rus eng                                           Научно-Производственное
Предприятие
РУДПРОМАВТОМАТИКА

ГлавнаяЭТЛ → Алгоритм работы гибких микропроцессорных защит от аварийных режимов распределительных сетей угольных шахт напряжением до 1200 В

Алгоритм работы гибких микропроцессорных защит от аварийных режимов распределительных сетей угольных шахт напряжением до 1200 В

В.Н. Савицкий, А.И. Белошистов, А.В. Савицкий  (УКРНИИВЭ)

Постановка проблемы

В настоящее время в угольных шахтах применяется множество различных коммутационных аппаратов, каждый из которых содержит несколько единиц устройств защиты и управления. Учитывая живучесть взрывозащищенных коммутационных аппаратов, которая достигает нескольких десятков лет, в условиях эксплуатации находятся одновременно устаревшие защиты прямого действия, электромеханические устройства защиты типа УМЗ, БРУ-2С и полупроводниковые защиты типа ПМЗ, ТЗП, БКИ, БТЗ-3, БТЗ-Т,БКЗ, а в современных аппаратах появляются различного рода микропроцессорные защиты. Следует отметить, что основное отличие разных поколений устройств релейной защиты заключается, прежде всего, в технических средствах реализации одинаковых по сути принципов. Ни одно из приведенных устройств защиты не обладает свойствами параметрической адаптации к изменяющимся режимам защищаемых объектов и не обеспечивает требуемого быстродействия для системы опережающего отключения сети. Давно известно, что совершенствование систем релейной защиты с неизменной архитектурой в целях повышения надежности, организации контроля и диагностики возможно только экстенсивным путем наращивания дополнительных аппаратных средств, что в конечном итоге снижает надежность, а для условий применения во взрывозащищенных аппаратах это направление практически неприемлемо.

Безусловно, такое положение дел не может удовлетворять эксплуатационный персонал, так как порождает массу проблем по обслуживанию и проверке защит, в том числе необходимость создания специальных стендов, методов и методик проверки, наличие разносторонне подготовленного персонала и т.д.

Кроме того, в настоящее время все более жесткие требования предъявляются к надежной и безошибочной работе средств защиты, особенно для защиты мощных дорогостоящих двигателей и, прежде всего к устройствам защиты от перегрузки. Следует отметить, что электромеханические устройства вообще не выполняют функции защиты от перегрузки, а полупроводниковые защиты строятся на принципе контроля заряда конденсатора, пропорционального току нагрузки. Естественно, такие защиты являются весьма условными, так как контролировать точно напряжение на выположенной части экспоненциальной характеристики принципиально невозможно из-за разброса параметров элементов, включая и их температурную нестабильность. Попытки совершенствовать существующие защиты на новой элементной базе с использованием старых принципов не привели к желаемому результату.

Одновременно с этим в последнее время проводится масштабное внедрение систем автоматизации предприятий с включением контроля состояния защит и выполняемых ими функций. Характерной особенностью требований к подобным защитам является необходимость выполнения ими функций подсистемы нижнего уровня, связанного с системой верхнего уровня. Вновь создаваемые защиты должны быть согласованы с такой системой.

Поэтому сейчас остро встала задача создания средств защиты с высоким быстродействием, достоверно контролирующих рабочие параметры двигателя, обеспечивающих защиту от выхода его из строя с возможностью интеграции в общую систему автоматизации.

Анализ публикаций и исследований

В общепромышленных сетях, особенно высокого напряжения, на протяжении последних 30 лет ведутся интенсивные работы по созданию и внедрению гибких микропроцессорных защит от аварийных режимов работы [1, 2]. В то же время следует отметить, что в настоящее время только 4 % сетей оснащены такими защитами [3]. Причин такого положения множество, но главная из них – ненадежная и недостоверная на первых порах работа микропроцессорных защит из-за несовершенства элементной базы. Сейчас положение изменилось кардинальным образом. В связи с появлением надежных и доступных по цене микроконтроллеров PICmicro® с широкими функциональными возможностями программирования представляется возможным создание гибких систем комплексной защиты от аварийных режимов работы. В распределительных сетях угольных шахт до настоящего времени системно не проводились работы по созданию специальных защит, учитывающих специфику работы высоконагруженных двигателей, наличие помех, качество обслуживания, условия окружающей среды и т.д.

Цель статьи. Раскрыть необходимые и достаточные условия для создания гибких унифицированных микропроцессорных защит от аварийных режимов работы распределительных сетей угольных шахт напряжением до 1140 В, то есть защит, имеющих способность к перестройке функций и параметров.

Результаты исследований

Синтез новых систем защит проводится на базе процедурно-аппаратного способа программирования структуры релейной защиты с учетом преемственности и перспективы применения в комплексе автоматизированного управления предприятием. Это обусловлено тем, что топология распределительных сетей напряжением до 1200 В мало изменяется, однако диапазон нагрузок и их характер изменяется в очень широких пределах (от 5 до 800 кВт). Кроме того, устройства защиты могут встраиваться в самые разнообразные взрывозащищенные коммутационные аппараты: пускатели и автоматические выключатели, трансформаторные подстанции и станции управления, частотные преобразователи и устройства плавного пуска и т.д. Следовательно, архитектура построения защит должна учитывать этот фактор. Поэтому в качестве базового варианта принята реализация защиты на основе способа универсальной гибкости построения структуры, позволяющего реализовать параметрическую адаптацию, основанную на информации об изменении параметров защищаемого объекта и параметров переходного процесса, а также и самоорганизация защит к топологии защищаемого объекта и условий применения.

Синтез защит проводится исходя из предпосылки, что устройства релейной защиты по своему функциональному назначению являются решающими устройствами, информационно взаимодействующими с защищаемым объектом. Организация архитектуры системы защиты основывается на базе заданных алгоритмов выявления повреждений в сети, топологии объекта и совокупности управляемых элементов. Для таких целей, как показывает анализ, наиболее приемлемым является автономный вариант с комплексными функциями, обеспечивающими защиту от нескольких видов повреждений.

Алгоритм работы комплексной защиты, встраиваемой во взрывозащищенные аппараты, определяется следующими функциями:

  • выявление предельных значений токов короткого замыкания (КЗ) в защищаемой кабельной линии (двухфазных в конце и трехфазных в начале линии);
  • прогнозная оценка начальной стадии развития КЗ для быстродействующих защит;
  • защита от «опрокидывания» двигателя (резкого снижения частоты вращения с переходом в заторможенное состояние);
  • защита от технологических перегрузок защищаемого объекта, учитывающая тепловую модель двигателя;
  • адаптированная настройка защиты от «опрокидывания» двигателя с максимальной токовой защитой (МТЗ);
  • двухуровневый предварительный контроль сопротивления изоляции контролируемого присоединения;
  • энергонезависимая память режима срабатывания МТЗ;
  • временное блокирование после срабатывания защиты от перегрузки;
  • сигнализация о срабатывании защит;
  • передача данных о состоянии защиты в сеть нижнего уровня.

Основным информационным параметром контроля защиты является ток в первичной сети. Аварийный ток при двухфазном КЗ в сети описывается, как известно, следующим выражением (Я.С.Риман, 1977):
iк.з.=Im·[sin(ω·t+ψ)-sin(ψ)·e-t/T], (1)
где: Im – амплитуда периодической составляющей установившегося значения тока КЗ;
ω – круговая частота сети;
ψ – начальный угол смещения тока в момент возникновения КЗ;
T – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.

Для прогнозной оценки развития аварии в целях создания быстродействующей защиты используются значения производной тока КЗ, которая описывается следующим выражением:
i'к.з.=Im·[ω·cos(ω·t+ψ)+sin(ψ/T)·e-t/T]. (2)

Анализ приведенных уравнений показывает, что процесс развития тока определяется параметрами сети и начальным углом смещения фазы. Ток достигает максимального значения при ψ=±(π/2) за время до 10 мс. Анализ производной тока i'к.з. одновременно показывает, что максимальное ее значение достигается при ψ=0 и, следовательно, i'к.з.=Im·ω·cos(ω·t). Если 0<ψ<π/2, то максимум значения производной тока наступает с задержкой времени до 5 мс.

В связи с этим быстродействие защиты определяется из трансцендентного уравнения cos(ω·t)=-(1/(ω2·T2))·e-t/T

Таким образом, зависимость iк.з. от ψ подтверждает принципиальное наличие задержки времени срабатывания МТЗ.

Поэтому для достижения требуемого быстродействия, не превышающего 1 мс, требуется использовать и вторую производную тока КЗ, которая описывается следующим выражением [3]:
i''к.з.=Im·[-ω2·sin(ω·t+ψ)-sin(ψ/T2)·e-t/T]. (3)

Анализ выражений (1), (2) и (3) показывает, что ток КЗ и его вторая производная при ψ=π/2 максимальны в начальный момент, а первая производная в этот момент минимальна, а при ψ=0 – наоборот.

В диапазоне π/2<ψ<π по мере снижения начального угла значения Iк.з. и i'к.з. увеличиваются, а i''к.з. уменьшается, а затем – наоборот, но сумма остается практически неизменной, благодаря чему можно достичь времени срабатывания не более 0,5...1 мс. Эти параметры достаточны для синтеза быстродействующих защит, однако недостаточны с точки зрения их помехоустойчивости при различных внутрисетевых и коммутационных помехах. Для повышения помехоустойчивости следует ввести параметр интегрального показателя количества тока, протекающего за выделенное время, которое должно быть больше аналогичного показателя мощных импульсных, но кратковременных помех. Этот вариант реализации способа защиты основывается на моделировании токовременных характеристик и тока, форма кривой которого максимально соответствует форме протекающего тока с учетом апериодической составляющей (рисунок 1,а) и длительного тока перегрузки (рисунок 1,б). Заштрихованная площадь является интегральным показателем значения тока, протекающего в сети в заданное время.

Временные диаграммы работы защиты
Рисунок 1 – Временные диаграммы работы защиты,
срабатывающей по отклонению фактического тока короткого замыкания (а) и тока нагрузки (б) от моделируемого

В совокупности приведенные параметры могут быть положены в основу создания алгоритма работы гибкой многофункциональной защиты от аварийных режимов работы распределительных сетей напряжением до 1140 В, использующего входные сигналы, несущие полезную информацию (таблица 1).

Таблица 1 отображает полезные сигналы, поступающие на вход защит для их обработки и выдачи результирующего сигнала. Коэффициент чувствительности представляет отношение значения входного сигнала к параметрам уставки и является расчетной величиной.

Однако, как известно, одновременно с полезными сигналами на вход защиты поступают и помехи, которые можно классифицировать по следующим основным признакам:

  • внутрисетевые, обусловленные коммутацией нагруженных и ненагруженных линий низкого и высокого напряжения;
  • внутрисетевые, обусловленные работой силовых полупроводниковых элементов;
  • контактные, обусловленные переключениями контактных групп элементов управления коммутационных аппаратов, в которые встраивается блок релейной защиты;
  • электромагнитные, связанные с переключениями магнитных систем контакторов и пускателей;
  • внутренние паразитные связи, воздействующие непосредственно на элементы средств защиты;
  • «белый шум».

 

Таблица 1

 Контролируемые параметры

 Алгоритм функционирования защиты

 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

 R

 Rc≤Rуст

 50

 1

 

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения:
ip – контролируемый рабочий ток нагрузки;
iр мод – моделируемый рабочий ток двигателя;
Rc – сопротивление изоляции контролируемой кабельной линии.

При коммутации ненагруженной линии зарядная стадия тока внутрисетевых помех в защищаемом ответвлении описываются следующими выражениями [4]: ip(t)=-(Em/ω'LC)eβtsinω't,
где Em – амплитудное значение фазного напряжения сети;
ω' – круговая частота переходного процесса, определяемая параметрами коммутируемой сети;
LC – индуктивность коммутируемого участка сети;
β=Rn/2L'C – коэффициент затухания колебаний, определяемый параметрами контура цепи защиты.

Контактные помехи, поступающие на вход защиты, имеют следующий вид [3]: U(1-e-βt)sinωt,
где U – напряжение помехи;
ω' – круговая частота колебаний контура.

Помеха типа «белый шум» описывается как n(t).

Следует отметить, что все перечисленные помехи по отношению к полезным сигналам являются аддитивными, а сигналы n(t) и ni=1Uisinωit – статистически независимые от другого сигнала. Поэтому по суммарному сигналу нужно определить комплексную частотную характеристику K0(jω) физически реализуемой схемы формирования входных величин, максимизирующих отношение на входе сигнал/помеха.

Как известно, комплексная частотная характеристика такой схемы формирования сигнала определяется из условия (И.С.Гоноровский, 1978):
K0(jω)=(S*S(t)(jω)/Sn(jω))e jωT, (4)
где S*S(t)(jω) – комплексно соединенная функция со спектральной плотностью полезного сигнала;
Sn(jω) – спектральная плотность сигнала препятствия;
Т – период.

В качестве опорного полезного сигнала для входного тока должна быть принятая, как следует из таблицы 1, основная гармоника, спектральная плотность которой:
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)
где Uc – напряжение полезного сигнала;
ω0 – центральная частота препятствия;
δ – единичный импульс.

Спектральная плотность перечисленных помех определяется следующим выражением:
S*n(jω)=(N0/2)+(πA2/2)[δ(ω+ω')+δ(ω-ω')], (6)
N0 – средняя мощность помехи;
A – среднеквадратичное значение амплитуды помехи.

Подставляя выражения (5) и (6) в (4), получим:
K0(jω)=((πU2/2)[δ(ω+ω0)+δ(ω-ω0)]e jωT)/((N0/2)+(πA2/2)[δ(ω+ω')+δ(ω-ω')]).
Это условие, которое максимизирует отношение сигнал/помеха, может быть реализовано при помощи входных фильтров, схемы и параметры которых выбираются исходя из конкретных условий применения.

В то же время поставленная задача синтеза быстродействующих защит, определяющих возникновение КЗ в сети за время, не превышающее 1 мс, предъявляет очень жесткие требования к затуханию переходных процессов как в датчиках тока, так и в цепях формирования входных сигналов. Принятые ранее попытки создания быстродействующих защит на полупроводниковых элементах с использованием только одной входной величины – первой производной тока КЗ – не могли реализовать в полной мере поставленную задачу. Сейчас представляется перспективным использовать цифровые схемы обработки сигналов, которые обрабатывают информацию в виде многоразрядных приращений переменных данных. Это сокращает объем перерабатываемой информации и существенно повышает помехоустойчивость работы системы защиты за счет многократного повторения опроса входных величин. При этом решение задач проводится методом численного интегрирования, а результаты вычислений представляются в виде числовых значений искомых величин. Специфической особенностью пошаговых методов обработки сигналов является использование экстраполяции значений функций на один шаг вперед, что позволяет осуществлять краткосрочный прогноз развития процесса и тем самым реагировать на событие с опережением, что очень важно для быстродействующих защит.

Кроме того, внедрение цифровых схем обработки входных сигналов существенно снижает потребление мощности в токовых цепях устройств релейной защиты, что дает возможность за счет увеличенного входного сопротивления схемы получать сколь угодно малые токовые погрешности при нулевой угловой погрешности. Крайне важно иметь неискаженную токовую характеристику для быстродействующих устройств защиты.

Разработанная на базе изложенных положений структурная схема обобщенной архитектуры релейной защиты представлена на рисунке 2.

Функционально схема содержит блок защиты и датчики тока ДТ, включенные в первичную цепь сети. Номинальное выходное напряжение датчиков тока составляет 7,2 В и может достигать до 50 В и более в зависимости от силы тока КЗ. Сигнал, снятый с ДТ, поступает через выпрямитель на фильтр Ф устройства защиты, где из совокупности входных сигналов выделяется полезный сигнал, который в свою очередь поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) решающего устройства и преобразуется в цифровой сигнал. В дальнейшем он проходит операции сравнения с эталонным в блоке выборки и сравнения данных: параллельно производится вычисление первой и второй производной, а также интегрального показателя тока за время измерения в блоке моделирования. По приоритетному принципу сигналы поступают на вход реагирующего органа, а затем на исполнительные устройства – выход №1 с запоминанием режима срабатывания и выход №2 с временным блокированием.

Структурная схема построения гибкой  микропроцессорной защиты
Рисунок 2 – Структурная схема построения гибкой микропроцессорной защиты
от аварийных режимов работы распределительных сетей

Канал устройства предварительного контроля сопротивления сети подключается к ней при помощи блок-контакта коммутационного аппарата КМ через отдельный вход. Оперативный ток, который накладывается на контролируемую сеть, через фильтр поступает на АЦП микроконтроллера, измеряется в блоке сравнения и результирующий сигнал подается на другой выход блока защиты.

Приведенная структурная схема устройства защиты представляет собой вычислительное устройство, обработка информации в котором проводится последовательно с многоразрядными приращениями, что повышает быстродействие, точность работы и помехоустойчивость. Выбранная частота тактовых импульсов решающего устройства обеспечивает высокое быстродействие обработки сигнала.

Большинство приведенных функций реализовано в серийно выпускаемом блоке комплексной защиты типа БКЗ-3МК, который применяется для встройки во взрывозащищенные аппараты. Функции быстродействующей защиты могут быть реализованы в комплексе системы автоматического быстродействующего отключения с быстродействующими токо-ограничивающими исполнительными органами.

Выводы

  1. Разработанный алгоритм работы позволяет синтезировать гибкие микропроцессорные защиты от возможных аварийных режимов шахтных распределительных сетей напряжением до 1140 В, включая надежную защиту двигателей от перегрузок.
  2. Проведенный анализ полезных сигналов, несущих информацию о состоянии сети, и существующих помех позволяет сделать вывод о возможности создания помехоустойчивой быстродействующей защиты от КЗ на базе многократного опроса и вычисления приращений входных сигналов.

 

Список литературы

  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.

 

 

Форма регистрации

Забыли пароль?

Авторизация

Войти на сайт