Блок электропитания и защиты

Обновлено: 21.11.2024

В этом документе предлагается устройство защиты энергосистемы, предназначенное для интеграции в интеллектуальные среды на основе технологий Интернета вещей. Предлагаемая система повышает электробезопасность за счет быстрого отключения источника питания в случае неисправности, такой как утечка тока, электрическая дуга, перегрузка по току или перенапряжение, и была разработана с целью интеграции в интеллектуальные среды, такие как умные дома или умные города, для защиты электрическое оборудование. Система также позволяет отслеживать события в режиме реального времени и уведомлять их через расширенный коммуникационный интерфейс, использующий архитектуру концентратора данных. В этом документе представлено расширенное описание конструкции и реализации предлагаемой системы, а также результаты экспериментальной проверки.

Редактор: Сененцу Лансерос-Мендез, Баскский центр материалов, приложений и наноструктур, ПОРТУГАЛИЯ

Получено: 20 августа 2018 г.; Принято: 13 ноября 2018 г.; Опубликовано: 5 декабря 2018 г.

Авторские права: © Machidon et al., 2018 г. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных. Все соответствующие данные содержатся в рукописи и файлах со вспомогательной информацией.

Финансирование: Эта работа была поддержана грантом Национального управления по научным исследованиям и инновациям Румынии, CNCS/CCCDI – UEFISCDI, номер проекта PN-III-P2-2.1-PED-2016-0570, в рамках PNCDI III to PO . Настоящим мы выражаем признательность проекту структурных фондов PRO-DD (POS-CCE, 0.2.2.1., ID 123, SMIS 2637, ctr. No. 11/2009) за предоставление инфраструктуры, используемой в этой работе.

Конкурирующие интересы. Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Безопасность и надежность инфраструктуры электроэнергетики сегодня имеют жизненно важное значение как никогда, учитывая степень, в которой электрические технологии стали неотъемлемой частью всей деятельности человека. Таким образом, защита системы электроснабжения от перебоев в связи с различными неисправностями является основной задачей исследований [1]. Одним из компонентов, участвующих в защите энергосистемы, является автоматический выключатель, который отвечает за отключение системы при возникновении неисправности или аномалии для защиты электрооборудования [2].

В современном мире технологическая тенденция внедрения «умных» технологий, вызванная появлением облачных вычислений и Интернета вещей (IoT), привела к преобразованию обычных устройств и сред в «умные» объекты [3]. . В этом контексте традиционные устройства электрической защиты также имеют тенденцию превосходить и становиться «умными» [4] и, следовательно, предлагают улучшенное обнаружение неисправностей и защиту, удаленный мониторинг и уведомление о событиях [5].

После того, как дом становится умным, он снабжается вездесущим компьютерным оборудованием, которое соединяет все бытовые устройства друг с другом и с Интернетом. Умный город также встраивает в городской пейзаж компьютеры, датчики, камеры и другое чувствительное оборудование, работающее в фоновом режиме. В этих условиях защита энергосистемы от сбоев становится еще более важной, учитывая растущее число чувствительных устройств, подключенных в развивающемся умном мире.

Более того, традиционная электрическая защита жилых, офисных и промышленных зданий основана на классическом срабатывании автоматических выключателей или перегорании предохранителей при перегрузке, что обеспечивает ограниченную защиту и предупреждение [6].

  • Усовершенствованное обнаружение неисправностей и защита посредством высокоскоростного отключения в случае: перегрузки по току, перенапряжения, тока утечки и электрической дуги;
  • Мониторинг в режиме реального времени путем отправки записанных событий на веб-сервер, где информация доступна через веб-интерфейс в Интернете;
  • Уведомления в режиме реального времени по электронной почте и текстовые сообщения указанным лицам;
  • Гибкая и масштабируемая коммуникационная инфраструктура, поддерживающая простую интеграцию в интеллектуальных средах и с другими операторами коммунальных услуг через веб-протоколы, службы и API;

Остальная часть документа организована следующим образом: в разделе II представлена ​​предыстория и соответствующая работа по этой теме, в разделе III описывается системная архитектура с подробным описанием трех компонентов (аппаратное обеспечение, программное обеспечение, коммуникационная сеть и концентратор данных), в разделе IV представлены экспериментальная проверка системы, в то время как в разделе V делаются выводы и подчеркиваются направления будущих исследований.

Предпосылки и сопутствующие работы

В соответствующей литературе в этой области подчеркиваются три ключевые особенности таких устройств защиты энергосистемы: скорость отключения, надежность и стоимость [7].

Современное состояние дел в этой области свидетельствует о том, что традиционные автоматические выключатели по-прежнему широко используются для защиты энергосистемы, причем эти устройства обычно предназначены для защиты от единичного сбоя в электросети. В 2016 году компания Eaton разработала новое поколение автоматических выключателей: устройство обнаружения дугового замыкания (AFDD), которое обеспечивает улучшенную защиту от электрической дуги, тока утечки, перегрузки по току и перенапряжения [8].

Одна из последних тенденций связана с появлением микросетей, которые должны безопасно работать как в изолированном режиме, так и в режиме подключения к сети. Следовательно, преобразование традиционной энергосистемы (преобразование в интеллектуальную сеть и микросети) потребует очень гибких систем управления распределением и пересмотра стратегий защиты [9]. Надежность микросетей является важным направлением исследований, учитывая их чувствительность к перебоям в электроснабжении, которые могут увеличить среднюю частоту и продолжительность перебоев [10]. Таким образом, существующие исследования сосредоточены на разработке надежного защитного решения для таких систем [11] (например, авторы в [12] проводят сравнение между защитными решениями для микросетей переменного и постоянного тока, подчеркивая преимущества в случае защиты постоянного тока).

Микросетевые системы постоянного тока в последнее время используются во все большем количестве приложений из-за их важных преимуществ. Таким образом, защита микросетей постоянного тока и потребителей, подключенных к таким сетям, является важным предметом исследования, которому посвящено несколько недавних статей. Таким образом, в [13] авторы анализируют многополюсную защиту в сетях постоянного тока для аэрокосмических приложений. В [14] представлен пилотный проект для станций зарядки электромобилей, питаемых от возобновляемых источников: фотоэлектрические и рекуперативное торможение поездов, с подробностями, касающимися функций управления и защиты. Усовершенствованный метод защиты от аномалий напряжения в сетях постоянного тока описан в [15], где схема защиты, расположенная в преобразователе энергии, обеспечивает быструю развязку и идентификацию неисправности в многополюсной сети. Аналогичная система защиты, предназначенная для многополюсного компактного узла постоянного тока, питающего электромобили на электрических железнодорожных системах, вторичных распределительных сетях и фотоэлектрических системах, также представлена ​​в [16].

Еще один деликатный вопрос, касающийся защиты энергосистемы от сбоев, связан со сложностью интеграции возобновляемых источников энергии в существующую энергосистему, что еще больше подчеркивает необходимость эффективных решений для защиты от сбоев, таких как короткие замыкания, электрические дуги и повышенные гармоники [17]. Следовательно, это подчеркивает важность отключения питания при обнаружении перехода тока через нуль. Тем не менее, ассимиляция распределенных источников в существующие распределительные сети поднимает важные технические проблемы, в том числе вопросы, связанные с необходимостью усиленных систем защиты от перебоев в подаче электроэнергии [18].

В этом контексте зарождающееся направление исследований в этой области предусматривает разработку и внедрение инновационных решений защиты, подобных описанному в недавней патентной заявке [19], в которой предлагается аналогичное устройство для обеспечения отключения электрической нагрузки при обнаружении различных неисправностей в электросеть.

Анализ современного состояния дел показывает, что существует очень мало решений типа интеллектуальных автоматических выключателей, а традиционные системы защиты не предлагают функции мониторинга и связи в реальном времени для быстрой интеграции на основе IoT в умные среды. Существует развивающийся стандарт связи электрических подстанций (IEC-61850) [20], который совместим с Smart Grid и обеспечивает связь через электросеть для мониторинга и управления, однако такие системы, как правило, предназначены для поставщиков и специалистов по энергоснабжению, а не предназначены для предоставлять мониторинг или уведомления конечным пользователям или третьим сторонам (например, органам местного государственного управления или службам экстренной помощи).

Связанные исследовательские работы, описывающие интеллектуальные автоматические выключатели (автоматические выключатели, которыми можно управлять и контролировать дистанционно), включают интеллектуальные выключатели, используемые для оптимизации мощности местных генераторов электроэнергии [21], защиты распределения электроэнергии в самолетах [22], а также применения в микросетях для улучшенная защита сети [23], а также оптимальное планирование нагрузки [24]. Аналогичная, но менее сложная система с той, что описана в этой статье, представлена ​​в [25] и представляет собой дистанционно управляемый автоматический выключатель, защищающий от коротких замыканий и перегрузок.

Большинство из приведенных выше примеров интеллектуальных автоматических выключателей предлагают традиционные функции защиты классического выключателя, но, кроме того, обеспечивают дистанционное управление для соединения/разъединения и мониторинга. В недавнем исследовании [26] проанализированы последствия для безопасности дистанционно управляемых автоматических выключателей и подчеркнута необходимость безопасного канала связи для предотвращения возможных атак.

Устройство защиты энергосистемы ELSA, описанное в этом документе, было разработано с целью интеграции в интеллектуальные среды, такие как умные дома или умные города, для защиты электрического оборудования от сбоев и аномалий. Он не только позволяет удаленно отслеживать и контролировать функцию соединения/развязки, но также поддерживает уведомления в режиме реального времени и обеспечивает повышенную защиту от широкого спектра электрических сбоев.

Концепция умных зданий, умных домов или домашней автоматизации была разработана с целью сделать среду обитания более безопасной, удобной и доступной для жителей [27]. Функции, которые предлагает умный дом, включают, среди прочего, мониторинг окружающей среды [28], безопасность здания [29] или удаленный медицинский мониторинг [30]. Учитывая, что «умный дом» объединяет сложную сеть устройств, датчиков и компьютеров, а также поскольку эта концепция также направлена ​​на повышение безопасности жизни, один из ключевых вопросов, требующих решения, связан с мониторингом и защитой энергосистемы. Другими словами, если оборудование в доме стало интеллектуальным, естественно ожидать, что система автоматических выключателей должна превратиться в интеллектуальную, усиленную систему защиты.

Учитывая положение автоматического выключателя в интеллектуальном здании рядом со счетчиком электроэнергии, мы предполагаем, что наша система защиты будет интегрирована в синергию Smart Grid — Smart Home как система, предлагающая активную защиту, но в то же время обеспечивающая реальную защиту. мониторинг времени соединения между двумя инфраструктурами, способствуя безопасному взаимодействию между двумя объектами [31].

Что касается второго домена приложений, предназначенного для нашего устройства, умных городов, он был определен на основе сотрудничества между Университетом Трансильвании в Брашове и местными властями Брашова в рамках дорожной карты умного города Брашова. Брашов является одним из городов Центральной и Восточной Европы со стратегией внедрения интеллектуальных технологий на основе ИКТ, таких как интеллектуальное общественное освещение [32], ГИС (географическая информационная система) и видеонаблюдение за дорожным движением для анализа и оптимизации в реальном времени или WoT. (Web of Things), такие как открытые данные Smart City (например, измерения осадков) [33].

Интеллектуальная сеть общественного освещения объединяет систему удаленного управления освещением, способную удаленно контролировать все источники света в городе с помощью веб-интерфейса. Кроме того, эта система включает в себя внедрение датчиков окружающей среды, видеокамер, тревожных кнопок и муниципальной сети Wi-Fi MESH, все они отслеживаются и управляются с использованием одного и того же интерфейса, который позволяет анализировать и планировать инструменты для снижения потребления энергии и затрат на техническое обслуживание. [34].

В этом контексте важным вопросом является выявление неисправностей и защита оборудования, которые можно должным образом решить с помощью предлагаемой системы. Таким образом, оптические элементы осветительных приборов, а также другое оборудование, подключенное к этой интеллектуальной сети (камеры, микрофоны, системы сигнализации, датчики), могут быть защищены от широкого спектра неисправностей энергосистемы, которые выявляются и сигнализируются в режиме реального времени. .

Столбы общественного освещения, являющиеся частью интеллектуальной системы освещения на основе Интернета вещей, содержат только базовый автоматический выключатель, обеспечивающий развязку в случае короткого замыкания. Таким образом, устройство ELSA обеспечивает дополнительную защиту от более широкого спектра электрических неисправностей. Это также относится к жилым или промышленным зданиям, большинство из которых защищено только от короткого замыкания (и только некоторые имеют дифференциальные выключатели). В обоих случаях развертывание устройства ELSA позволяет, помимо усиленной защиты, уведомлять в режиме реального времени государственного поставщика энергии или владельца здания о событиях неисправности по мере их возникновения.

Материалы и методы

Аппаратная реализация

Общее описание.

Защитное устройство ELSA, описанное в этой статье (и проиллюстрированное на рис. 1), реализовано на основе оригинальной инновационной конструкции и обеспечивает защиту потребителей электроэнергии, подключенных к сети общего пользования, путем отключения подачи электроэнергии в несколько неисправностей: перенапряжение, перегрузка по току, ток утечки и электрическая дуга. На левом подрисунке устройство ELSA показано в корпусе, а модули идентифицированы следующим образом:

Защита — это отрасль электроэнергетики, связанная с принципами проектирования и работы оборудования (называемого «реле» или «реле защиты»), которое обнаруживает ненормальные состояния энергосистемы и как можно быстрее инициирует корректирующие действия для возврата энергосистему в нормальное состояние. Быстрота срабатывания является важным элементом систем релейной защиты — часто требуется время срабатывания порядка нескольких миллисекунд. Следовательно, вмешательство человека в защиту работы системы невозможно.Реагирование должно быть автоматическим, быстрым и вызывать минимальное нарушение энергосистемы.

ХАРАКТЕР ЗАЩИТЫ

Как правило, реле не предотвращают повреждение оборудования; они срабатывают после того, как уже произошло некоторое обнаруживаемое повреждение. Их цель состоит в том, чтобы ограничить, насколько это возможно, дальнейшее повреждение оборудования, свести к минимуму опасность для людей, снизить нагрузку на другое оборудование и, прежде всего, как можно быстрее удалить неисправное оборудование из энергосистемы, чтобы целостность и стабильность остальной системы сохраняется. Существует аспект управления, присущий релейным системам, который дополняет обнаружение неисправностей и помогает вернуть энергосистему в приемлемую конфигурацию как можно скорее, чтобы можно было восстановить обслуживание клиентов. Также жизненно необходимо постоянно контролировать питание и защитные системы для анализа операций на предмет правильной работы и исправления ошибок в конструкции, применении или настройках.

Надежность, безотказность и безопасность

Под надежностью обычно понимается степень уверенности в том, что часть оборудования будет работать должным образом. Реле, в отличие от большинства другого оборудования, могут быть ненадежными двумя способами. Они могут не работать, когда от них ожидают, или они могут работать, когда от них не ожидают. Это приводит к двоякому определению «надежности», меры уверенности в том, что реле сработает правильно при всех неисправностях, для которых они предназначены, и «безопасности», меры уверенности в том, что реле не сработает неправильно при неисправности. любая ошибка.

Защитные зоны

Реле имеют вводы от нескольких трансформаторов тока (ТТ) и зона защиты ограничена этими ТТ. В то время как трансформаторы тока обеспечивают возможность обнаружения неисправности внутри зоны, автоматические выключатели (CB) позволяют изолировать неисправность, отключая все силовое оборудование в зоне. Таким образом, граница зоны обычно определяется CT и CB. Когда КТ является частью CB, она становится естественной границей зоны. Если ТТ не является составной частью выключателя, особое внимание следует уделить логике обнаружения и прерывания неисправности. ТТ по-прежнему определяет зону защиты, но для реализации функции отключения необходимо использовать каналы связи. На рис. 1 показаны зоны защиты в типичной системе.

Скорость реле

Конечно, желательно как можно быстрее устранить неисправность в энергосистеме. Однако реле должно принимать решение на основе напряжения

и формы сигналов тока, которые сильно искажены из-за переходных процессов, которые следуют за возникновением неисправности. Ретранслятор должен разделять значимую и важную информацию, содержащуюся в этих сигналах, на которой должно основываться решение о безопасной ретрансляции. Эти соображения требуют, чтобы ретранслятору потребовалось определенное время для принятия решения с необходимой степенью определенности. Зависимость между временем срабатывания реле и степенью его достоверности является обратной и является одним из самых основных свойств всех систем защиты.

Хотя время работы реле часто колеблется в широких пределах, реле обычно классифицируют по скорости работы следующим образом:

Мгновенное. Эти реле срабатывают, как только принимается безопасное решение. Никакой преднамеренной задержки времени для замедления срабатывания реле не вводится. Временная задержка — преднамеренная временная задержка вставлена ​​между временем принятия решения реле и инициированием действия отключения. Высокоскоростное — реле, которое срабатывает меньше заданного времени. Указанное время в современной практике составляет 50 миллисекунд (3 цикла в системе с частотой 60 Гц). Сверхвысокая скорость — этот термин не включен в существующие стандарты реле, но обычно считается, что время работы составляет 4 миллисекунды или менее.

Основная и резервная защита

Основная система защиты для данной зоны защиты называется основной системой защиты. Он работает в кратчайшие сроки и выводит из эксплуатации наименьшее количество оборудования. На сверхвысоком напряжении

системы (230 кВ и выше) обычно используют дублирующие системы первичной защиты на случай, если какой-либо элемент в одной цепи первичной защиты не сработает. Таким образом, это дублирование предназначено для покрытия отказа самих реле. Можно использовать реле другого производителя или реле с другим принципом работы, чтобы избежать отказов по общей причине. Время работы и логика отключения как основной, так и дублирующей системы одинаковы.

Не всегда практично дублировать каждый элемент цепочки защиты. В частности, в системах с более низким напряжением используется резервная релейная защита. Резервные реле работают медленнее основных реле и, как правило, удаляют больше системных элементов, чем может быть необходимо для устранения неисправности.Они могут быть установлены локально, то есть на той же подстанции, что и первичные реле, или удаленно.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ РЕЛЕ

Как правило, при возникновении неисправности (короткого замыкания) токи увеличиваются, а напряжения уменьшаются. Помимо этих изменений величины, могут произойти и другие изменения. Принципы работы реле основаны на обнаружении этих изменений.

Обнаружение уровня

Это самый простой из всех принципов работы реле. Любой ток выше или напряжение ниже установленного уровня может означать, что внутри зоны защиты существует неисправность или какое-либо другое ненормальное состояние. На рис. 2 показаны реле максимального тока с независимым временем и с обратнозависимой выдержкой времени.

Сравнение величин

Этот принцип работы основан на сравнении одного или нескольких рабочих параметров. Реле сработает, когда векторное разделение между двумя или более цепями отличается от нормальных рабочих параметров. На рисунке 3 IA и IB могут быть равны друг другу или находиться в фиксированном соотношении.

Дифференциальное сравнение

Это один из наиболее чувствительных и эффективных методов защиты от замыканий, показанный на рис. 4. Алгебраическая сумма всех токов, входящих и выходящих из защищаемой зоны, будет близка к нулю, если в зоне нет замыканий и будет суммой I1 и I2, если в зоне существует неисправность. Детектор уровня может использоваться для обнаружения величины этого сравнения или может применяться специальное реле, такое как процентное дифференциальное реле или реле подавления гармоник. Это наиболее распространенное защитное устройство, используемое для генераторов, двигателей, шин, реакторов, конденсаторов и т. д. Его единственный недостаток заключается в том, что оно требует токов от концов зоны защиты, что может потребовать чрезмерной длины кабеля или системы связи.

Сравнение фазового угла

Этот тип реле сравнивает относительный фазовый угол между двумя величинами переменного тока. Он обычно используется для определения направления тока по отношению к эталонной величине. Нормальный поток мощности в заданном направлении приведет к изменению фазового угла между напряжением и током вокруг угла коэффициента мощности (например, 30°), в то время как мощность в обратном направлении будет отличаться на 180°. В условиях неисправности, поскольку импеданс в основном представляет собой индуктивность линии, угол сдвига фаз тока по отношению к напряжению будет близок к 90°.

Измерение расстояния

Этот тип реле сравнивает локальный ток с локальным напряжением. По сути, это измерение

сопротивление с точки зрения реле. Реле импеданса зависит от того факта, что длина линии (т. Е. Расстояние до нее) для данного диаметра проводника и расстояния определяет его полное сопротивление. Это наиболее часто используемое реле для защиты высоковольтных линий электропередач. Как показано на рис. 5, зоны можно определить как «зону один», которая обеспечивает мгновенную защиту менее чем 100 процентов связанного сегмента линии, и зоны два и три, которые охватывают больше, чем задействованная линия, но должны быть задержаны для обеспечения координации.

Гармоничный контент

Токи и напряжения в энергосистеме обычно имеют синусоидальную форму основной частоты энергосистемы плюс другие нормальные гармоники

(например, третья гармоника, создаваемая генераторами). Аномальные состояния или неисправности могут быть обнаружены путем обнаружения любых аномальных гармоник, которые сопровождают такие состояния.

Определение частоты

Нормальная работа энергосистемы осуществляется при частоте 50 или 60 Гц в зависимости от страны. Любое отклонение от этих значений указывает на то, что проблема существует или неизбежна.

ДИЗАЙН РЕЛЕ

Следующее обсуждение охватывает очень небольшую выборку возможных дизайнов. Конкретную информацию необходимо получить у производителей.

Предохранитель представляет собой датчик уровня, одновременно являющийся датчиком и отключающим устройством. Он устанавливается последовательно с защищаемым оборудованием и работает за счет плавления плавкого элемента в ответ на протекание тока.

Электромеханические реле

Приводные силы создаются комбинацией входных сигналов, накопленной энергии в пружинах и амортизаторах. Реле плунжерного типа состоит из подвижного плунжера внутри неподвижного электромагнита. Обычно он применяется в качестве датчика мгновенного уровня. Реле индукционного типа аналогично работе однофазного двигателя переменного тока тем, что требует взаимодействия двух потоков через диск или чашку. Потоки могут создаваться двумя отдельными входами или одним входом, электрически разделенным на две составляющие. В зависимости от обработки входов (т. е. один ток, разделенный на два потока, два тока или ток и напряжение), эта конструкция может использоваться для реле максимального тока с выдержкой времени, направленного реле или дистанционного реле.< /p>

Твердотельные реле

Все функции и характеристики электромеханических реле могут выполняться твердотельными устройствами либо в виде дискретных компонентов, либо в виде интегральных схем. В них используются маломощные компоненты, либо аналоговые схемы для обнаружения неисправностей, либо измерительные схемы в качестве цифровых логических схем для работы. Существуют преимущества производительности и экономики, связанные с гибкостью и уменьшенным размером твердотельных устройств. Их настройки более воспроизводимы и имеют более узкие допуски. Их характеристики могут формироваться путем настройки логических элементов, в отличие от фиксированных характеристик индукционных дисков или чашек.

Компьютерные реле

Часто отмечалось, что реле — это аналоговый компьютер. Он принимает входные данные, обрабатывает их электромеханическим или электронным способом для создания крутящего момента или логического выхода, приводящего к замыканию контактов или выходному сигналу. С появлением прочных, высокопроизводительных микропроцессоров стало очевидным, что цифровой компьютер может выполнять ту же функцию. Поскольку обычные входы состоят из напряжений и токов энергосистемы, необходимо получить цифровое представление этих параметров. Это делается путем дискретизации аналоговых сигналов и использования соответствующего компьютерного алгоритма для создания подходящих цифровых представлений сигналов.

СХЕМЫ ЗАЩИТЫ

Отдельные типы электрических аппаратов, конечно, требуют защитных схем, специально применимых к рассматриваемой проблеме. Однако существуют общие принципы обнаружения, схемы ретрансляции и устройства, применимые ко всем.

Защита линии передачи

Линии электропередачи используют самые разнообразные схемы и оборудование. В порядке возрастания стоимости и сложности это предохранители, реле максимального тока мгновенного действия, реле максимального тока с выдержкой времени, направленные реле максимального тока, дистанционные реле и пилотная защита. Предохранители используются в основном в распределительных сетях. Реле максимального тока мгновенного действия обеспечивают защиту первой зоны в низковольтных системах. Реле максимального тока с выдержкой времени обеспечивают резервную защиту низковольтных систем. Направленные реле максимальной токовой защиты требуются в контурных системах, где ток короткого замыкания может протекать в любом направлении. Дистанционные реле обеспечивают функцию блокировки и отключения для пилотной реле и резервной защиты первой, второй и третьей зон в высоковольтных и сверхвысоковольтных системах. Пилотная защита обеспечивает первичную защиту для 100 процентов линейного сегмента путем передачи информации с каждого терминала на все остальные терминалы. Для этого требуется канал связи, такой как линия электропередач, оптоволокно, микроволновая печь или проводной пилот.

Вращающийся аппарат

Основной схемой защиты генераторов и двигателей является дифференциальное реле. Доступ ко всем точкам входа в охраняемую зону обычно легко доступен, не требуется согласования с защитой другого подключенного оборудования, а неисправная зона быстро идентифицируется. Защита двигателя также включает реле максимального тока мгновенного действия и выдержки времени для резервирования.

Оборудование подстанции

Дифференциальная релейная защита — это универсальная схема защиты шин и трансформаторов. Пусковой ток, связанный с силовыми трансформаторами, требует специального дифференциального реле, использующего фильтры для обеспечения сдерживания гармоник, чтобы различать ток включения и ток короткого замыкания.

Реле максимального тока мгновенного действия и выдержки времени являются наиболее распространенными защитными устройствами, используемыми на шунтирующих реакторах, конденсаторах и сервисном оборудовании станции.

КОНТРОЛЬ

Неисправности линий электропередачи носят преимущественно временный характер, и автоматическое повторное включение является необходимым дополнением к функции защитной релейной защиты. Время повторного включения должно быть больше, чем время, необходимое для рассеивания продуктов дуги, связанных с неисправностью. Это зависит от напряжения системы и колеблется от 15–20 циклов при 138 кВ до 30 циклов для систем 800 кВ. Автоматическое повторное включение требует наличия надлежащих защитных и операционных блокировок.

Вращающееся оборудование, трансформаторы и кабели, как правило, не имеют временных неисправностей, а автоматическое повторное включение не предусмотрено.

МОНИТОРИНГ

Важность мониторинга производительности энергосистемы и оборудования с годами неуклонно возрастает.

Осциллографы и другие регистраторы неисправностей, такие как последовательность событий, по своей природе являются автоматическими устройствами. Время, затрачиваемое на распознавание и запись параметров системы во время неисправности, исключает любое вмешательство оператора. Наиболее распространенными начальными значениями являются токи и напряжения, связанные с самой неисправностью. Фазные токи увеличиваются, фазные напряжения уменьшаются, а ток заземления обычно очень мал, поэтому все они являются естественными кандидатами на роль триггерных механизмов. На сигнал с частотой 60 Гц накладываются переходные компоненты, которые сопровождают неисправности и другие события переключения.Они выявляются на осциллографических записях и являются важным элементом анализа работоспособности. На рис. 6 представлена ​​типичная запись

однофазное замыкание на землю и неудачное повторное включение на высокой скорости.

С появлением цифровых реле ситуация резко изменилась. Реле могут не только регистрировать ток и напряжение короткого замыкания и вычислять место повреждения, но и передавать эту информацию в центральный пункт для анализа. Некоторые цифровые устройства используются исключительно в качестве регистраторов неисправностей.

Стэнли Х. Горовиц

БИБЛИОГРАФИЯ

Блэкберн, Дж. Л. (1952) Поляризация наземного реле. AIEE Trans., Часть III, PAS, Vol. 71, декабрь, стр. 1088–1093.

Горовиц, С. Х., и Фадке, А. Г. (1996). Релейная система энергоснабжения. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc.

Сообщество инженеров-энергетиков IEEE. (1980). Релейная защита для энергосистем, изд. Стэнли Х. Горовиц. Нью-Йорк: IEEE Press.

Сообщество инженеров-энергетиков IEEE. (1992). Релейная защита для энергосистем II, изд. Стэнли Х. Горовиц. Нью-Йорк: IEEE Press.

Ретрансляция системы питания IEEE Comm. (1979). Аспекты защиты многотерминальных линий. Специальная публикация IEEE № 79 TH0056-2-PWR. Нью-Йорк: IEEE Press.

Льюис, В. А., и Типпетт, Л. С. (1947). Фундаментальные основы дистанционной ретрансляции в трехфазных системах. AIEE Trans., Vol. 66, стр. 694–708.

Mason, C. R. (1956). Искусство и наука защитной ретрансляции. Нью-Йорк: John Wiley & Sons.

Westinghouse Electric Corp., подразделение релейных приборов. (1979). Прикладная защитная релейная защита. Корал-Спрингс, Флорида: автор.

Защита энергосистемы, подготовленная экспертами от имени Совета по электроэнергетике (Питер Перегринус, 1981 г.), представляет собой трехтомный труд, охватывающий теорию и практическое применение.

Связанные термины:

Скачать в формате PDF

Об этой странице

Новые схемы защиты в более интеллектуальных энергосистемах с более высоким проникновением систем возобновляемой энергии

Пейман Деганян , . Мохаммад Тасдиги, Пути к более разумной энергетической системе, 2019 г.

Аннотация

Традиционным принципам, схемам и технологиям защиты энергосистем постоянно угрожает распространение высокораспределенных стохастических возобновляемых источников энергии (ВИЭ). При наличии таких массовых проникновений перебоев и неопределенностей в электросети надежность и безопасность систем защиты могут быть поставлены под угрозу. Для решения этих проблем требуются новые адаптивные методы, преобразующее мышление и передовые технологии для безопасных, устойчивых, доступных и надежных систем защиты в электрических сетях будущего. В этой главе рассматриваются и обсуждаются проблемы защиты широко интегрированных систем передачи, распределения и микросетей с использованием ВИЭ, а также предлагаются возможные решения, которые могут помочь реализовать надежные, адаптивные и в то же время доступные схемы защиты в интеллектуальных сетях.

Конфигурация системы

ДЖЕЙМС У. КЛАРК, кондиционеры переменного тока, 1990 г.

Батарея

Современные системы защиты электропитания, будь то ИБП или СЭС, почти всегда используют герметичные, не требующие обслуживания батареи с уровнями мощности свыше 5 кВт. При более высоких уровнях мощности обычно используются более традиционные батареи с жидкостными элементами. Часто при очень высоких уровнях мощности батарея занимает всю комнату и, конечно, больше площади, чем система ИБП, которую она поддерживает. Но аспект размера не сильно меняется при низких уровнях мощности. Пространство, занимаемое внутренней батареей в большинстве продуктов ИБП сегодня, обычно равно или даже больше, чем место, занимаемое электроникой. Вес батареи обычно больше, чем общий вес всей электроники. Наряду с этим размером и весом идет стоимость. Стоимость батареи будет одной из самых дорогих статей стоимости материалов ИБП.

Большой размер, вес и стоимость аккумуляторов делают чрезвычайно важным правильный выбор и внедрение аккумулятора, который будет соответствовать требованиям системы ИБП и обеспечит длительный срок службы. В правильно спроектированной системе ИБП батарея будет одним из самых слабых звеньев только из-за того, что она подвержена неправильному использованию при зарядке, разрядке, хранении при повышенных температурах и обращении. Поскольку они герметичны, необслуживаемые батареи подвергаются еще большему риску, поскольку нет возможности выполнять периодическое техническое обслуживание. По этой причине при выборе, зарядке и разрядке герметичных батарей учитываются следующие соображения. Большинство производителей этих аккумуляторов предоставляют характеристические данные, которые указывают примерно на одинаковые рабочие характеристики для аналогичных номиналов. Ниже приведены общие характеристики типичных характеристик, а конкретные характеристики следует получить у производителя перед принятием окончательных проектных решений.

Основы защиты энергосистемы

Основы защиты энергосистемы 787 9.1.1

Неисправности системы питания

Компоненты энергосистемы

Релейные соединения и зоны защиты

Системы ретрансляции, принципы и критерии работы 791 9.2.1

Компоненты системы ретрансляции

Основные принципы ретрансляции

Критерии работы

Защита линий электропередачи 796 9.3.1

Защита распределительных фидеров от перегрузки по току

Дистанционная защита линий электропередачи

Схемы направленной ретрансляции для высоковольтных линий электропередачи

Дифференциальная релейная передача высоковольтных линий электропередачи

Защита силовых трансформаторов 799 9.4.1

Условия эксплуатации: вводящее в заблуждение поведение дифференциального тока

Воздействие на реализацию, вызывающее вводящее в заблуждение поведение дифференциальных токов

Текущие решения дифференциальной ретрансляции

Защита синхронных генераторов 801 9.5.1

Требования к защите синхронного генератора

Принципы защиты синхронных генераторов

Защита шины 802 9.6.1

Требования к защите шины

Принципы защиты, используемые для защиты шины

Защита асинхронных двигателей 803 9.7.1

Требования к защите асинхронных двигателей

Принципы защиты, используемые для защиты асинхронных двигателей

Защита микросетей

Дэхуа Чжэн, . Джун Юэ , защита и контроль микросетей , 2021 г.

6.4.2 Дифференциальная защита

Дифференциальная защита является одним из наиболее широко используемых методов защиты энергосистемы, а также наиболее распространенным компонентом систем защиты микросетей. Основным принципом дифференциальной защиты является сравнение разности измерений токов в разных точках с заданным порогом. Основной и простой принцип дифференциальной защиты показан на рис. 6.14. Дифференциальная защита в основном применяется для защиты сборных шин, трансформаторов или линий электропередач. Схема защиты зависит от передачи данных измерений из двух точек (входа и выхода) защищаемого устройства или зоны с помощью таких средств, как контрольный провод, оптоволокно, носитель линии электропередач или беспроводная связь [14]. При нормальной работе или неисправностях за пределами защищенной зоны сумма протекающих токов должна быть практически равна сумме вытекающих токов.

Рисунок 6.14. Принцип базовой дифференциальной защиты.

Реле подключается дифференциально, как показано на рис. 6.14. Следовательно, при нормальной работе и внешних неисправностях ток, протекающий через реле, представляет собой разность вторичных токов от ТТ на двух концах. Ток, протекающий через защитное реле, представляет собой разность токов возбуждения дифференциально включенного ТТ. Где Ip представляет собой первичный ток, входящий или выходящий из защищаемой зоны, деленный на коэффициент трансформации ТТ и Ie — вторичный ток возбуждения ТТ, вторичный ток Ip–Ie с двух сторон будут одинаковыми, за исключением неизбежной небольшой разницы даже при точно таком же соотношении и типе трансформаторов тока. Таким образом, при нормальной работе через реле будет протекать небольшой ненулевой ток из-за потерь в защищаемой зоне и небольшой разницы между двумя трансформаторами тока. Этот ток реле может быть даже больше, когда имеется насыщение ТТ или когда два ТТ имеют разные типы или коэффициенты трансформации. Следовательно, настройка тока срабатывания должна учитывать такие условия, чтобы избежать нежелательного срабатывания реле во время нормальной работы или внешних неисправностей.

Внешние неисправности могут вызвать внезапное увеличение тока и тока смещения постоянного тока, что может привести к значительным различиям во вторичных токах с двух сторон, что означает значительный ток, протекающий через дифференциальное реле. Этот инцидент обычно происходит в течение короткого периода времени во время возникновения неисправности. Таким образом, применение некоторой временной задержки к работе реле может помочь избежать нежелательного срабатывания при внешних неисправностях.

Во время неисправностей, происходящих в защищенной зоне или оборудовании, которые мы называем внутренними неисправностями, дифференциальный ток, протекающий через реле, представляет собой сумму двух вторичных токов, поскольку оба первичных тока будут протекать в защищенную зону, питая неисправность. Таким образом, за исключением случаев короткого замыкания с высоким импедансом, когда ток короткого замыкания мал, достигается хорошая селективность при обнаружении короткого замыкания в пределах защищаемой зоны. Реле, работающие на основе процентных значений, а не фактической величины тока, могут обеспечить более высокую чувствительность к внутренним неисправностям и большее сдерживание внешних неисправностей.В результате большинство дифференциальных реле относятся к процентному типу либо с фиксированным процентным порогом 10–50%, либо с некоторыми отводами для изменения порогового процента. Хотя это кажется таким же простым, как сравнение двух векторов тока, особенно в простых двухполюсных системах дифференциальной защиты, настройка уставок защиты может быть сложной для многополюсных компонентов, где зона защиты определяется несколькими входами и в конфигурации постоянно происходят изменения. .

Дифференциальная защита имеет такие преимущества, как хорошая селективность, невосприимчивость к перепадам напряжения и внешним неисправностям, возможность работы без предварительного знания уровней неисправности и удобство модернизации сети с подключением большего количества компонентов, чувствительность, в том числе к высокоимпедансным неисправностям, и простота [14,21] . Одной из проблем, связанных с реализацией этой схемы защиты, является необходимость дублирования измерительных или контрольно-измерительных устройств и средств связи, что, в свою очередь, приводит к более высокой стоимости, особенно для их применения в небольших системах, таких как микросети. Дифференциальная защита считается более применимой, если оба конца защищаемого устройства или зоны расположены близко друг к другу [22] . Однако с последними достижениями в области коммуникационных технологий эта схема стала менее затратной.

Дифференциальная защита широко используется для защиты отдельных компонентов, таких как трансформаторы и сборные шины. При защите трансформаторов дифференциальная защита может обеспечить наилучшую общую защиту от замыканий на фазу и землю, за исключением незаземленных систем или систем с заземлением с высоким импедансом. Дифференциальная защита является обычным выбором для защиты трансформаторов или блоков трансформаторов с размерами в диапазоне мегавольт-ампер (МВА). Однако его также можно использовать в трансформаторах меньшей мощности в зависимости от важности трансформатора в системе, например, в микросетях.

Дифференциальная защита также должна быть рассмотрена и по возможности применена ко всем шинам в микросети в качестве первичной защиты. Хотя шинам нечасто угрожают неисправности, последствия очень значительны, когда с ними случаются неисправности. Вот почему для защиты шин необходима быстрая и чувствительная защита. Дифференциальная защита обычно используется для первичной защиты шин в микросетях, в то время как защита цепей, подключенных к шине, обычно обеспечивает резервную защиту шины ( рис. 6.15 ).

Рисунок 6.15. Дифференциальная защита шины.

Дифференциальная защита применяется для защиты фидеров в микросетях в [23] . Считается, что дифференциальная защита по току выбрана из-за того, что она может работать в условиях двунаправленного потока мощности, изменяющихся уровней тока короткого замыкания и самонастраивающихся автоматических генераторов, в то время как она может хорошо работать как в режимах с подключением к сети, так и в изолированных режимах. В исследовании используется реле, состоящее из пяти элементов (три фазных элемента для каждой фазы, элемент тока обратной последовательности и элемент тока нулевой последовательности). В то время как дифференциальные элементы фаз предназначены для защиты от замыканий, вызывающих значительно большие токи замыкания, элементы обратной и нулевой последовательности обеспечат более чувствительную защиту от замыканий на землю при несимметричных замыканиях на землю с небольшим уровнем тока замыкания, таких как замыкания на землю с высоким импедансом в фидере.

Дифференциальная защита обсуждается в [23] и других исследованиях как подходящая для защиты фидеров, где ток короткого замыкания может иметь различную величину с характеристиками DT и IDMT с кривой ток-время, показанной на рис. 6.16. Как видно из рисунка, характеристическая кривая реле имеет два наклона для ступени с малым током замыкания, а ступень с большим током замыкания представляет собой горизонтальную линию (постоянную). Два наклона для диапазона малых токов определяются настройками смещения в процентах K1 и K2. Эта характеристика с двойным наклоном обеспечивает более высокую чувствительность при малых токах короткого замыкания и повышенную безопасность при больших токах короткого замыкания, когда трансформаторы тока могут подвергаться насыщению. Команда на отключение выдается реле, когда выполняется одно из условий в (6.5) или (6.6).

Electrocube — один из самых уважаемых производителей пассивных электрических компонентов для широкого спектра стандартных и нестандартных приложений — от аэрокосмической и аудиотехники до лифтов и тяжелого оборудования — в качестве поставщика конденсаторов, дистрибьюторов резисторов и конденсаторов и т. д. С участием. Подробнее

  • нажмите для телефона (800) 515-1112
  • Отправить электронное письмо Электронная почта отправлена
  • 5 товаров
  • Написать отзыв

Maxivolt производит и поставляет решения для измерения переходного напряжения, которые продлевают срок службы и защищают работоспособность электрического и электронного оборудования.Предотвращенные отказы оборудования и неправильная работа приводят к значительным операционным и финансовым выгодам.

Компания Tripp Lite присоединилась к семье Eaton в марте 2021 года. Eaton уже давно является лидером в области резервного питания и управления питанием. Приобретение Tripp Lite трансформирует распределенную ИТ-инфраструктуру Eaton и возможности сетевого оборудования. Сочетание сильных сторон нашей продукции и опытного персонала.

Toshiba International Corporation (TIC) является компанией группы Toshiba America Inc. (TAI), дочерней компанией Toshiba Corporation. Промышленное подразделение является мировым лидером в разработке и производстве двигателей, средств управления двигателем и силовой электроники. Мы разработали полностью.

Mersen — международная компания, производящая широкий спектр решений для защиты цепей в электротехнической промышленности. Основываясь на вековом опыте и постоянном стремлении к критическим исследованиям в области электробезопасности, он предлагает промышленным, коммерческим и OEM-клиентам.

Darrah Electric Company — производитель высококачественных источников питания постоянного тока для гальванических и отделочных работ. Darrah Electric превратилась в дистрибьютора высококачественных силовых полупроводников и лидера в области решений для преобразования энергии.

С 1987 года компания Power Clinic предоставляет надежные и оперативные возможности ремонта источников питания — линейные, импульсные, однофазные, трехфазные, ИБП, высоковольтные, AC-DC, DC-DC, программируемые — для любой топологии и приложения. вообразимый. Мы не обращаемся к другим ремонтным фирмам.

Phoenix Contact разрабатывает и производит промышленные электрические и электронные продукты, которые питают, защищают, соединяют и автоматизируют системы и оборудование.

Поиск в каталоге обеспечивает доступ к сети высококвалифицированных отраслевых поставщиков. Избавьтесь от нерелевантных результатов интернет-запросов с помощью целевого и эффективного поиска в каталоге производителей силовой электроники и найдите новых поставщиков уже сегодня!

Воспользуйтесь богатым опытом и информацией, полученной от отраслевых экспертов в Справочнике по производству силовой электроники. От списков продуктов со ссылками на страницы продуктов поставщиков до бесплатных официальных документов и загрузок пресс-релизов — вы обязательно найдете необходимую информацию.

Подключайтесь к последним отраслевым новостям и информации. Зарегистрируйтесь прямо сейчас и получите доступ к расширенным результатам поиска, просмотрите поставщиков, загрузите технические документы, получите еженедельный электронный информационный бюллетень Power Electronics Industry Directory Business Chatter и многое другое!

Справочник по силовой электронике предназначен для ключевых руководителей, занимающихся поиском поставщиков и продуктов, включая производителей автомобильных электронных систем; связь/телекоммуникации. Сетевые системы; компьютеры и периферия; бытовая электроника; офисные системы; энергосистемы заказчика; электрические приборы; заводская автоматизация. Охватите эту аудиторию, продвигая свою компанию в этом каталоге.

Читайте также: