Интернет журныл о промышленности в Украине

AN-1198. Захист генератора за допомогою диференціального реле, керованого мікросхемою GreenPAK ™

  1. Постановка задачі
  2. особливості електрогенераторів
  3. Алгоритм роботи системи захисту
  4. Опис елементів схеми
  5. Релейний модуль HL-52S
  6. Внутрішня схема GreenPAK
  7. висновок

У цьому посібнику ми розповімо, як за допомогою мікросхеми змішаних сигналів GreenPAK CMIC можна організувати диференціальну захист трифазного генератора. Пропоноване рішення допоможе убезпечити генератор від внутрішніх аварійних ситуацій, наприклад, коротких замикань між витками, замикань однієї фази на землю, замикань двох фаз на землю, замикань всіх трьох фаз на землю і т. Д. Для виконання цього завдання необхідно контролювати струми, що протікають в земляних ланцюгах і в вихідних фазах генератора. Виникнення аварійних ситуацій визначається по різниці цих струмів.

Постановка задачі

Електрогенератор є основним джерелом електричної енергії в системах електропостачання. Він повинен бути надійно захищений від аварійних ситуацій. Для цього застосовуються різні захисні пристрої. При їх відсутності будь-яка аварія може обернутися значними фінансовими втратами, оскільки генератор є одним з найбільш дорогих пристроїв в системі електропостачання. Хоча існують і інші схеми захисту генератора, але пропоноване в цьому посібнику рішення на базі мікросхеми змішаних сигналів GreenPAK відрізняється високою надійністю і меншою вартістю.

особливості електрогенераторів

Генератор - це пристрій, що перетворює механічну енергію в електричну. Джерелами механічної енергії є парові турбіни, газові турбіни, водяні турбіни, двигуни внутрішнього згоряння і навіть ручні динамо-машини. Генератори формують вихідні напруги в діапазоні від 3,3 кВ до 33 кВ. Електрогенератори не використовуються для отримання напруг менше 3,3 кВ, так як для збереження постійної потужності при зменшенні напруги потрібно пропорційне збільшення струму, що призводить до необхідності в використанні провідників дуже великого діаметра. Вихідна напруга генераторів не перевищує 33 кВ через високі вимог до електричної міцності ізоляції.

Зазвичай для подальшого транспортування енергії по лініях електропередач вихідна напруга генератора підвищується за допомогою трансформатора до 120, 220, 500 кВ. Передача потужності відбувається при високій напрузі, так як з ростом напруги втрати знижуються. Дійсно, для збереження постійної потужності струм може бути зменшений за рахунок збільшення напруги, що призводить до зменшення втрат в проводах. Для розрахунку втрат потужності в будь-якої лінії передачі використовується наступна математична формула.

P = I2 · R

Де, P - втрати потужності в мідному провіднику,
I - струм в лініях передачі,
R - опір ліній передачі.

Для даної системи захисту вихідна напруга генератора може перебувати в діапазоні від 3,3 кВ до 33 кВ кВ. У схемі використовується шість трансформаторів струму CT, три з яких підключені до вихідних фаз генератора, а решту три підключені до висновків землі генератора. Таким чином, кожна фаза забезпечена двома датчиками струму. Цілком очевидно, що характеристики всіх трансформаторів струму, встановлених на кожній фазі, повинні бути узгоджені. Якщо в характеристиках датчиків по обидва боки генератора є яке-небудь значне невідповідність, висока ймовірність того, що диференціальне реле не спрацює під час виникнення аварійної ситуації, або, навпаки, відбудеться помилкове спрацьовування при нормальних робочих умовах.

В даному випадку краще використовувати спеціальні трансформатори струму для диференціальної захисту, оскільки звичайні трансформатори струму можуть викликати нерівну навантаження вторинної обмотки і не забезпечити виконання всіх покладених на них функцій. Також для диференціальної захисту генераторів краще використовувати трансформатори струму, які мають однакові характеристики. Однак в реальних системах завжди буде присутній деякий розкид параметрів трансформаторів струму, встановлених на вихідних фазах генератора і лініях землі. Це призводить до протікання струму зміщення через робочу котушку реле. Щоб усунути вплив цього струму, в диференціальному реле вводиться додаткове зміщення:

Щоб усунути вплив цього струму, в диференціальному реле вводиться додаткове зміщення:

Схема захисту електрогенератора показана на малюнку 1. У ній використовуються шість трансформаторів струму (CT), три з них підключені на стороні заземлення, а решту три на вихідних фазах генератора. Токи від датчиків СТ додатково балансуються за допомогою узгоджувальних резисторів і надходять на вхід диференціального реле. Балансування була зроблена, щоб уникнути невідповідності в токах. Усередині реле реалізовані блоки, кожен з яких використовується для виявлення різних несправностей, наприклад, замикання фаз, замикання фаз на землю і т. Д.

Д

Мал. 1. Схема захисту трифазного генератора

У трифазних схемах фази з'єднуються або зіркою (Y), або трикутником. З'єднання генератора, трансформатора і навантаження в трифазній мережі показані на малюнку 2. Кордон генератора також показано на малюнку 2.

Мал. 2. Підключення фаз генератора до електричної мережі

На малюнку 3 показана структурна схема блоку захисту генератора на базі мікросхеми GreenPAK CMIC зі змішаними сигналами.

На малюнку 3 показана структурна схема блоку захисту генератора на базі мікросхеми GreenPAK CMIC зі змішаними сигналами

Мал. 3. Структурна схема блоку захисту генератора на базі мікросхеми GreenPAK

Алгоритм роботи системи захисту

Як вже було сказано вище, в схемі захисту використовується шість трансформаторів струму, підключених до вихідних лініях генератора і лініях землі. Оскільки ми розглядаємо трифазну систему, то до кожної фази підключені по два датчика. На фазі A присутні датчики CT1 і CT4, на фазі B - датчики CT2 і CT5, а на фазі C -Датчики CT3 і CT6. Ми використовували трансформатори з номінальним струмом 1 А. При цьому існує певний розкид параметрів, наприклад, коефіцієнтів трансформації, який призводить до виникнення похибок вимірювань. Через ці похибок було вирішено додатково збільшити струм спрацьовування на 0,2 A. Таким чином, система перевіряє, чи перевищує вихідний струм кожного датчика струму значення 1,2 А. При відсутності несправностей ток датчика менше 1,2 A. Якщо ж струм більше, ніж 1,2 А, то найімовірніше на обмотці генератора виникала аварійна ситуація.

Інформація про те, чи перевищує вихідний сигнал кожного датчика 1,2 А, надходить на логічні елементи АБО. Якщо на виході будь-якого елементу АБО присутня логічна одиниця, це означає, що на цій фазі є помилка. Виходи елементів АБО з усіх трьох фаз надходять на наступний логічний елемент. Він відповідає за прийняття остаточного рішення. Якщо на його виході присутній логічна одиниця, то формується сигнал блокування, що надходить на трифазні релейні модулі HL-52S і п'єзоелектричний зумер. Расцепители HL-52S використовуються для відключення контактів генератора від землі і від фазних ліній, тобто для ізоляції його від електричної мережі. Релейний модуль HL-52S не впливає на роботу генератора в нормальних умовах. Детальна блок-схема цього алгоритму показана на малюнку 4.

Детальна блок-схема цього алгоритму показана на малюнку 4

Мал. 4. Алгоритм роботи схеми захисту електрогенератора

Як видно з наведеної блок-схеми, алгоритм зациклений і постійно виконується схемою захисту генератора.

Схема верхнього рівня показана на малюнку 5.

Схема верхнього рівня показана на малюнку 5

Мал. 5. Схема верхнього рівня

Опис елементів схеми

Трансформатори струму

Трансформатор струму - це особливий вид трансформатора, який використовується для вимірювання змінного струму. Змінний струм (AC) вторинної обмотки трансформатора пропорційний змінному струмі в первинній обмотці.

Трансформатори струму, а також трансформатори напруги і трансформатори постійного струму, призначені для вимірювань і називаються вимірювальними трансформаторами. Основними завданнями вимірювальних трансформаторів є:

  • Перетворення великих струмів до величин, які легко обробляти.
  • Ізоляція вимірювальних ланцюгів від первинних високовольтних ланцюгів.
  • Забезпечення можливості стандартизації приладів і реле для роботи з декількома номінальними значеннями струмів і напруг.

Коли струм виявляється занадто високим для виконання вимірювань, його слід масштабувати за допомогою трансформатора. В такому випадку в ізольованій вторинної обмотці генерується струм, пропорційний струму в первинній обмотці. Струм у вторинній обмотці має менше значення і підходить для вимірювальних приладів і для подальшої обробки в електронних системах. Первинна обмотка трансформатора включається послідовно з лінією передачі і мало впливає на характеристики ланцюга через дуже низького власного опору.

Трансформатори струму широко застосовуються в електронному обладнанні, в приладах обліку та схемах захисту в електроенергетиці.

Трансформатори струму широко застосовуються в електронному обладнанні, в приладах обліку та схемах захисту в електроенергетиці

Мал. 6. Трансформатор струму

Більшість трансформаторів струму має стандартний номінальний рейтинг 5 або 1 А, при цьому співвідношення струмів первинної і вторинної обмотки зазвичай визначається стандартним коефіцієнтом 100/5 або 100 / 1. Коефіцієнт 100/5 означає, що первинний струм в 20 разів більше, ніж вторинний. Коли в первинній обмотці протікає 100 А, у вторинній буде 5 А.

Збільшуючи кількість витків у вторинній обмотці (N2), можна домогтися, щоб вторинний струм I2 був значно менше струму в вимірюваної первинної ланцюга, оскільки при збільшенні N2 значення I2 зменшується пропорційно. Іншими словами, кількість витків і струм у вторинній обмотці обернено пропорційні.

Трансформатор струму, як і будь-який інший трансформатор, характеризується коефіцієнтом трансформації:

Звідки ми отримуємо:

де,

Np - кількість витків в первинній обмотці,

Ns - кількість витків у вторинній обмотці,

Ip - струм в первинній обмотці,

Is - струм у вторинній обмотці.

Співвідношення струмів в обмотках дорівнює зворотному співвідношенню витків в обмотках. Так як первинна обмотка зазвичай складається з одного або двох витків, а вторинна може мати кілька сотень витків, то співвідношення між струмами може бути досить великим. Наприклад, припустимо, що струм первинної обмотки становить 100 А, а вторинна обмотка має номінал 5A. Співвідношення між первинним і вторинним струмами складає 100A: 5A або 20: 1. Іншими словами, первинний струм в 20 разів більше, ніж вторинний.

Релейний модуль HL-52S

Релейний модуль HL-52S здатний комутувати різні типи потужних навантажень, наприклад, двигуни змінного або постійного струму, електромагніти, соленоїди і лампи розжарювання. Модуль використовує високоякісні реле QIANJIJQC-3F з номінальним навантаженням 10 А / 250 В змінного струму, 10 А / 125 В змінного струму, 10 А / 28 В постійного струму, 10 А / 30 В постійного струму. Стан кожного релейного виходу відображається за допомогою окремого світлодіода.

Релейний модуль має такі особливості:

  • Рівень керуючих сигналів: TTL;
  • Номінальне навантаження: 10 A / 250 В AC, 10 A / 125 В AC, DC 10 A / 28 В, DC 10 A / 30 В;
  • Час перемикання контактів: 10 мс / 5 мс;
  • COM - загальний висновок;
  • INT 1-4 - керуючі входи реле;
  • NC - нормально замкнутий вихід. NC підключений до лінії COM, коли на INT1 присутній низький рівень напруги і відключений від COM, коли на INT1 високий рівень напруги;
  • NO - нормально розімкнутий вихід, NO відключений від лінії COM, коли на INT1 присутній низький рівень напруги і підключений до COM, коли на INT1 високий рівень напруги.

У даній системі захисту буде використовуватися двоканальний релейний модуль HL-52S. Його високовольтний клемний роз'єм має 3 контакту. Як видно з маркування, середній контакт - загальний висновок COM, два крайніх контакту - це нормально замкнутий (NC) і нормально розімкнутий висновки (NO). Зовнішній вигляд модуля реле представлений на малюнку 7.

Мал. 7. Релейний модуль HL-52S

З іншого боку модуля присутні дві штирьових колодки. Перша колодка має 4 контакту: висновок землі, висновок VCC для харчування модуля і два висновки для підключення сигналів управління In1 і In2. Друга колодка має три контакти з перемичкою між висновками JDVcc і Vcc.

Внутрішня схема GreenPAK

Для реалізації трифазного алгоритму захисту генератора була використана мікросхема змішаних сигналів Silego SLG46621VCMIC і спеціальне програмне забезпечення GreenPAK. В даному випадку використовувалося шість входів від датчиків струму з фаз і землі електрогенератора. На малюнку 8 представлена ​​схема захисту на базі мікросхеми GreenPAK.

Мал. 8. Блок схема системи захисту трифазного генератора на базі мікросхеми GreenPAK

У матриці 0 мікросхеми GREENPAK відбувається контроль справності фази А, до якої підключені датчики CT1 і CT4. Мікросхема виконує перевірку - чи перевищує вихідний струм датчиків 1,2 А чи ні. Якщо він більше 1,2 А, тоді на виході компаратора формується логічна одиниця, яка надходить в таблицю LUT, в іншому випадку в LUT записується логічний нуль. В даному випадку LUT виконує функцію елемента АБО. Крім того, вихід елемента АБО надходить на вихід P1. У матриці 1 аналогічна процедура застосовується для фаз B (CT2 і CT5) і фази C (CT3 і CT6). Сигнали стану кожної фази потім подаються на три входи логічного елемента АБО. Вихід цього логічного елемента управляє релейними модулями HL-52S, які в свою чергу здійснюють комутацію ліній землі і фаз генератора.

Контакти релейного модуля залишаються роз'єднаними, коли на його вході присутній логічний нуль. Контакти замикаються, коли на вхід подається логічна одиниця. Таким чином, генератор підключається до навантаження, коли логічна одиниця подається на IN1, і відключається від електромережі, коли на IN1 присутній логічний нуль. Для отримання такої логіки між виходом логічного елемента АБО і входами модулів реле були додані інвертори. Модуль HL-52S розмикає свої контакти під час виникнення аварійних ситуацій. Вихід елемента АБО також підключається до п'єзоелектричного зумера для формування звукового сигналу тривоги при наявності збоїв. Внутрішня схема GreenPAK показана на малюнках 9, 10.

Мал. 9. Внутрішня схема GreenPAK (Matrix 0)

Мал. 10. Внутрішня схема GreenPAK (Matrix 1)

Існує три можливих стану схеми захисту трифазного генератора. Розглянемо кожен з них окремо.

Варіант №1: аварійна ситуація відсутня. На малюнках 11 і 12 показані діаграми при відсутності аварій.

Варіант № 2: аварія на зовнішніх ланцюгах. На малюнках 13, 14, 15 і 16 показані діаграми струмів і напруг при виникненні зовнішнього короткого замикання між фазою і землею. Можна помітити, що схема захист генератора нечутлива до зовнішніх відмов і автоматично не відключає генератор.

Варіант № 3: внутрішня аварія. На малюнках 17, 18, 19 і 20 показані діаграми струмів і напруг при виникненні внутрішньої короткого замикання між фазою і землею. При наявності КЗ різниця в струмі перевищує 0,2 А, і модуль реле активується. Генератор відключається від мережі. Як видно з діаграм, напруги і струми в цьому випадку дорівнюють нулю.

Мал. 11. Напруження на лініях землі при відсутності аварій

Мал. 12. Напруження на фазах генератора при відсутності аварій

Мал. 13. Напруження на лініях землі при виникненні зовнішньої аварії

Мал. 14. Токи на лініях землі при виникненні зовнішньої аварії

Мал. 15. Напруження на фазах генератора при виникненні зовнішньої аварії

Мал. 16. Токи в фазах генератора при виникненні зовнішньої аварії

Мал. 17. Напруження на лініях землі при виникненні внутрішньої аварії

Мал. 18. Токи на лініях землі при виникненні внутрішньої аварії

Мал. 19. Напруження в фазах генератора при виникненні внутрішньої аварії

Мал. 20. Токи в фазах генератора при виникненні внутрішньої аварії

висновок

У цьому посібнику була розроблена трифазна схема захисту генератора, яка в якості основного елемента управління використовує мікросхему змішаних сигналів Silego GreenPAK SLG46621V. Запропонований алгоритм дозволяє виявляти та ізолювати генератор від електричної мережі при виникненні аварійних ситуацій. При відсутності аварій схема захисту ніяк не впливає на роботу генератора. Схема може бути поліпшена за рахунок додавання додаткових елементів захисту, наприклад, від перевантаження по струму, зворотного струму і т.д.

Характеристики мікросхеми SLG46621 V:

  • Тип: програмована мікросхема змішаних сигналів;
  • Аналогові блоки: 8-бітний АЦП, два ЦАП, шість компараторов, два фільтри, два ІОН, чотири інтегрованих генератора;
  • Цифрові блоки: до 18 портів введення / виводу, матриця з'єднань і комбінаторна логіка, програмовані схеми затримки, програмований функціональний генератор, шість 8-бітних лічильників, чотири 14-бітних лічильника, схеми затримки;
  • Комунікаційний інтерфейс: SPI;
  • Діапазон напруг живлення: 1,8 ... 5 В;
  • Діапазон робочих температур: -40 ... 85 ° C;
  • Корпусне виконання: 2x3x0,55 мм 20-вивідний STQFN.