Transformatoare capacitive de tensiune si relee de distanta - probleme si solutii

Transformatoare capacitive de tensiune si relee de distanta - probleme si solutii

1. Introducere

Transfomatoarele capacitive de tensiune sunt sursa predominanta de semnale de tensiune pentru relee de distanta in sistemele de tensiune inalta si foarte inalta.

CVT-urile furnizeaza o metoda foarte eficienta a costului de a obtine tensiuni secundare pentru sistemele EHV. Ele creeaza insa anumite probleme releelor de distanta. In timpul erorilor de linie, si tensiunea primara cade si energia stocata in capacitori si reactia de reglare a CVT trebuie sa fie disipata, CVT genereaza unde tranzitorii severe care afecteaza performantele releelor de protectie.

Regimul tranzitoriu cauzat de catre CVT sunt de magnitudine semnificativa si de lunga durata. Ele devin importanta pentru Raportul dintre impedanta si sursa cand tensiunea de eroare in bucla, de exemplu tensiunea la punctual de stabilizare folosit de catre releu pentru calcule de distante, poate fi mic chiar si de cateva procente din tensiunea nominala pentru erori la punctual de atingere a stabilitatii. Un asa semnal mic este ingropat sunt regimul tranzitoriu al CVT facandu-l dificil de distins repede intre erori la punctual de stabilizare si erorile din interiorul zonei de protectie.

Releele electromecanice se pot descurca cu aceste regimuri tranzitorii nefavorabile ale CVT datorita inertiei mecanice in detrimentul unei functionari mai lente.

Releele statice si cele cu microprocessor sunt proiectate pentru viteze mari de excursie si astfel ele pot avea anumite probleme legate de CVT.

Regimul tranzitoriu CVT poate afecta atat depasirea tranzitorie si viteaza de functionare cat si directia.

Aceasta lucrare incepe prin analiza regimului tranzitoriu CVT (Sectiunea 2). Influenta acestui regim asupra performantelor releelor digitale de distanta urmeaza (Sectiunea 3 si 4). Un nou algoritm care pune in balanta depasirea tranzitorie si viteza de operatie, implementarea partii fizice si rezultatele testelor este prezentat in sectiunea 5. Aceasta lucrare discuta probleme legate de depasirea tranzitorie apoi de directie pe masura ce mai tarziu este controlata efectiv si polarizarea memoriei.

2. CVT Tranzitoriu

2.1. Circuitul echivalent unui CVT

Un CVT este forma dintr-un divozor de tensiune capacitiv, bobina reglabila, transformator de iesire si circuit de suprimare cu fierorezonanta.

Conditiile de roare, cand tensiunea scade si nu este nici un semn ca depasire al punctului de legatura a caracetristicii de magnteizare a transformatorului de iesire, un CGt poate fi reprezentat da un circuit liniar echivalent asa cum se arata in figura 1. CVT-ul analizat contine un circuit particular de supresie cu fierorezonanta. Anailza, oricum, este similiara cu alte tipuri de circuite cu fierorezonanta. In aceasta lucrare vom urmari modleul CVT ilustrat in figura 1.

Circuitul liniar din figura 1 poate fi mai departe simplificat asa cum se arata in figura 2.

Figura 1: Diagrama circuitului echivalent CVT

Figura 2: Model CVT simplificat din figura 1

Parametrii din fig 2 sunt:

C suma capacitatilor gramada,

L,R inductanta respective rezistenta echivalenta a reactorului acordat si a transformatorului coborator de tensiune.

R₀ rezistenta la incarcare,

F indice al parametrilor circuitului anti-rezonanta.

Pentru exeplificare,in aceasta lucrare vom urmari un exemplu numeric a urmatoarelor doua modele de CVT 500kV ( toate valorile parametrilor secundari sunt recalculate pentru nivelul voltajului intermediar):

CVT-2 ( C - valoare mare CVT - suma capacitatilor la gramada sub

100 nF)

R₀ = 1.03997 10⁵ - rezistenta la incarcare,

L_f = 315.3 - inductanta reprimata, H

C_f = 0.0285 10^-6 - capacitatea reprimata, F

R_f = 77379 - rezistenta reprimata,

R = 3289 - rezistenta

C = 9.1605 10^-8 - suma capacitatilor individuale F

L = 76.136 - inductanta, H

CVT-2 ( C - valoare mare CVT - suma capacitatilor la gramada peste

100 nF)

R₀ = 2.08584 10⁵ - rezistenta la incarcare,

L_f = 616.35 - inductanta reprimata, H

C_f = 0.01134 10^-6 - capacitatea reprimata, F

R_f = 148519 - rezistenta reprimata,

R = 1536 - rezistenta

C = 0.162442 10^-6 - suma capacitatilor individuale, F

L = 48.136 - inductanta, H

2.2. CVT in regim tranzitoriu - forme de unda simple

Figurile 3 si 4 prezinta exemple de CVT care functioneaza in timpul cand are loc o greseala la intersectia dintre tensiunea zero si cea maxima. Asa cum se vede din figura, un CVT in regim tranzitoriu poate avea functionare de pana la 2 perioade si sa atinga magnitudinea pana la 40% din tensiunea nominala.

Figura 3: Exemple de regim tranzitoriu pentru valor C - CVT inalte.

Voltajul initial scade la zero in dreptul liniei marcate cu 0.

Subsectia 2.3. furnizeaza un model matematic detaliat al unui CVT care are zgomot Indus. Subsectia 2.4 discuta factorii care conrtoleaza CVT-ul in regim tranzitoriu.

2.3. Functia de transfer al unui CVT

Functia de transfer care deriva din modelul din fig 2 este:

(1)

Unde:

A₃=L_fC_fR_fR₀C;

Figura 4: Exemple de regim tranzitoriu pentru valor C - CVT inalte.

Voltajul initial scade la zero incepand cu valoarea de varf a voltajului

A₂ = L_fR₀C;

A₁ = R_fR₀C;

B₄ = L_fC_f(R_f+R₀)LC

B₃ = LCL_f+RCL_fC_f(R_f+R₀)+L_fC_fR_fR₀C

B₂ = LC(R_f+R₀)+RCL_f+L_fC_f(R_f+R₀)+L_fR₀C

B₁ = RC(R_f+R₀)+L_f+R_fR₀C;

B₀ = R_f+R₀

De exemplu pentru CVT-1 putem obtine:

(2a)

si pentru CVT-2 (exemplu de C CVT valoare mare)

(2b)

Zerourile si polii unei functii de transfer determina natura determina natura regimului tranzitoriu indus de CVT si poate fi calculate acum din functia de transfer. Pentru cele doua CVT-uri valorile absolute sunt:

pentru valoare inalta a C CVT-1

+j514.13

-j514.13

+j186.39

-j186.39

Valorile de mai sus determina doua decade oscilatorii aperiodice cu urmatoarele constante si frecvente:

T = 3.1905 [ms] si f = 81.8261 [Hz]

T = 10.3876 [ms] si f = 29.647 [Hz]

pentru cealalta valoare inalta a C CVT-2

-993.8011

-724.9701

-238.6495

-105.3577

Valorile de mai sus determina patru componente aperiodice de dc cu constante in functie de timp:

1.0062 [ms]

1.3794 [ms]

4.1902 [ms]

9.4915 [ms]

Un CVT cu C foarte mare are toate valorile reale. Acest lucru rezulta intr-o distorsiune oscilatorie aperiodica (vezi figura 5). Un CVT cu C mare are toate valorile absolute complexe (perechi conjugate) rezultand distorsiuni oscilatorii in decada (vezi figura 6).

Din punctual de vedere al procesarii digitale a semnalelor, valorile parametrilor zgomorului CVT nu face filtrarea usoara. Frecventele componentelor oscilatoare (CVT C mare) sunt foarte aproape de 60 de Hz unde se gaseste informatia semnalului. In plus, constantele lor de timp sunt in ordinea perioadei energiei. Constantele de timp a componentelor de dc (CVT C foarte mari) sunt de aceeasi ordine - acest lucru inseamna ca niciuna din aceste componente nu poate fi neglijata si trebuie un element de estimare pentru a trasa si a suprima toate componentele de dc.

Pe baza observatiilor de mai sus se justifica presupunerea urmatorului model de semnal pentru tensiunea secundara a unui CVT:

(3)

unde:

v_zgomot  = este un zgomot de frecventa inalta care include componente cu frecvente armonice si in decada,

V₁, = sunt parametrii unui fazor de frecventa fundamentala, care urmeaza sa fie estimate,

V_CVT  = este un termen trecator care la una din formele urmatoare:

(4a)

sau

(4b)

sau

(4c)

Ecuatia 4 inseamna ca regimul tranzitoriu undus unui CVT poate fi:

combinatii de patru componente de dc aperiodice pe decada

combinatii de doua componente oascilatoare pe decada

combinatie de o singura componente oscilatorie pe decada si doua componente de dc aperiodice pe decada

In mod sigur, paramterii semnalului tensiunii sunt cunoscuti. Exemplul numeric prezentat poate fi folosit ca indicatie a domeniului relatiilor dintre constantele de timp si frecvente. Magnitudinea si ungiurile depinde de conditiile de inainte de eroare si de unghiul de incepere a erorii.

In mod ideal, modelul de semnal (3)-(4) trebuie sa fie folosit sa fie proiectat fie un filtru fie un fazor estimator pentru semnalul de tensiune pentru un releu digital de distanta.

2.4. CVT in regim tranzitoriu - factorii care contribuie

Relatiile matematice date de catre modelul de semnal a CVT-ului cu zgomot au urmatoarele explicatii.

Pe masura ce CVT genereaza regim tranzitoriu rezultat din energia stocata in capacitori si de bobina reglabila, regimul tranzitoriu este controlat practic de catre parametrii CVT si de punctele de pe unda la care are loc eroarea.

Bobina de compensare este reglata de catre fabricantul CVT-ului pentru a asigura schimbare de faza zero intre tensiunile primare si cele secundare, si din aceasta perspectiva, inductanta bobinelor este o valoare constanta dependenta numai de capacitatile folosite pentru a stabili divizorul.

Parametrii de suntare a transformatorului de iesire nu contribuie in mod practic la regimul tranzitoriu al CVT-ului in timpul conditiilor de eroare atunci cand cade tensiunea.

Ca o consecinta, regimul tranzitoriu este de fapt controlat de catre urmatorii factori:

• Suma capacitatilor gramada
• Forma si parametrii circuitelor de supresie cu fierorezonanta
• Sarcina/incarcarea CVT-ului
• Intersectie pe sinusoida atunci cand apare o eroare.

Figura 5: Comparatie intre zgomotul CVT la un semnal jos de 60 Hz pentru o valoare foarte inalta a CVT C

Figura 6: Comparatie intre zgomotul CVT la un semnal jos de 60 Hz pentru o valoare inalta a CVT C

Suma capacitatilor gramada

Cu cat suma acestor capacitati este mai mare, cu atat este mai mica magnitudinea regimului tranzitoriu. Astfel, judecand numai dupa magnitudinea regimului tranzitoriu al CVT-ului, se recomanda ca sa fie folosite CVT-urile cu suma capacitatilor foarte mare pentru a alimenta releele de distanta cu semnale de tensiune.

Pe de alta parte, CVT-urile cu capacitori mai mari sunt mai scumpi. De asemenea, comportamentul unui releu de distanta depinde de filtrarea aplicata si de algoritmul de masurare. In multe exemple magnitudinea unui CVT este de importanta secundara pentru depasirearegimului tranzitoriu si de viteza defunctionare.

In mod tipic, suma capacitatilor este in domeniul a 100nF. Din aceasta perspective, CVT-urile sunt clasificate ca "normal C", "C inalta", si "C foarte mare". Valorile de parg sunt mai degraba de tip fuzzy. De exemplu, CVT-1 folosite in aceasta lucrare are suma capacitatilor de 91,6nF, in timp ce CVT-2 au suma de 162,4nF.

Cand testam releele de distanta trebuie sa avem in consideratie un model CVT ci C mare prima data. Este, oricum, necesar sa testam un releu dat folosind tipuri diferite de CVT-uri pe masura ca numai magnitudiea singura a unui regim tranzitoriu CVT poate fi de importanta secundara pentru unii algoritmi.

Circuitele de supresie cu fierorezonanta

Un circuit de supresie cu fierirezonanta este proiectat pentru a preveni oscilatuiile subsincrone datorita saturatiei miezului transfomatorului de iesire in timpul conditiilor de supratensiune. Acest tip de circuit incarca un CVT si creeaza o cale in plus - diferita de cea de sarcina - pentru a disipa energia. Astfel, circuitul de amortizare are un impact semnificativ asupra caracteristicii regimului tranzitoriu al CVt-ului.

Un design specific al unui circuit de amortizare cu fierorezonanta este deja tratata ca o proprietate informationala si este disponibila. Oricum, sunt doua modele de circuite de supresie cu fierorezonanta care vor fi luate in consideratie.

Un model consta dintr-un resistor in serie cu o ramura paralela LC. Subcircuitul LC este reglat la frecventa nominala si se comporta ca un circuit deschis la frecvente nominale. Sub frecventele ne-nominale circuitul LC traseaza un curent iar energia se disipa in rezistorul serie. Ne vom referi la a acest filtru RLC ca fiind un circuit de supresie cu fierorezonanta ca TIP 1 (uneori este numit un circuit active supresor).

Alt model foloseste un resistor si o bobina saturate conectate impreuna cu o flashover air gap (xxx cu gol de aer !). Circuitul RL adauga sarcina CVT-ului in mod permanent. In plus, inductorul se satureaza la aproximativ 150% din tensiunea nominala. Golul de aer se poate active dincolo de acel nivel de insertie si se adauga inca un resistor in circuit pentru a furniza mai multa amortizare. Ne vom regeri la acest circuit anti-rezonanta ca fiind un circuit de supresie cu fierorezonanta de tipul 2.

Ca o regula, CVT-ul cu un circuit de tipul 2 are o iesire de tensiune mai putin distorsionata.

Daca sunt cunoscute detaliile circuitului de supresie cu fierorezonanta, trebuie sa consideram mai multe cazuri si sa presupunem ca circuitul cu fierorezonanta de tip 1 cand testam relee de distanta.

Sarcina/incarcarea CVT

Sarcina unui CVT este o cale de disipare pentru energia acumulata in circutiul CVT .Astfel, sunt obtinute performante mai bune ale CVt-ului atunci cand aceste este incarcat complet.

Releele electromecanice pot incarca CVt-uri datorita sarcinii lor foarte mari. Releelr digitale in schimb, creeaza o sarcina foarte mica in comparative cu sarcina care ale legatura cu CVT-ul (100-400VA). Astfel, cand se foloseste relee digitale se recomanda ca CVT-ul sa fie complet incarcat, folosind incaracre artificiala daca este nevoie, pentru a evita regimul tranzitoriu extensiv.

Cand se testeaza releee de distanta trebuie sa luam in consideratie nu numai sarcina unui CVT, dar si releele de distanta cu CVT-urile care functioneaza cu incarcari mici.

Unghiul de start al erorii

Cele mai severe regimuri tranzitorii sunt generate atunci cand are loc o eroare la intersectia zero a tensiunii primare (compara figurile 3 si 4). Energia acumulata este ca si un rezultat maxim in magnitudini mai mari ale componentelor de regim tranzitoriu. Cele mai putin severe regimuri tranzitorii au loc in timpul erorilor initiate la punctual maxim de pe unda.

Dintr-un punct statistic de vedere erorile apar mai deseori la tensiuni deajuns de mari pentru a initia caderea dei izolare. Oricum ,cand se testeaza relee de distanta nu trebuie sa neglijam erorile initiate la intersectia de zero (originea) pe masura ce au loc cand are loc comutarea pe o eroare.

2.5. Regimul trabzitoriu CVT si SIR mare

Regimul tranzitoriu CVT poate creea probleme drastice pentru releele de distanta in conjunctura cu SIR mare.

Considerand erorile foarte mari ca ajunse la punctual de depasire putem aproxima tensiunea la locul de stabilizare folosind urmatoarea ecuatie:

(5)

Folosind ecuatia de mai sus Tabela 2 ne da magnitudinea tensiunii pentru un domeniu al SIR. Pe masura ce SIR creste tensiunea de eroare ajunsa la punctul de intrerupere scade catre valori foarte mici. Magnitudinea regimului tranzitoriu al unui CVT, in schimb, ramane constant deoarece energia acumulata in CVT este o functie de tensiunea de pre-eroare.