обслуговуванню та перевірці захистів, у тому числі необхідність створення спеціальних стендів, методів і методик перевірки, наявність різнобічно підготовленого персоналу і т.д.

Крім того, у цей час усе більше тверді вимоги пред'являються до надійної та безпомилкової роботи засобів захисту, особливо для захисту потужних дорогих двигунів і, насампереддо пристроїв захисту від перевантаження. Слід зазначити, що електромеханічні пристрої взагалі не виконують функції захисту від перевантаження, а напівпровідникові захисти будуються на принципі контролю заряду конденсатора, пропорційного струму навантаження. Природно, такі захисти є досить умовними, тому що контролювати точно напругу на виположеній частині експонентної характеристики принципово неможливо через розкид параметрів елементів, включаючи і їхню температурну нестабільність. Спроби вдосконалювати існуючі захисти на новій елементній базі з використанням старих принципів не привели до бажаного результату.

Одночасно із цим останнім часом проводиться масштабне впровадження систем автоматизації підприємств із включенням контролю стану захистів і виконуваних ними функцій. Характерною рисою вимог до подібнх захистів є необхідність виконання ними функцій підсистеми нижнього рівня, пов'язаного із системою верхнього рівня. Знову створювані захисти повинні бути погоджені з такою системою.

Тому зараз гостро встало завдання створення засобів захисту з високою швидкодією, які вірогідно контролюють робочі параметри двигуна, які забезпечують захист від виходу його з ладу з можливістю інтеграції в загальну систему автоматизації.

Аналіз публікацій і досліджень

У загальнопромислових мережах, особливо високої напруги, протягомостанніх 30 років ведуться інтенсивні роботи зі створення та впровадження гнучких мікропроцесорних захистів від аварійних режимів роботи [1, 2]. У той же час слід зазначити, що в цей час тільки 4 % мереж оснащені такими захистами [3]. Причин такого положення безліч, але головна з них – ненадійна й недостовірна спочатку робота мікропроцесорних захистів через недосконалість елементної бази. Зараз положення змінилося кардинальним образом. У зв'язку з появою надійних і доступних за ціною мікроконтролерів PICmicro® с широкими функціональними можливостями програмування представляється можливим створення гнучких систем комплексного захисту від аварійних режимів роботи. У розподільних мережах вугільних шахт дотепер системно не проводилися роботи зі створення спеціальних захистів, що враховують специфіку роботи високонавантажених двигунів, наявність перешкод, якість обслуговування, умови навколишнього середовища і т.д.

Ціль статті. Розкрити необхідні та достатні умови для створення гнучких уніфікованих мікропроцесорних захистів від аварійних режимів роботи розподільних мереж вугільних шахт напругою до 1140 В, тобто захистів, які мають здатність до перебудови функцій і параметрів.

Результати досліджень

Синтез нових систем захистів проводиться на базі процедурно-апаратного способу програмування структури релейного захисту з урахуванням наступності та перспективи застосування в комплексі автоматизованого керування підприємством. Це обумовлено тим, що топологія розподільних мереж напругою до 1200 В мало змінюється, однак діапазон навантажень та їхній характер змінюється в дуже широких межах (від 5 до 800 кВт). Крім того, пристрої захисту можуть вбудовуватися в найрізноманітнішівибухозахищені комутаційні апарати: пускачі та автоматичні вимикачі, трансформаторні підстанції та станції керування, частотні перетворювачі й пристрої плавного пуску і т.д. Отже, архітектура побудови захистів повинна враховувати цей фактор. Тому якбазовий варіант прийнята реалізація захисту на основі способу універсальної гнучкості побудови структури, що дозволяє реалізувати параметричну адаптацію, засновану на інформації про зміну параметрів об'єкта, який захищається, і параметрів перехідного процесу, а також і самоорганізація захистів до топології об'єкта, який захищається, і умов застосування.

Синтез захистів проводиться виходячи з передумови, що пристрої релейного захисту по своєму функціональному призначенню є вирішальними пристроями, інформаційно взаємодіючими із об'єктом, який захищається. Організація архітектури системи захисту ґрунтується на базі заданих алгоритмів виявлення ушкоджень у мережі, топології об'єкта та сукупності керованих елементів. Для таких цілей, як показує аналіз, найбільш прийнятним є автономний варіант із комплексними функціями, що забезпечують захист від декількох видів ушкоджень.

Алгоритм роботи комплексного захисту, який вбудовується у вибухозахищені апарати, визначається наступними функціями:

Основним інформаційним параметром контролю захисту є струм у первинній мережі. Аварійний струм при двофазному КЗ у мережі описується, як відомо, наступним вираженням (Я.С.Риман, 1977):
iк.з.=Im·[sin(ω·t+ψ)-sin(ψ)·e-t/T], (1)
де: Im – амплітуда періодичного складового сталого значення струму КЗ;
ω – кругова частота мережі;
ψ – початковий кут зсуву струму в момент виникнення КЗ;
T – постійна часу загасання аперіодичної складової струму КЗ.

Для прогнозної оцінки розвитку аварії з метою створення швидкодіючого захисту використаються значення похідної струму КЗ, що описується наступним вираженням:
i'к.з.=Im·[ω·cos(ω·t+ψ)+sin(ψ/T)·e-t/T]. (2)

Аналіз наведених рівнянь показує, що процес розвитку струму визначається параметрами мережі та початковим кутом зсуву фази. Струм досягає максимального значення при ψ=±(π/2) за час до 10 мс. Аналіз похідної струму i'к.з. одночасно показує, що максимальне її значення досягається при ψ=0 і, отже, i'к.з.=Im·ω·cos(ω·t). Якщо 0<ψ<π/2, то максимум значення похідній струму наступає із затримкою часу до 5 мс.

У зв'язку із цим швидкодія захисту визначається із трансцендентного рівняння cos(ω·t)=-(1/(ω2·T2))·e-t/T

Таким чином, залежність iк.з. від ψ підтверджує принципова наявність затримки часу спрацьовування МТЗ.

Тому для досягнення необхідної швидкодії, що не перевищує 1 мс, потрібно використати й другу похідну струму КЗ, що описується наступним вираженням [3]:
i''к.з.=Im·[-ω2·sin(ω·t+ψ)-sin(ψ/T2)·e-t/T]. (3)

Аналіз виражень (1), (2) і (3) показує, що струм КЗ і його друга похідна при ψ=π/2 максимальні в початковий момент, а перша похідна в цей момент мінімальна, а при ψ=0 – навпаки.

У діапазоні π/2<ψ<π у міру зниження початкового кута значення Iк.з. і i'к.з. збільшуються, а i''к.з. зменшується, а потім – навпаки, але сума залишається практично незмінною, завдяки чому можна досягти часу спрацьовування не більше 0,5...1 мс. Ці параметри достатні для синтезу швидкодіючих захистів, однак недостатні з погляду їхньої завадостійкості при різних внутрімережних і комутаційних перешкодах. Для підвищення завадостійкості варто ввести параметр інтегрального показника кількості струму, який протікає за виділений час, який повинен бути більше аналогічного показника потужних імпульсних, але короткочасних перешкод. Цей варіант реалізації способу захисту ґрунтується на моделюванні струмотимчасових характеристик і струму, форма кривої якого максимально відповідає формі струму, який протікає, з урахуванням аперіодичної складової (рисунок 1,а) і тривалого струму перевантаження (рисунок 1,б). Заштрихована площа є інтегральним показником значення струму, що протікає в мережі в заданий час.

Тимчасові діаграми роботи захисту, який спрацьовує по відхиленню фактичного струму короткого замикання (а) і струму навантаження (б) від того, що моделюється
Рисунок 1 – Тимчасові діаграми роботи захисту,
який спрацьовує по відхиленню фактичного струму короткого замикання (а) і струму навантаження (б) від того, що моделюється

У сукупності наведені параметри можуть бути покладені в основу створення алгоритму роботи гнучкого багатофункціонального захисту від аварійних режимів роботи розподільних мереж напругою до 1140 В, який використає вхідні сигнали, які несуть корисну інформацію (таблиця 1).

Таблиця 1 відображає корисні сигнали, які надходять на вхід захистів для їхньої обробки й видачі результуючого сигналу. Коефіцієнт чутливості представляє відношення значення вхідного сигналу до параметрів уставки і є розрахунковою величиною.

Однак, як відомо, одночасно з корисними сигналами на вхід захисту надходять і перешкоди, які можна класифікувати по наступних основних ознаках:

Таблиця 1
Контрольовані параметри Алгоритм функціонування захисту tср, мс Кч
iк.з. iк.з.>Iуст 20-40 1(1,25)
i'к.з. i'к.з.>Iуст 0,5...5 1,8...10
i'к.з., i' ''к.з. ∑(i'к.з.+i' ''к.з.)>Iуст 0,5 7,5...10
iк.з., iмод Δiк.з./Δiмод>1 0,5...2,5 2,5...10
iк.з., iк.з.мод 0tср[(iк.з.-iк.з.нач)-(iк.з.мод.-iк.з.мод.нач)]dt>Iуст 0,5 10
i'p, i'p мод 0tср[(iр.-iр.нач)-(iр.мод.-iр.мод.нач)]dt>Iуст 5·103...1200·103 1
Rc Rc≤Rуст 50 1

Примітка. У таблиці прийняті наступні позначення:
ip – контрольований робочий струм навантаження;
iр мод – робочий струм двигуна, який моделюється;
Rc – опір ізоляції контрольованої кабельної лінії.

При комутації ненавантаженої лінії зарядна стадія струму внутрімережних перешкод у відгалуженні, яке захищається, описуються наступними вираженнями [4]: ip(t)=-(Em/ω'LC)eβtsinω't,
де Em – амплітудне значення фазної напруги мережі;
ω' – кругова частота перехідного процесу, обумовлена параметрами мережі, яка комутується;
LC – індуктивність ділянки мережі, що комутується;
β=Rn/2L'C – коефіцієнт загасання коливань, обумовлений параметрами контуру ланцюга захисту.

Контактні перешкоди, що надходять на вхід захисту, мають такий вигляд [3]: U(1-e-βt)sinωt,
где U – напруга перешкоди;
ω' – кругова частота коливань контуру.

Перешкода типу «білий шум» описується як n(t).

Слід зазначити, що всі перераховані перешкоди стосовно корисних сигналів є адитивними, а сигнали n(t) і ni=1Uisinωit – статистично незалежні від іншого сигналу. Тому по сумарному сигналі потрібно визначити комплексну частотну характеристику K0(jω) фізично реалізованої схеми формування вхідних величин, які максимізують відношення на вході сигнал/перешкода.

Як відомо, комплексна частотна характеристика такої схеми формування сигналу визначається з умови (І.С.Гоноровський, 1978):
K0(jω)=(S*S(t)(jω)/Sn(jω))e jωT, (4)
де S*S(t)(jω) – комплексно з'єднана функція зі спектральною щільністю корисного сигналу;
Sn(jω) – спектральна щільність сигналу перешкоди;
Т – період.

У якості опорного корисного сигналу для вхідного струму повинна бути прийнята, як треба з таблиці 1, основна гармоніка, спектральна щільність якої:
S*S(t)(jω)=(Uc2/4)∫-∞[e j(ω0 - ω)T+e - j(ω0 - ω)T]dt=(πU2/2)[δ(ω+ω0)+(ω-ω0)], (5)
де Uc – напруга корисного сигналу;
ω0 – центральна частота перешкоди;
δ – одиничний імпульс.

Спектральна щільність перерахованих перешкод визначається наступним вираженням:
S*n(jω)=(N0/2)+(πA2/2)[δ(ω+ω')+δ(ω-ω')], (6)
N0 – середня потужність перешкоди;
A – середньоквадратичне значення амплітуди перешкоди.

Підставляючи вираження (5) і (6) в (4), одержимо:
K0(jω)=((πU2/2)[δ(ω+ω0)+δ(ω-ω0)]e jωT)/((N0/2)+(πA2/2)[δ(ω+ω')+δ(ω-ω')]).
Це умова, яка максимізує відношення сигнал/перешкода, може бути реалізоване за допомогою вхідних фільтрів, схеми й параметри яких вибираються виходячи з конкретних умов застосування.

У той же час поставлене завдання синтезу швидкодіючих захистів, які визначають виникнення КЗ у мережі за час, який не перевищує 1 мс, пред'являє дуже тверді вимоги до загасання перехідних процесів як у датчиках струму, так і у ланцюгах формування вхідних сигналів. Прийняті раніше спроби створення швидкодіючих захистів на напівпровідникових елементах з використанням тільки однієї вхідної величини – першій похідній струму КЗ – не могли реалізувати повною мірою поставлене завдання. Зараз представляється перспективним використовувати цифрові схеми обробки сигналів, які обробляють інформацію у вигляді багаторозрядних збільшень змінних даних. Це скорочує обсяг інформації, яка переробляється, і істотно підвищує завадостійкість роботи системи захисту за рахунок багаторазового повторення опитування вхідних величин. При цьому рішення завдань проводиться методом чисельного інтегрування, а результати обчислень представляються у вигляді числових значень шуканих величин. Специфічною особливістю покрокових методів обробки сигналів є використання екстраполяції значень функцій на один крок уперед, що дозволяє здійснювати короткостроковий прогноз розвитку процесу й тим самим реагувати на подію з випередженням, що дуже важливо для швидкодіючих захистів.

Крім того, впровадження цифрових схем обробки вхідних сигналів істотно знижує споживання потужності в струмових ланцюгах пристроїв релейного захисту, що дає можливість за рахунок збільшеного вхідного опору схеми одержувати як завгодно малі струмові погрішності при нульовій кутовій погрішності. Надто важливо мати неспотворену струмову характеристику для швидкодіючих пристроїв захисту.

Розроблена на базі викладених положень структурна схема узагальненої архітектури релейного захисту представлена на рисунку 2.

Функціонально схема містить блок захисту та датчики струму ДТ, включені в первинний ланцюг мережі. Номінальна вихідна напруга датчиків струму становить 7,2 В і може досягати до 50 В і більше залежно відсили струму КЗ. Сигнал, знятий з ДТ, надходить через випрямляч на фільтр Ф пристрою захисту, де із сукупності вхідних сигналів виділяється корисний сигнал, який у свою чергу надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП) вирішального пристрою й перетворюється в цифровий сигнал. Надалі він проходить операції порівняння з еталонним у блоці вибірки та порівняння даних: паралельно виробляється обчислення першій і другій похідній, а також інтегрального показника струму за час виміру в блоці моделювання. По пріоритетному принципу сигнали надходять на вхід реагуючого органа, а потім на виконавчі пристрої – вихід №1 с запам'ятовуванням режиму спрацьовування та вихід №2 с тимчасовим блокуванням.

Структурна схема побудови гнучкого мікропроцесорного захисту від аварійних режимів роботи розподільних мереж
Рисунок 2 – Структурна схема побудови гнучкого мікропроцесорного захисту
від аварійних режимів роботи розподільних мереж

Канал пристрою попереднього контролю опору мережі підключається до неї за допомогою блока-контакту комутаційного апарата КМ через окремий вхід. Оперативний струм, що накладається на контрольовану мережу, через фільтр надходить на АЦП мікроконтролера, виміряється в блоці порівняння та результуючий сигнал подається на інший вихід блоку захисту.

Наведена структурна схема пристрою захисту являє собою обчислювальний пристрій, обробка інформації в якому проводиться послідовно із багаторозрядними збільшеннями, що підвищує швидкодію, точність роботи та завадостійкість. Обрана частота тактових імпульсів вирішального пристрою забезпечує високу швидкодію обробки сигналу.

Більшість наведених функцій реалізовано в блоці, який випускається серійно, комплексного захисту типу БКЗ-3МК, який застосовується для встройки у вибухозахищені апарати. Функції швидкодіючого захисту можуть бути реалізовані у комплексі системи автоматичного швидкодіючого відключення с швидкодіючими виконавчими органами, яки обмежують струм.

Висновки
  1. Розроблений алгоритм роботи дозволяє синтезувати гнучкі мікропроцесорні захисти від можливих аварійних режимів шахтних розподільних мереж напругою до 1140 В, включаючи надійний захист двигунів від перевантажень.
  2. Проведений аналіз корисних сигналів, які несуть інформацію про стан мережі, та існуючих перешкод дозволяє зробити висновок про можливості створення завадостійкого швидкодіючого захисту від КЗ на базі багаторазового опитування та обчислення збільшень вхідних сигналів.
Список літератури
  1. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты / Под ред. В.П. Морозкина. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 240 с.
  2. Гуревич В.И. Микропроцессорные реле защиты. Новые перспективы или новые проблемы? // Промышленная энергетика.- 2005.- №8.- С.16-18.
  3. Микропроцессорные реле защиты // Новости ЭлектроТехники.-2005.-№ 6(36).
  4. Фролкин В.Г. Быстродействующая защита шахтных участковых сетей.- М.: Недра,1986.- 124с.
Головна : : Статті : : Алгоритм роботи гнучких мікропроцесорних захистів від...
Україна, м. Донецьк,
вул. 50-й Гвардійської дивізії, 17
тел.: +380 62 382-93-53
Рейтинг@Mail.ru Інформаційно-розважальний портал КомерСайт .Рейтинг сайтів регіону Украинский портАл Украина-Сегодня: Каталог сайтов Яндекс цитирования Украина онлайн Rambler Top100 Rambler's Top100 Б И З Н Е С - И Н Ф О Р М -  Каталог фирм, организаций, товаров и услуг Украины Valid XHTML 1.1