Защита генератора с помощью дифференциального реле, управляемого микросхемой GreenPAK

В данном руководстве мы расскажем, как с помощью микросхемы смешанных сигналов GreenPAK CMIC можно организовать дифференциальную защиту трехфазного генератора. Предлагаемое решение поможет обезопасить генератор от внутренних аварийных ситуаций, например, коротких замыканий между витками, замыканий одной фазы на землю, замыканий двух фаз на землю, замыканий всех трех фаз на землю и т. д. Для выполнения этой задачи необходимо контролировать токи, протекающие в земляных цепях и в выходных фазах генератора. Возникновение аварийных ситуаций определяется по разности этих токов.

Постановка задачи

Электрогенератор является основным источником электрической энергии в системах электроснабжения. Он должен быть надежно защищен от аварийных ситуаций. Для этого применяются различные защитные устройства. При их отсутствии любая авария может обернуться значительными финансовыми потерями, поскольку генератор является одним из наиболее дорогих устройств в системе электроснабжения. Хотя существуют и другие схемы защиты генератора, но предлагаемое в данном руководстве решение на базе микросхемы смешанных сигналов GreenPAK отличается высокой надежностью и меньшей стоимостью.

Особенности электрогенераторов

Генератор – это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Источниками механической энергии являются паровые турбины, газовые турбины, водяные турбины, двигатели внутреннего сгорания и даже ручные динамо-машины. Генераторы формируют выходные напряжения в диапазоне от 3.3 кВ до 33 кВ. Электрогенераторы не используются для получения напряжений менее 3.3 кВ, так как для сохранения постоянной мощности при уменьшении напряжения требуется пропорциональное увеличение тока, что приводит к необходимости в использовании проводников очень большого диаметра. Выходное напряжение генераторов не превышает 33 кВ из-за высоких требований к электрической прочности изоляции.

Обычно для дальнейшей транспортировки энергии по линиям электропередач выходное напряжение генератора повышается с помощью трансформатора до 120, 220, 500 кВ. Передача мощности происходит при высоких напряжениях, так как с ростом напряжения потери снижаются. Действительно, для сохранения постоянной мощности ток может быть уменьшен за счет увеличения напряжения, что приводит к уменьшению потерь в проводах. Для расчета потерь мощности в любой линии передачи используется следующая математическая формула.

P = I²·R,

где

P – потери мощности в медном проводнике,
I – ток в линиях передачи,
R – сопротивление линий передачи.

Для рассматриваемой системы защиты выходное напряжение генератора может находиться в диапазоне от 3.3 кВ до 33 кВ кВ. В схеме используется шесть трансформаторов тока CT, три из которых подключены к выходным фазам генератора, а оставшиеся три подключены к выводам земли генератора. Таким образом, каждая фаза снабжена двумя датчиками тока. Вполне очевидно, что характеристики всех трансформаторов тока, установленных на каждой фазе, должны быть согласованы. Если в характеристиках датчиков с обеих сторон генератора имеется какое-либо значительное несоответствие, высока вероятность того, что дифференциальное реле не сработает во время возникновения аварийной ситуации, или, наоборот, произойдет ложное срабатывание при нормальных рабочих условиях.

В данном случае предпочтительнее использовать специальные трансформаторы тока для дифференциальной защиты, поскольку обычные трансформаторы тока могут вызывать неравную нагрузку вторичной обмотки и не обеспечить выполнение всех возложенных на них функций. Также для дифференциальной защиты генераторов предпочтительнее использовать трансформаторы тока, имеющие одинаковые характеристики. Однако в реальных системах всегда будет присутствовать некоторый разброс параметров трансформаторов тока, установленных на выходных фазах генератора и линиях земли. Это приводит к протеканию тока смещения через рабочую катушку реле. Чтобы устранить влияние этого тока, в дифференциальном реле вводится дополнительное смещение:

Схема защиты электрогенератора показана на Рисунке 1. В ней используются шесть трансформаторов тока (CT), три из которых подключены на стороне заземления, а оставшиеся три – на выходных фазах генератора. Токи от датчиков СТ дополнительно балансируются с помощью согласующих резисторов и поступают на вход дифференциального реле. Балансировка была сделана, чтобы избежать несоответствия в токах. Внутри реле реализованы блоки, каждый из которых используется для обнаружения различных неисправностей, например, замыкания фаз, замыкания фаз на землю и т. д.

Рис. 1.	Схема защиты трехфазного генератора.

В трехфазных схемах фазы соединяются либо звездой (Y), либо треугольником. Соединение генератора, трансформатора и нагрузки в трехфазной сети показано на Рисунке 2. Граница генератора также показана на Рисунке 2.

Рис. 2.	Подключение фаз генератора к электрической сети.

На Рисунке 3 показана структурная схема блока защиты генератора на базе микросхемы GreenPAK CMIC со смешанными сигналами.

Рис. 3.	Структурная схема блока защиты генератора на базе микросхемы GreenPAK.

Алгоритм работы системы защиты

Как уже было сказано выше, в схеме защиты используется шесть трансформаторов тока, подключенных к выходным линиям генератора и линиям земли. Поскольку мы рассматриваем трехфазную систему, то к каждой фазе подключены по два датчика. На фазе A присутствуют датчики CT1 и CT4, на фазе B – датчики CT2 и CT5, а на фазе C – датчики CT3 и CT6. Мы использовали трансформаторы с номинальным током 1 А. При этом существует определенный разброс параметров, например, коэффициентов трансформации, который приводит к возникновению погрешностей измерений. Из-за этих погрешностей было решено дополнительно увеличить ток срабатывания на 0.2 A. Таким образом, система проверяет, превышает ли выходной ток каждого датчика тока значение 1.2 А. При отсутствии неисправностей ток датчика меньше 1.2 A. Если же ток больше, чем 1.2 А, то, вероятнее всего, на обмотке генератора возникала аварийная ситуация.

Информация о том, превышает ли выходной сигнал каждого датчика 1.2 А, поступает на логические элементы ИЛИ. Если на выходе какого-либо элемента ИЛИ присутствует логическая единица, это означает, что на этой фазе есть ошибка. Выходы элементов ИЛИ из всех трех фаз поступают на следующий логический элемент. Он отвечает за принятие окончательного решения. Если на его выходе присутствует логическая единица, то формируется сигнал блокировки, поступающий на трехфазные релейные модули HL-52S и пьезоэлектрический зуммер. Расцепители HL-52S используются для отключения контактов генератора от земли и от фазных линий, то есть для изоляции его от электрической сети. Релейный модуль HL-52S не влияет на работу генератора в нормальных условиях. Подробная блок-схема этого алгоритма показана на Рисунке 4.

Рис. 4.	Алгоритм работы схемы защиты электрогенератора.

Как видно из представленной блок-схемы, алгоритм зациклен, и постоянно выполняется схемой защиты генератора.

Схема верхнего уровня показана на Рисунке 5.

Рис. 5.	Схема верхнего уровня.

Описание элементов схемы

Трансформаторы тока

Трансформатор тока – это особый вид трансформатора, который используется для измерения переменного тока. Переменный ток (AC) вторичной обмотки трансформатора пропорционален переменному току в первичной обмотке.

Трансформаторы тока, а также трансформаторы напряжения и трансформаторы постоянного тока, предназначены для измерений и называются измерительными трансформаторами. Основными задачами измерительных трансформаторов являются:

• Преобразование больших токов до величин, которые легко обрабатывать.
• Изоляция измерительных цепей от первичных высоковольтных цепей.
• Обеспечение возможности стандартизации приборов и реле для работы с несколькими номинальными значениями токов и напряжений.

Когда ток оказывается слишком высоким для выполнения измерений, его следует масштабировать с помощью трансформатора. В таком случае в изолированной вторичной обмотке генерируется ток, пропорциональный току в первичной обмотке. Ток во вторичной обмотке имеет меньшее значение и подходит для измерительных приборов и для дальнейшей обработки в электронных системах. Первичная обмотка трансформатора включается последовательно с линией передачи и мало влияет на характеристики цепи из-за очень низкого собственного сопротивления.

Трансформаторы тока широко применяются в электронном оборудовании, в приборах учета и схемах защиты в электроэнергетике.

Рис. 6.	Трансформатор тока.

Большинство трансформаторов тока имеет стандартный номинальный рейтинг 5 или 1 А, при этом соотношение токов первичной и вторичной обмоток обычно определяется стандартным коэффициентом 100/5 или 100/1. Коэффициент 100/5 означает, что первичный ток в 20 раз больше, чем вторичный. Когда в первичной обмотке протекает 100 А, во вторичной будет 5 А.

Увеличивая количество витков во вторичной обмотке (N2), можно добиться, чтобы вторичный ток I2 был значительно меньше тока в измеряемой первичной цепи, поскольку при увеличении N2 значение I2 уменьшается пропорционально. Другими словами, количество витков и ток во вторичной обмотке обратно пропорциональны.

Трансформатор тока, как и любой другой трансформатор, характеризуется коэффициентом трансформации:

,

откуда мы получаем:

,

где

N_P – количество витков в первичной обмотке,
N_S – количество витков в вторичной обмотке,
I_P – ток в первичной обмотке,
I_S – ток во вторичной обмотке.

Соотношение токов в обмотках равно обратному соотношению витков в обмотках. Так как первичная обмотка обычно состоит из одного или двух витков, а вторичная может иметь несколько сотен витков, то соотношение между токами может быть довольно большим. Например, предположим, что ток первичной обмотки составляет 100 А, а вторичная обмотка имеет номинал 5 A. Соотношение между первичным и вторичным токами составляет 100 A:5 A или 20:1. Другими словами, первичный ток в 20 раз больше, чем вторичный.

Релейный модуль HL-52S

Релейный модуль HL-52S способен коммутировать различные типы мощных нагрузок, например, двигатели переменного или постоянного тока, электромагниты, соленоиды и лампы накаливания. Модуль использует высококачественные реле QIANJIJQC-3F с номинальной нагрузкой 10 А/250 В переменного тока, 10 А/125 В переменного тока, 10 А/28 В постоянного тока, 10 А/30 В постоянного тока. Состояние каждого релейного выхода отображается с помощью отдельного светодиода.

Релейный модуль имеет следующие особенности:

• Уровень управляющих сигналов: TTL;
• Номинальная нагрузка: 10 A/250 В AC, 10 A/125 В AC, DC 10 A/28 В, DC 10 A/30 В;
• Время переключения контактов: 10 мс/5 мс;
• COM – общий вывод;
• INT 1-4 – управляющие входы реле;
• NC – нормально замкнутый выход. NC подключен к линии COM, когда на INT1 присутствует низкий уровень напряжения и отключен от COM, когда на INT1 высокий уровень напряжения;
• NO – нормально разомкнутый выход, NO отключен от линии COM, когда на INT1 присутствует низкий уровень напряжения и подключен к COM , когда на INT1 высокий уровень напряжения.

В рассматриваемой системе защиты будет использоваться двухканальный релейный модуль HL-52S. Его высоковольтный клеммный разъем имеет 3 контакта. Как видно из маркировки, средний контакт – общий вывод COM, два крайних контакта – это нормально замкнутый (NC) и нормально разомкнутый выводы (NO). Внешний вид модуля реле представлен на Рисунке 7.

Рис. 7.	Релейный модуль HL-52S.

С другой стороны модуля присутствуют две штыревых колодки. Первая колодка имеет 4 контакта: вывод земли, вывод V_CC для питания модуля и два вывода для подключения сигналов управления In1 и In2. Вторая колодка имеет три контакта с перемычкой между выводами JDV_CC и V_CC.

Внутренняя схема GreenPAK

Для реализации трехфазного алгоритма защиты генератора была использована микросхема смешанных сигналов Silego SLG46621VCMIC и специальное программное обеспечение GreenPAK. В данном случае использовалось шесть входов от датчиков тока с фаз и земли электрогенератора. На Рисунке 8 представлена схема защиты на базе микросхемы GreenPAK.

Рис. 8.	Блок схема системы защиты трехфазного генератора на базе микросхемы GreenPAK.

В матрице 0 микросхемы GREENPAK происходит контроль исправности фазы А, к которой подключены датчики CT1 и CT4. Микросхема выполняет проверку – превышает ли выходной ток датчиков 1.2 А или нет. Если он больше 1.2 А, тогда на выходе компаратора формируется логическая единица, поступающая в таблицу LUT, в противном случае в LUT записывается логический ноль. В данном случае LUT выполняет функцию элемента ИЛИ. Кроме того, выход элемента ИЛИ поступает на выход P1. В матрице 1 аналогичная процедура применяется для фазы B (CT2 и CT5) и фазы C (CT3 и CT6). Сигналы состояния каждой фазы затем подаются на три входа логического элемента ИЛИ. Выход этого логического элемента управляет релейными модулями HL-52S, которые в свою очередь осуществляют коммутацию линий земли и фаз генератора.

Контакты релейного модуля остаются разомкнутыми, когда на его входе присутствует логический ноль. Контакты замыкаются, когда на вход подается логическая единица. Таким образом, генератор подключается к нагрузке, когда логическая единица подается на IN1, и отключается от электросети, когда на IN1 присутствует логический ноль. Для получения такой логики между выходом логического элемента ИЛИ и входами модулей реле были добавлены инверторы. Модуль HL-52S размыкает свои контакты во время возникновения аварийных ситуаций. Выход элемента ИЛИ также подключается к пьезоэлектрическому зуммеру для формирования звукового сигнала тревоги при наличии сбоев. Внутренняя схема GreenPAK показана на рисунках 9, 10.

Рис. 9.	Внутренняя схема GreenPAK (Matrix 0).

Рис. 10.	Внутренняя схема GreenPAK (Matrix 1).

Существуют три возможных состояния схемы защиты трехфазного генератора. Рассмотрим каждое из них отдельно.

Вариант № 1: аварийная ситуация отсутствует. На Рисунках 11 и 12 показаны диаграммы при отсутствии аварий.

Вариант № 2: авария на внешних цепях. На Рисунках 13, 14, 15 и 16 показаны диаграммы токов и напряжений при возникновении внешнего короткого замыкания между фазой и землей. Можно заметить, что схема защита генератора нечувствительна к внешним отказам и автоматически не отключает генератор.

Вариант № 3: внутренняя авария. На Рисунках 17, 18, 19 и 20 показаны диаграммы токов и напряжений при возникновении внутреннего короткого замыкания между фазой и землей. При наличии КЗ разница в токе превышает 0.2 А, и модуль реле активируется. Генератор отключается от сети. Как видно из диаграмм, напряжения и токи в этом случае равны нулю.

Рис. 11.	Напряжения на линиях земли при отсутствии аварий.

Рис. 12.	Напряжения на фазах генератора при отсутствии аварий.

Рис. 13.	Напряжения на линиях земли при возникновении внешней аварии.

Рис. 14.	Токи на линиях земли при возникновении внешней аварии.

Рис. 15.	Напряжения на фазах генератора при возникновении внешней аварии.

Рис. 16.	Токи в фазах генератора при возникновении внешней аварии.

Рис. 17.	Напряжения на линиях земли при возникновении внутренней аварии.

Рис. 18.	Токи на линиях земли при возникновении внутренней аварии.

Рис. 19.	Напряжения в фазах генератора при возникновении внутренней аварии.

Рис. 20.	Токи в фазах генератора при возникновении внутренней аварии.

Заключение

В данном руководстве была разработана трехфазная схема защиты генератора, которая в качестве основного элемента управления использует микросхему смешанных сигналов Silego GreenPAK SLG46621V. Предложенный алгоритм позволяет обнаруживать и изолировать генератор от электрической сети при возникновении аварийных ситуаций. При отсутствии аварий схема защиты никак не влияет на работу генератора. Схема может быть улучшена за счет добавления дополнительных элементов защиты, например, от перегрузки по току, обратного тока и т.д.

Характеристики микросхемы SLG46621V:

• Тип: программируемая микросхема смешанных сигналов;
• Аналоговые блоки: 8-битный АЦП, два ЦАП, шесть компараторов, два фильтра, два ИОН, четыре интегрированных генератора;
• Цифровые блоки: до 18 портов ввода/ вывода, матрица соединений и комбинаторная логика, программируемые схемы задержки, программируемый функциональный генератор, шесть 8-битных счетчиков, четыре 14-битных счетчика, схемы задержки; 
• Коммуникационный интерфейс: SPI;Диапазон напряжений питания: 1.8…5 В;
• Диапазон рабочих температур: –40…85 °C;
• Корпусное исполнение: 2 × 3 × 0.55 мм 20-выводной STQFN.

Посмотреть более подробно технические характеристики микросхем Silego