Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Причины неудовлетворительной работы устройств защиты трансформаторов от междуфазных кз. постановка задачи 9
1.1. Обзор защит трансформаторов от между фазных КЗ 9
1.2. Обеспечение правильной работы защит трансформаторов от междуфазных КЗ в переходных режимах 17
1.3. Сопоставление способов отстройки от БТН 25
Выводы 39
ГЛАВА 2. Методологические подходы теории распознавания образов к построению и усовершенствованию УРЗА 41
2.1. Логический (традиционный) подход 41
2.2. Структурный подход 48
2.3. Некоторые дополнительные определения и понятия из теории распознавания образов 52
Выводы 58
ГЛАВА 3. Метод составления словарей признаков 60
3.1. Обоснование принципа действия защиты 60
3.2. Принцип формирования сигналов, позволяющих контролировать отличительные признаки аварийных режимов 64
3.3. Формирование образа аварийных режимов 72
3.4. Выбор наиболее информативных отличительных признаков БТН 77
3.5. Моделирование сигналов, задающих принцип функционирования защиты 78
Выводы 83
ГЛАВА 4. Описание аварийных режимов на языке признаков 84
4.1. Исходные положения 84
4.2. Аварийные режимы при установившемся процессе 89
4.3. Симметричные внутренние и внешние КЗ при переходном процессе 98
4.4. Несимметричные внутренние и внешние КЗ 112
4.4.1. Внутренние одновременные КЗ 112
4.4.2. Внешние одновременные КЗ 119
4.4.3. Последовательные внутренние и внешние КЗ 130
4.4.4. Корректировка словарей признаков и алгоритма распознавания 137
Выводы 140
ГЛАВА 5. Разработка способа отстройки защиты трансформатора от броска тока намагничивания 142
5.1. Определение пригодности метода описания аварийных режимов для распознавания БТН 142
5.2. Описание режима БТН на языке признаков 146
5.2.1. Распознавание БТН в первом периоде переходного процесса 146
5.2.2. Отстройка защиты трансформатора от БТН во втором и последующих периодах переходного процесса 162
5.3. Обоснование необходимости использования числового кодирования для распознавания БТН 170
Выводы 173
ГЛАВА 6. Проверка работоспособности предложенных принципов построения дифференциальной защиты трансформатора .174
6.1. Выбор микропроцессорных средств 174
6.2. Приёмы реализации предложенного принципа распознавания режимов 176
6.2.1. Распознавание внутренних и внешних КЗ 176
6.2.2. Распознавание БТН 180
6.3. Методы, применённые для проверки разработанных алгоритмов 184
Выводы 188
Заключение 189
Список использованных источников 193
- Обеспечение правильной работы защит трансформаторов от междуфазных КЗ в переходных режимах
- Некоторые дополнительные определения и понятия из теории распознавания образов
- Принцип формирования сигналов, позволяющих контролировать отличительные признаки аварийных режимов
- Симметричные внутренние и внешние КЗ при переходном процессе
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение единичных мощностей агрегатов, концентрация больших мощностей в узлах энергосистем и увеличение пропускной способности линий электропередачи приводят к возрастанию уровня противоречивых требований к устройствам релейной защиты и автома- . тики (УРЗА). При этом одним из важнейших требований является быстрота отключения повреждённых объектов. Требование уменьшения времени отключения повреждённого электрооборудования относится, прежде всего, к релейной защите. Её усовершенствование связано с несоизмеримо меньшими затратами, чем усовершенствование высоковольтных выключателей, для которых достигнуты такие времена отключения, что их дальнейшее сокращение физически невозможно. Неравномерность графиков нагрузки потребителей, применение современных систем охлаждения электрооборудования являются причиной резкого снижения относительных значений токов коротких замыканий (КЗ) в минимальных режимах работы энергосистем, что обуславливает ряд трудностей в обеспечении чувствительности РЗ.
Основной защитой трансформаторов (автотрансформаторов) является быстродействующая дифференциальная защита. Высокий уровень токов КЗ в максимальных режимах и большие постоянные времени первичных цепей являются причиной насыщения трансформаторов тока (ТТ), приводящих к существенным искажениям входных токов дифференциальных защит в переходных процессах. При разработке защиты должно быть учтено влияние на её работу свойств первичных датчиков входных сигналов, каковыми являются ТТ, соединяемые в различные трёхфазные группы. Высокая эффективность функционирования дифференциальных защит предполагает распознавание режима работы защищаемого объекта в самом начале переходного процесса, что требует очень быстрого выявления признаков текущего режима работы объекта в условиях поступления искажённой информации. Всё это, в свою очередь, требует необходимости одновременного контроля большого числа параметров.
, Поиск эффективных способов реализации возрастающих требований к УРЗА и возможностей применения методов достаточно полного их удовлетворения при широком использовании микроэлектроники привели к резкому возрастанию числа разнотипных и достаточно сложных устройств. Но в настоящее время дальнейшее улучшение эксплуатационных качеств УРЗА, построенных на базе аналоговых принципов, стало практически невозможным из-за быстрого их усложнения и, как следствие, резкого увеличения времени их разработки и удорожания. Альтернативой является построение устройств, использующих микропроцессорные средства и реализующие функции релейной защиты и системной автоматики. Этими вопросами занимается много организаций, но в своём большинстве разработчики микропроцессорных средств релей- ной защиты адаптируют к ним алгоритмы существующих аналоговых защит.
Силовой трансформатор является весьма сложным объектом с точки рения его защиты, что во многом обуславливается необходимостью отстройки дифзащиты от броска тока намагничивания (БТН), имеющего много общего с режимом внутреннего КЗ. Опыт разработки дифзащит трансформаторов показал, что для полноценного использования количественных и качественных признаков даже при пофазном исполнении защиты логика работы аппаратной части должна быть очень сложной. Реализация взаимодействия информации, получаемой в разных фазах, практически невозможна при традиционном подходе к построению защиты. Поэтому при переходе к микропроцессорной реализации дифзащиты трансформатора необходимо применять более совершенные методы обработки информации.
Микропроцессорная техника позволяет реализовать алгоритмы функционирования УРЗА, существенно отличающиеся от традиционных. Преодоление причин неправильных действий защит требует применения новых алгоритмических подходов, реализация которых возможна только на микропроцессорной технике при использовании прогрессивных способов обработки информации. В работе предлагается использовать одно из направлений кибернетики - «Тео- рию распознавания образов», которая сформировала ряд прогрессивных методов обработки информации.
Целью работы является разработка принципов построения микропроцессорной дифференциальной защиты трансформатора, основанных на структурном подходе теории распознавания образов. При этом в алгоритм функционирования защиты закладывается обработка сигналов, позволяющих контролировать самые информативные из ранее известных отличительных признаков.'
Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи: выбор наиболее информативных количественных и качественных отличительных признаков режимов работы защищаемого объекта на основании анализа принципов функционирования существующих защит трансформаторов; разработка формального языка для описания исследуемых режимов работы защищаемого объекта и формализации отличительных признаков; исследование средствами компьютерного моделирования переходных процессов в трёхфазных группах ТТ, вызванных режимами внутренних и внешних КЗ, а также режимом БТН, и их влияния на контролируемые защитой . параметры; описание распознаваемых режимов на формальном языке признаков и разработка алгоритма распознавания.
Научная новизна работы. Предложен новый —структурный—подход к построению быстродействующей дифференциальной защиты трансформатора. С другой стороны, это означает, что найдено практическое применение структурного подхода теории распознавания образов в релейной защите электроэнергетических объектов. При этом разработан новый структурный метод для выявления отличительных признаков режимов защищаемого объекта, позволяющий параллельно контролировать сразу несколько параметров и хранить о них информацию. С помощью этого разработана новая формализация ранее известных отличительных признаков, а также выявлены новые отличительные признаки. Разработан новый способ отстройки дифзащиты трансформатора от БТН, в котором применяется метод числового кодирования Фримена, используемый для распознавания текста и изображений. Получена возможность простой реализации совместного использования информации от всех трёх фаз.
Предложенный принцип построения алгоритма обеспечивает правильность функционирования защиты в таких условиях, при которых отличительные признаки истинного режима проявляются после проявления отличительных признаков другого режима. Такие условия выявлены в ходе работы при исследованиях внешних КЗ. Традиционные принципы построения защит не позволяют учесть подобные обстоятельства.
Для проверки практической реализуемости предложенного принципа разработан аппаратно-отладочный комплекс на базе микроконтроллера MSP430F149. Для него разработана программа, реализующая предложенный алгоритм функционирования дифзащиты трансформатора. Определены минимальные требования к микропроцессорным средствам.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электрические станции» Новосибирского государственного технического университета (НГТУ), на Всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука, технологии, инновации» в 2001 и 2003 гг. в г. Новосибирске, на днях науки НГТУ в 2002, 2003 и 2004 гг., на научной сессии факультета энергетики НГТУ в 2004 г.
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ: из них 8 научных статей и 3 тезисов докладов.
Объём и структура работы. Диссертация изложена на 201 странице, содержит 28 рисунков и 2 таблицы. Она состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Список использованных источников содержит 88 наименований.
Обеспечение правильной работы защит трансформаторов от междуфазных КЗ в переходных режимах
В предыдущем разделе проведено сопоставление защит, в основном, с точки зрения обеспечения необходимой чувствительности к внутренним повреждениям. Но для дифференциальных защит важнейшее значение имеет также обеспечение их правильной работы в переходных режимах.
Аналитические исследования переходных процессов в группах ТТ (ГТТ), выполненные методом вспомогательных функций [24-28], а также исследования, выполненные с помощью компьютерного моделирования в пакетах TDGTT [77] и MATLAB [78], показали, что характер переходных процессов в ГТТ и в одиночно работающих ТТ существенно различен. При выполнении этих исследований установлено, что уровень устойчивости функционирования ДФДЗ при внешних КЗ будет не выше, чем у ДФЗ, который является недостаточным [23].
Так в случае чисто активного сопротивления нагрузки и сопротивления вторичной обмотки ТТ ток в плече дифзащиты после насыщения ТТ снижается практически до нуля, а в последующих периодах (после первого насыщения) ТТ будет насыщаться в начальной части продолжительной полуволны первичного тока. Интервалы идеальной трансформации при значительных постоянных времени (0.2-0.3 с) могут снижаться до 1.5-2 мс с начала продолжительной полуволны. В ГТТ любого вида при двухфазных КЗ на землю (а в ГТТ «треугольник» и при симметричных КЗ) в продолжительных полуволнах идеальная трансформация вообще может отсутствовать в течение нескольких периодов после первого насыщения. При всех видах внешних КЗ может возникать разнополярный ток небаланса при идеально совпадающих характеристиках намагничивания ТТ, а паузы в токе небаланса могут быть в 3—5 раз меньше, чем в токе намагничивания одиночно работающего ТТ. По этим причинам принцип отстройки от БТН и переходного тока небаланса, принятый в реле типа ДЗТ-2х, не обеспечивает достаточного быстродействия защиты при внутренних КЗ с большими токами и большой апериодической слагающей, приводящих к глубокому насыщению ТТ. Для исключения этого недостатка в струк-. туру реле введена дополнительная дифференциальная токовая отсечка, имеющкя весьма большой ток срабатывания, который превышает максимально возможное значение броска тока намагничивания. То есть, для выявления наиболее опасных КЗ используется не основной, а дополнительный блок.
Исходя из вышеописанного, в алгоритме функционирования защиты следует использовать качественные признаки переходных процессов в ГТТ, свойственные режимам внутреннего или внешнего КЗ, в дополнение к сочетанию нескольких принципов действия, основанных на контроле количественных признаков. К качественным признакам следует относить такие, которые проявляются в узком интервале периода промышленной частоты в идентифицируемом режиме и отсутствуют в других режимах. Также возможно применение интегрально-качественных признаков (другое название - признаки переходного процесса), характеризующиеся тем, что время их надёжного проявления соизмеримо с периодом промышленной частоты или превышает его [25]. Наименее изученными в настоящее время являются качественные признаки.
Чтобы эффективно использовать возможности, содержащиеся в комплексном применении количественных и качественных признаков, необходимо выполнение следующих условий. Во-первых, время идентификации режима по количественным признакам должно быть меньше или равным длительности хотя бы продолжительной полуволны вторичного тока в первом периоде. Во-вторых, количественные признаки не должны нуждаться в такой обработке входных сигналов, при которой устраняются качественные признаки (фильтрация, выделение симметричных составляющих и др.). В противном случае для контроля качественных признаков потребуется дополнительный автономный канал, что равносильно композиции двух отдельных защит.
Комплексное использование количественных и качественных признаков даёт возможность управлять уровнем устойчивости функционирования, независимо воздействуя на отдельные динамические характеристики защиты, что исключает зависимость её быстродействия от уровня отстроенности от внешних КЗ. ДФДЗ трансформатора с комплексным применением количественных и качественных признаков разработана на кафедре «Электрические станции» НГТУ. Она выполнена на микроэлектронной базе и имеет название ДФДЗ-1 [25]. Эта защита реагирует на мгновенные значения токовых сигналов и функционирует по время-импульсному принципу действия. К настоящему времени были предложены и использовались следующие качественные признаки [21, 25]: 1) полуволны тока разной полярности повреждённой ветви и суммарного тока питающих ветвей при внешних КЗ совпадают по времени, а при внутренних - не совпадают; 2) при внешних КЗ длительность интервала времени от момента появления дифференциального тока до его максимума меньше длительности от его максимума до минимума, а при внутренних - наоборот; 3) при внутреннем КЗ дифференциальный ток появляется раньше тормозного сигнала, а при внешнем — дифференциальный ток появляется позже тормозного сигнала, либо одновременно с ним; 4) в первом периоде переходного процесса при внутреннем КЗ производная дифференциального тока совпадает с фронтом полуволны вторичного тока, а при внешнем она отстаёт от этого фронта на время насыщения ТТ; 5) признаком насыщения ТТ неповреждённой фазы при внешних несимметричных КЗ является появление тока в плече дифзащиты одновременно с дифференциальным током, после того как зарегистрировано внешнее КЗ хотя бы в одной из фаз (не ранее, чем через 5 мс от момента появления сквозного тока хотя бы в одной из фаз).
Некоторые дополнительные определения и понятия из теории распознавания образов
Термин «образ» (англ. «pattern») является обобщённым понятием и всегда используется в двояком смысле. С одной стороны, это объект распознавания, а с другой - это некоторый «идеальный» представитель класса объектов, который может быть представлен какими-либо описаниями в зависимости от методов распознавания. Изначально под термином «образ» понимался только символ текста, написанный от руки или напечатанный на машинке, поскольку самые первые задачи распознавания образов были связаны с распознаванием текста. Со временем круг задач распознавания существенно расширился и охватывает практически все сферы деятельности человека. Поэтому под термином «образ» (особенно в словосочетании «распознавание образов») также еле- " дует понимать любой распознаваемый объект, явление, сигнал, процесс, изображение и многое другое, то есть то, что требуется распознавать. Самым общим из перечисленного является «объект», поэтому этот термин также часто используется наряду с термином «образ» при качественном описании распознавания образов безотносительно к какой-либо конкретной задаче.
Как указывалось выше, распознавание заключается в установлении принадлежности нового, не рассматривавшегося ранее в процессе изучения, объекта к одному из заранее выделенных классов объектов. Класс олицетворяет собой некоторую совокупность (подмножество) объектов, обладающих близкими свойствами. Образ отождествляется с классом объектов; другими словами, говорят, что некоторые указанные объекты соответствуют одному образу.
Согласно теории распознавания образов разрабатываемая дифзащита трансформатора представляет собой систему распознавания. Проектирование систем распознавания — достаточно сложный итерационный процесс, реализация которого сопряжена с построением постепенно уточняющейся математической или физико-математической модели проектируемой системы. Этот процесс заключается в проведении постоянно усложняющихся экспериментов на модели системы распознавания с целью исследования её функционирования и её обучения или самообучения. Во многих случаях может потребоваться и создание модели самого распознаваемого объекта, которая будет сопряжена с моделью системы распознавания или включена в её состав. Только наличие подобной модели позволяет реализовать итерационный процесс построения прообразов системы распознавания, всё более и более приближающихся по своим характеристикам к требуемым. Это может объясняться обусловленной разными причинами невозможностью проведения экспериментов на реальных распознаваемых объектах и системах распознавания.
Первая итерация процесса построения системы распознавания может быть названа априорной (исходной). При её выполнении составляется априорный алфавит классов и разрабатывается априорный словарь признаков. Алфавит классов — это полный перечень типов распознаваемых объектов. Словарь признаков представляет собой совокупность выделяемых системой распознавания вторичных признаков, характерных объектам указанного класса. Отдельные признаки принято называть словами. Также используется такое понятие, как язык признаков - фиксированное множество всех признаков, т.е. общая совокупность всех слов из всех словарей признаков. Разработка словаря признаков иначе называется описанием классов объектов на языке признаков. На последующих итерациях производится дополнение и корректировка словарей признаков, алфавита классов и алгоритма распознавания. При выполнении любой итерации могут быть затронуты не все, а только часть классов, или даже небольшая часть только одного из классов объектов.
Подразумевается, что словарь признаков содержит вторичные признаки, причём те, по которым принимаются окончательные решения об отнесении распознаваемого объекта к тому или иному классу. Главная цель моделирования системы распознавания, другими словами, заключается в выявлении вторичных признаков, составлении рабочих словарей признаков и обучении системы распознавания (разработки алгоритма распознавания). Выявление вторичных признаков без проведения экспериментов на модели системы распознавания и исследования её функционирования может оказаться весьма сложным или даже невозможным, а значит и невозможным составить априорный словарь признаков. Наиболее важным при создании алгоритма распознавания является выбор оптимального набора отличительных признаков распознаваемых объектов из всего множества ранее известных. Следует отличать ранее известные отличительные признаки от тех признаков, которые будут формировать словари признаков и на основании которых будет приниматься окончательное решение.
И те, и другие могут считаться вторичными признаками в общем смысле, но признаки, определяющие принятие окончательного решения, будут являться вторичными по отношению к ранее известным, то есть будут формироваться из последних. В этом и заключается важность выбора оптимального набора уже известных отличительных признаков. Но, прежде всего, эти две группы признаков будут отличаться по форме, и, возможно, по содержанию (например, по отражению физического смысла). Хотя по содержанию признаки из двух указанных групп чаще всего могут нести в себе одинаковый физический смысл. Выбрав оптимальный набор отличительных признаков, можно считать исходную, первую итерацию проектирования системы распознавания выполненной.
Несколько слов ещё о двух упомянутых выше подходах распознавания образов: детерминированном (дискриминантном) и вероятностном. Алгоритмы распознавания при этих двух подходах основываются на сравнении той или другой меры близости или меры сходства распознаваемого объекта с каждым классом. При этом если выбранная мера близости L данного объекта q с каким-либо классом Qg, g=l, ..,, т, где т — число классов, превышает его меры близости с другими классами, то принимается решение о принадлежности этого объекта к классу Qg.
Принцип формирования сигналов, позволяющих контролировать отличительные признаки аварийных режимов
Описанному способу сочетания наилучших качеств трёх принципов действия соответствует следующий принцип формирования сигналов, позволяющих контролировать количественные признаки. Прежде всего, вторичные.токи плеч снижаются до уровня, приемлемого для микроэлектронной части защиты. Эту задачу, а также гальваническую развязку, как обычно, выполняют промежуточные датчики тока. Кроме того, промежуточные датчики тока выполняют уравнивание значений токов плеч. Для дальнейшего формирования сигналов уравненные вторичные токи каждого плеча разделяются по полуволнам разной полярности. Затем разделённые полуволны суммируются в отдельности по каждой полярности, формируя два отдельных сигнала, один из которых равен или пропорционален сумме положительных полуволн (/+), а второй — сумме отрицательных (/ ). Структурная схема, согласно которой осуществляется формирование сигналов, необходимых для распознавания аварийных режимов, показана на рис. 3.1.
Сигнал, равный или пропорциональный модулю дифференциального тока, формирует функциональный элемент устройства защиты, имеющий название пусковой орган (ПО). Поскольку предполагается программное формирование сигналов, то под таким функциональным элементом следует понимать часть программы, формирующей данный сигнал по описанному алгоритму. Сигнал ПО является рабочим сигналом для тех режимов» при которых защита должна функционировать по принципам ДЗ и ДЗТ. Далее в некоторых случаях без специальных оговорок под модулем дифференциального тока будем подразумевать и сигнал ПО, равный или пропорциональный ему. Модуль дифференциального тока может быть сформирован посредством суммирования сигналов Ґ и /"" с последующим выпрямлением. Дифференциальный ток (id) также может быть получен путём алгебраического суммирования мгновенных значений уравненных токов плеч без разделения на полуволны разной полярности. Для этого в составе ПО имеются сумматор и выпрямитель, обозначенные на рис. 3.1 как «» и ВПО, При этом модуль дифференциального тока не должен ограничиваться по амплитуде. Пусковой орган контролирует превышение мгновенным значением дифференциального тока заданного порога, который определяет ток срабатывания защиты. Такой заданный порог будем называть порогом или током срабатывания пускового органа. Функцию сравнения мгновенных значений сигнала ПО с порогом срабатывания выполняет его компаратор, выходной сигнал которого может принимать только два значения, т.е. является дискретным. Далее этот сигнал будем называть выходным дискретным сигналом пускового органа. Аналогично будем называть выходные сигналы компараторов остальных трёх функциональных элементов. Условимся считать, что функциональный элемент находится в сработавшем состоянии, если его выходной дискретный сигнал имеет высокий уровень (равен логической единице).
Второй сигнал — сигнал реагирующего органа {РО) — характеризует фазовый сдвиг между током повреждённого плеча и суммарным током питающих ветвей. Входными сигналами РО являются сигналы i + и і Поскольку сравнение по фазе осуществляется по длительности совпадения или несовпадения полуволн одинаковой полярности указанных токов, то входные сигналы следует ограничить по амплитуде (стабилизировать) до значения, которое в дальнейшем называется напряжением стабилизации (Ucm). Эту задачу выполняет схема ограничения (СО). Затем ограниченные по амплитуде сигналы суммируются, и с выхода выпрямителя реагирующего органа (ВРО) имеем модуль суммы этих сигналов. Максимальное мгновенное значение полученного сигнала РО не может превышать напряжение стабилизации. Так, при чисто сквозных режимах сигнал РО равен нулю, если пренебречь током небаланса. При отсутствии сквозного тока и фазового сдвига между токами плеч сигнал РО будет представлять собой модуль дифференциального тока, ограниченный по амплитуде. РО выполняется в виде реле времени миллисекундного диапазона, поэтому он контролирует длительность превышения мгновенным значением своего сигнала заданного порога и сравнивает её с заданным временем, называемым временем блокировки. Минимальное время блокировки принимается равным 3 мс (54). Так же, как и для ПО, такой заданный порог сравнения величины сигнала будем называть порогом срабатывания РО, как и для других функциональных элементов. Для этой цели в составе РО также предусмотрен компаратор. Для ВО следует различать понятия порог и ток срабатывания. Под током срабатывания РО надо понимать минимальное действующее значение синусоидального тЬка, при котором длительность превышения абсолютным мгновенным значением порога срабатывания равна времени блокировки. В составе РО не предусматривается отдельных элементов, выполняющих функцию непосредственного контроля длительности интервалов времени. Структурный подход построения защиты позволяет обойтись без таких элементов.
Блок управления (БУ) формирует сигнал, равный или пропорциональный сумме модулей сигналов Ґ и і , ограниченных по амплитуде до напряжения стабилизации. В связи с тем, что сигналы складываются по модулю, один из входов БУ, на который подаётся сумма отрицательных полуволн токов плеч, на рис. 3.1 показан инвертирующим. Получаемый таким способом сигнал БУ пропорционален или равен сумме модулей токов плеч, что представляет собой один из известных способов формирования тормозного сигнала. При этом максимальное мгновенное значение сигнала БУ в режиме внутреннего КЗ с односторонним питанием (при условии отсутствия токов в других плечах защиты или отсутствия сквозного тока, или фазового сдвига между токами плеч) не может превышать величины напряжения стабилизации. Форма сигнала БУ в. таком режиме похожа на форму сигнала РО, В режиме внешнего КЗ со сквозным током, многократно превышающим номинальный ток защищаемого трансформатора, мгновенное значение сигнала БУ достигает величины 2Ucm. В режимах со сквозными токами, превышающими ток первого излома характеристики срабатывания, сигналы БУ и РО будут отличаться друг от друга: чем больше мгновенное значение сигнала БУ, тем меньше мгновенное значение сигнала РО в этот же момент времени; если значение сигнала Б У достигает величины 2Ucm, то сигнал РО стремится к нулю. Следовательно, длительность нахождения сигнала РО в нулевом значении или сигнала БУ в максимальном может указывать на величину фазового сдвига между током повреждённого плеча и суммарного тока питающих плеч.
Симметричные внутренние и внешние КЗ при переходном процессе
По приведённым причинам принимается, что внутренние КЗ со сквозными токами, превышающие ток первого излома, следует описывать кодами длиной в пять шестнадцатеричных чисел. Причём каждое из пяти чисел должно фиксировать высокий уровень дискретного сигнала РО, и хотя бы одно высокий уровень дискретного сигнала ПО. Коды такой длины соответствуют увелиценному времени блокировки РО с 3 до 4-5 мс. В дополнение к числам 2 и А, для описания таких внутренних КЗ, используются числа, фиксирующие высокий уровень сигналов POt ПО и БУ. и низкий уровень сигнала БД одновременно. Таким комбинациям дискретных сигналов присвоены числа 6 и Е. Увеличение времени блокировки РО должно производиться при появлении в образе режима хотя бы одного любого числа, фиксирующих срабатывание БУ. Часть кодов, указывающих на такие внутренние КЗ, приведена в правом столбце таблицы 4Л. Остальные коды образуются путём перестановки между собой указанных четырёх шестнадцатеричных чисел.
Режимы внутренних КЗ с двухсторонним питанием могут сопровождаться сдвигом фаз токов плеч. При этом сигнал БУ может достигать удвоенного значения напряжения стабилизации. Следовательно, таким режимам также соответствуют коды из правого столбца таблицы 4.1.
В качестве алгоритма распознавания на данном шаге достаточно применить простое сопоставление считываемой микропроцессором последовательности комбинаций значений выходных сигналов БФДС с кодами словаря признаков внутренних КЗ, заложенными в его память. Последовательности, в которых невозможно выделить фрагменты, совпадающие с каким-либо кодом из таблицы 4.1, указывают на нормальный рабочий режим или внешнее повреждение, когда защита не должна срабатывать, а значит, могут игнорироваться. С точки зрения теории распознавания образов, такие последовательности оказываются «грамматически неправильными» по отношению к правилам составления цепочек композиций непроизводных элементов, заданным алгоритмом взаимодействия между собой функциональных элементов БФДС относительно режимов внутренних КЗ. В связи с этим, на начальном этапе описание класса внешних КЗ на языке признаков не выполняется.
Высокая эффективность функционирования защиты предполагает распознавание режима работы в самом начале переходного процесса, вызванного повреждением или другими изменениями в энергосистеме. Поэтому, последую- . щие итерации разработки рабочего словаря признаков заключаются в исследовании режимов в переходных процессах с учётом возможных искажений токов плеч при насыщении ТТ. Очень важным фактором, сильно влияющим на поведение ТТ во время переходного процесса, является остаточная индукция их магнитопроводов. Согласно исследованиям, проведённым в [86], возможные значения остаточной индукции для выбранных ТТ, сердечники которых выполнены из стали Э310, могут находиться в диапазоне ±1.4 Тл. Индукция глубокого насыщения имеет значение ±2 Тл.
На втором шаге проводилось исследование симметричных (трёхфазных) внутренних КЗ и внешних КЗ. Для анализа работы защиты используется алгоритм распознавания, принятый на первоначальном этапе. На рис. 4.5 показаны осциллограммы сигналов БФДС при внутреннем КЗ с односторонним питанием на стороне НН (плечо с ГТТ «звезда»). Кратность тока КЗ в режиме, показанном на рис. 4.5, принята равной 7, начальная фаза тока КЗ - 190, остаточная индукция сердечника ТТ составляет -1.4 Тл. Для этого и последующих рисунков на осциллограммах токов плеч цифрой I обозначен первичный ток ТТ, приведённый к числу витков его вторичной обмотки, а цифрой 2 - вторичный ток плеча защиты. В режиме внутреннего КЗ с односторонним питанием выходной сигнал БУ не превышает значение Ucm и во всех фазах получаемые последовательности шестнадцатеричных чисел очень похожи, поэтому на рис. 4.5 приведены осциллограммы только одной фазы. На этом рисунке также подчёркнуты фрагменты последовательности, совпадающие с кодами, указывающими на внутреннее КЗ. Видно, что апериодическая слагающая увеличивает продолжительность полуволны тока одной полярности и уменьшает продолжительность полуволны противоположной полярности по сравнению с продолжительностью при установившемся процессе. Дополнительные искажения также вносит и насыщения ТТ, работающих в трёхфазной группе. При формировании образа режима это приводит к более продолжительному наличию последовательностей чисел, указывающих на внутреннее повреждение.
Длительность нахождения выходного дискретного сигнала БУ в высоком уровне указывает на величину фазового сдвига токов плеч. Поэтому в режиме внутреннего КЗ со сдвигом фаз токов плеч появляется выходной дискретный сигнал БУ, равный логической единице, что вызывает увеличение порога срабатывания ПО, уменьшая чувствительность защиты, а также увеличение времени блокировки РО. Величина фазового сдвига этих токов обычно не превышает 60, что по времени соответствует 3.33 мс в установившемся процессе. Но в переходном процессе (даже без искажений вторичных токов из-за насыщения ТТ) наличие апериодической слагающей обуславливает длительность высокого уровня дискретного сигнала БУ большую, чем 3.33 мс.
На рис. 4.6 представлен пример внутреннего трёхфазного КЗ с двухсторонним питанием, с начальным углом тока КЗ.фазы А для плеча с ГТТ «треугольник» (cp t) 80, а для плеча с ГТТ «звезда» (tp z) — 30 (сдвиг 50), при кратностях токов равных 4 для обоих плеч. Остаточные индукции ТТ для плеча с ГТТ «звезда»: 13 = [-1.0, 0.2, 0.8] Тл; для плеча со стороны ГТТ «треугольник»: Brt= [-1.0, -1.0, 1.2] Тл для фаз А, В и С соответственно. На этом и следующих подобных рисунках на осциллограммах токов плеч в верхней части показаны первичный ток ТТ соответствующей фазы, приведённый к числу витков его вторичной обмотки (кривая обозначена цифрой 1), и вторичный ток плеча защиты (кривая обозначена цифрой 2) для плеча с ГТТ «звезда», а в нижней части рисунка - для плеча с ГТТ «треугольник». Из представленного примера видно, что сигнал БУ превышает порог срабатывания в фазах А и В в течение около 7 мс.
