Терминалы серии SEPAM 1000 + Т87 фирмы «Шнайдер Электрик»: принцип работы и устройство

Фирмой «Schneider Electric» с 2000 г. налажен выпуск трех серий цифровых реле SEPAM 1000 + 20, SEPAM 1000 + 40, SEPAM 1000 + 80 [43], предназначенных для выполнения функций защиты, управления и контроля установок энергетических и промышленных предприятий напряжением до 110 кВ. Каждая серия включает отдельные устройства для защиты трансформаторов, двигателей, генераторов, шин подстанций.

• Серия SEPAM 1000 + 20 предназначена для присоединений, которые могут защищаться простыми токовыми защитами или защитами по снижению (повышению) напряжения. Терминал имеет четыре токовых аналоговых входов или четыре аналоговых входа напряжения. Терминал предусматривает возможность использования до 16 типов времятоковых характеристик максимальных токовых защит [44].
• Серия SEPAM 1000 + 40 имеет четыре токовых аналоговых входа и три аналоговых входов напряжения, что позволяет токовые защиты, как в серии 20, выполнить направленными.
• Серия SEPAM 1000 + 80 имеет шесть токовых аналоговых входов, два аналоговых входа нулевой последовательности, три аналоговых входа напряжения и один аналоговый вход напряжения нулевой последовательности. Наличие двух трехфазных токовых входов дает возможность дополнительно к максимальным токовым защитам применить дифференциальную защиту.
• Серия SEPAM 1000 + помимо функций защит обеспечивает большой объем функций измерения текущих значений тока, напряжения, мощности, частоты, функций диагностики сети и электрических машин, самодиагностики, записи осциллограмм аварийных режимов, передачи информации с помощью двух портов по интерфейсу RS-485 с открытым протоколом MODBUS.

Особенностью серии является модульное исполнение устройств.

Добавление к базисному устройству модуля входов/выходов MES… позволяет увеличить количество выходов до 23 и ввести до 42 логических входов. С помощью логических входов и логических операций, заложенных в программу SEPAM, можно реализовать ряд функций управления, автоматики, блокировки. Модуль МЕТ148-2 дает возможность подключить до восьми температурных датчиков. С помощью разъема ССА.670 можно подключать торы Роговского типа LPCT, модуль MSA 141 преобразует измерения, полученные программами SEPAM, в аналоговые выходные сигналы.

Передняя панель SEPAM 1000 + имеет два варианта исполнения интерфейса: только с сигнальными лампами (без местного управления) и с жидкокристаллическим дисплеем, с сигнальными лампами, кнопочной клавиатурой для выполнения управления, регулировки и параметрирования устройства на месте установки аппаратуры.

Предусмотрен вариант выносного интерфейса. В этом случае базовое устройство без интерфейса можно устанавливать внутри шкафа, а выносную переднюю панель с дисплеем, сигнальными лампами и клавиатурой устанавливать в удобном для пользователя месте. Соединение с базовым устройством производится с помощью кабеля, поставляемого фирмой.

В устройстве SEPAM 1000 +80 может быть предусмотрен графический дисплей для отображения положение выключателя и местного управления выключателем дополнительно к стандартному набору кнопок диагностики и измерения.

Данные параметрирования и настроек хранятся в специальном картридже, что позволяет сохранить настройки при повреждении устройства и ускорить восстановления функций защит путем установки картриджа с настройками в резервное устройство SEPAM.

С помощью программного обеспечения SET2841 в среде Windows можно получить доступ с персонального компьютера ко всем функциям SEPAM.
Рассмотрим терминал Т87, являющийся одним из 12 типов устройств SEPAM серии 80, так как в состав функций Т87 включена дифференциальная защита трансформатора. Предварительно перечислим функции, заложенные в Т87.

В терминал Т87 входят следующие функции защит:

1. восемь комплектов максимальных токовых защит с двумя группами уставок и с возможностью выполнения одной из 16 времятоковых характеристик [44];
2. восемь комплектов максимальных токовых защит от замыкания на землю с двумя группами уставок, с возможностью выполнения 16 времятоковых характеристик и с возможностью блокировки по второй гармонике для обеспечения несрабатывания при включении силового трансформатора;
3. два комплекта максимальной токовой защиты обратной последовательности;
4. два комплекта тепловой защиты с двумя группами уставок, время срабатывания которых зависит не только от величины тока, но и от предыдущего теплового состояния (времени охлаждения, времени нагрева до текущего запуска функции), защита имеет две уставки (аварийную сигнализацию, отключение);
5. два комплекта максимальных направленных защит активной мощности;
6. дифференциальная защита двухобмоточного трансформатора; два комплекта дифференциальной защиты от замыкания на землю (ограниченная земляная защита);
7. два комплекта защиты от перевозбуждения;
8. два комплекта защит минимального напряжения прямой последовательности, нулевой последовательности, линейных (фазных) напряжений; два комплекта аналоговых защит повышения напряжения;
9. два комплекта защит максимальной частоты; четыре комплекта защит минимальной частоты.

В функции измерения устройства Т87 входят следующие возможности:

1. измерение фазных токов, среднего значения токов, максиметров тока, токов нулевой последовательности;
2. измерение фазных и линейных напряжений, напряжений обратной и нулевой последовательности;
3. активной, реактивной и полной мощностей, максиметров мощностей;
4. коэффициента мощности;
5. частоты.

Функция диагностики предусматривает контроль трансформаторов тока, напряжения, токов отключения, числа аварийных отключений, сдвига фаз, выполняет запись осциллограмм аварийных режимов, коэффициента несимметрии, измерения дифференциальных, сквозных токов, фазовых сдвигов между токами сторон трансформатора.

Функция дифференциальной защиты

Дифференциальная защита терминала SEPAM Т87 выполнена пофазной, включает дифференциальную отсечку и чувствительную дифференциальную защиту с процентной тормозной характеристикой и блокировками второй и пятой гармониками. Тормозная характеристика имеет три участка: горизонтальный и два наклонных, проходящих через начало координат. Горизонтальный участок, крутизна наклонных частей и точка изменения крутизны регулируется. В качестве тормозного тока используется абсолютное значение наибольшего тока двух сторон силового трансформатора (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Тормозная характеристика дифференциальной защиты трансформатора Т 87 SEPAM 1000 + 80

Вычисление дифференциального и тормозного токов производится после выравнивания вторичных токов трансформаторов тока по величине и по углу (в зависимости от группы соединения обмоток силового трансформатора).

Предполагается, что со всех сторон силового трансформатора трансформаторы тока соединены по схеме «звезда».

Выравнивание вторичных токов выполняется программно после выставления в окне «Специальные характеристики» параметров силового трансформатора (номинальной мощности номинальных напряжений обмоток, векторной группы) и номинальных значений первичных обмоток трансформаторов тока с обеих сторон трансформатора. Единственным условием возможности выравнивания токов по величине является требование, чтобы номинальные токи трансформаторов тока находились в диапазоне (0,1-2,5) номинального тока силового трансформатора.

Для предотвращения излишней работы дифференциальной защиты при внешнем коротком замыкании на землю производится корректировка токов с целью исключения токов нулевой последовательности.

Для первой обмотки она выражается вычитанием из фазного тока тока нулевой последовательности вне зависимости от схемы соединения первичной обмотки трансформатора как показано в формуле (12.1) для фазы А, (аналогично для остальных фаз).

(12 – 1)

I_am – откорректированный ток первой обмотки фазы А;
I_A, I_B, I_C, – токи фаз А, В, С на входе устройства.
Корректировка фазного тока второй обмотки зависит от группы соединения обмоток силового трансформатора:
– для четных групп корректировка аналогична первой обмотке:

(12 – 2)

– для нечетных групп корректировка заключается в получении разности соответствующих фазных токов, деленной на ?3, например для группы соединения силового трансформатора Y/?–11 для фазы:

При включении силового трансформатора под напряжение происходит бросок тока намагничивания, величина которого может достигать 8–10 – кратного значения номинального тока трансформатора.

Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты в этом режиме фирмой «Schneider Electric» использован способ относительного замера в дифференциальном токе второй гармоники, которая появляется при включении трансформатора под напряжение.

В устройстве предусмотрена возможность дополнительной блокировки при включении трансформатора. Для этого в схему блокировки должен быть подан логический сигнал включения и ток в одной из фаз должен быть больше заданного Isinr. В этом случае чувствительный комплект дифференциальной защиты будет выведен на заданное пользователем время.

Блокировка дифференциальной защиты в режиме перевозбуждения выполнена путем фиксации в дифференциальном токе пятой гармоники.

Для предотвращения ложной работы дифференциальной защиты при неисправности токовых цепей предусмотрена специальная блокировка, алгоритм которой показан на рис. 12.2 и не требует дополнительного пояснения.

Рис. 12.2 Алгоритм работы устройства контроля исправности токовых цепей (обнаружение потери ТТ)

В работе устройства Т87 предусмотрен режим тестирования, который позволяет произвести экспресс-проверку работоспособности функции. Этот режим возможен только с помощью программного обеспечения SET 2841 в разделе «Настройка защит» и требует обязательного вывода защиты из работы для предотвращения ложного отключения силового трансформатора.

Наряду с традиционной отстройкой от включения трансформатора под напряжением и от токов небаланса режимов путем задания пользователем определенной тормозной характеристики, уставки токовой отсечки и уставок второй и пятой гармоник фирма «Schneider Electric» начала разрабатывать новое направление в создании цифровых реле – самоадаптирующихся устройств на основе искусственной нейронной сети.

Обычный алгоритм предполагает попарное сравнение входных параметров, необходимых для работы дифференциальной защиты, с заданными пороговыми значениями (уставками). Пороговые значения определяются на основе опыта эксплуатации и в ряде случаев не являются оптимальными, так как часто принимаются с большим запасом и не учитывают влияние остальных параметров. Например, блокировка дифференциальной защиты второй гармоникой может замедлить работу защиты из-за насыщения трансформаторов тока при внутреннем повреждении с большими токами короткого замыкания.

Замедление действия защиты приведет к увеличению размеров повреждения и увеличению стоимости ремонта.

Нейронная сеть определяет необходимость действия на отключение или блокировку на основании комплексного анализа всех входных величин, который нарабатывается в процессе обучения в реальных и модулированных условиях.

Опыт применения искусственного интеллекта в дифференциальных защитах трансформаторов показал высокую эффективность этих защит.

Schneider Electric установил с 2000 г. около 1500 самоадаптирующихся дифференциальных защит, и при многочисленных внешних коротких замыканиях дифференциальная защита не работала излишне, а при повреждении трансформатора в Light SESA Company (Бразилия) дифференциальная защита сработала через 0,5 периода, что значительно уменьшило размеры повреждения [46].

В терминале Т87 предлагается выбрать вид торможения: традиционное или самоадаптирующиеся.

При традиционном торможении необходимо задать вид тормозной характеристики, уставки дифотсечки и уставки второй и пятой гармоник. При использовании самоадаптирующегося торможения требуется задать только тормозную характеристику, причем только горизонтальную часть и первую наклонную части. Все остальные характеристики не устанавливаются. Единственное ограничение, вводимое фирмой, – применение искусственной нейронной схемы – возможно на тех трансформаторах, для которых амплитудное значение броска тока намагничивания не превышает 8-кратного действующего значения номинального тока силового трансформатора.

Алгоритм работы дифференциальной защиты показан на рис. 12.3. Выбор уставок срабатывания дифференциальной защиты терминала Т87 приведен в отдельной брошюре.

Рис. 12.3. Алгоритм работы дифференциальной защиты трансформатора Т87 SEPAM 1000 + 80