СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ СЕТИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ ДУГОГАСЯЩИХ РЕАКТОРОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК G01R27/18 H02H9/08 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6.35 кВ и может быть использовано для точного измерения емкости фаз сети на землю с целью последующей резонансной настройки дугогасящих реакторов.

Известно большое количество способов и устройств измерения емкости сети с изолированной нейтралью и автоматической настройки дугогасящих реакторов. В большинстве практически используемых систем компенсации используется предварительная резонансная настройка компенсирующих устройств без непосредственного измерения значения емкости сети, когда дугогасящие реакторы настраиваются до момента возникновения замыкания на землю по естественному либо искусственно созданному смещению напряжения нейтрали сети. В этих случаях согласно ПУЭ необходимо вводить расстройку компенсации не менее 5% от резонанса, что снижает точность компенсации и соответственно увеличивает остаточный ток в месте замыкания. К тому же, такие способы неприменимы для новых типов дугогасящих реакторов, в частности, управляемых подмагничиванием, для которых необходима быстрая и точная настройка в резонанс после возникновения замыкания на землю по замеренному в нормальном режиме работы значению емкости сети.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью, заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения [1]. При этом используется дополнительно подключаемый на сигнальную обмотку реактора генератор синусоидального сигнала непромышленной частоты, например повышенной 100 Гц либо пониженной 16 Гц. В нормальном режиме работы сети генератор непрерывно обеспечивает смещение нейтрали, которое зависит от величины емкости фаз сети на землю и фиксируется на выходе обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Такие устройства успешно работают и обеспечивают измерение емкости сети для последующей резонансной настройки дугогасящего реактора, однако указанный способ измерения имеет ряд недостатков.

Во-первых, точность измерения емкости сети ограничена в силу ряда возмущающих факторов, в частности естественного смещения нейтрали, вызванного несимметрией емкостей фаз, а также реально существующих в сети гармоник указанных выше частот. Введение узкополосных фильтров в тракт измерения снижает, но не исключает указанных погрешностей.

Во-вторых, в таких устройствах используется резонансная настройка сравнением индуктивности дугогасящего реактора на промышленной частоте (для России - 50 Гц) с ранее замеренной емкостной проводимостью сети на непромышленной частоте, для чего необходимо проводить опыт искусственного однофазного замыкания при наладке на реальной подстанции, в процессе которого подбирают соответствующие этим частотам коэффициенты.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности способа измерения емкости сети. Указанная цель достигается тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и путем плавного изменения частоты генератора находят частоту резонанса дугогасящего реактора и емкости сети, после чего вычисляют проводимость реактора на резонансной частоте как отношение тока реактора к напряжению на нейтрали и затем получают требуемое значение проводимости реактора на промышленной частоте через отношение двух частот - промышленной частоты сети к найденной резонансной частоте.

Указанный способ основан на известных соотношениях между емкостной проводимостью сети g_c= ωC = 2πfC и индуктивной проводимостью дугогасящего реактора g_p= 1/ωL = 1/2πfL, которые зависят от частоты приложенного напряжения f. Для полной компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью должна быть обеспечена точная резонансная настройка индуктивности реактора с емкостью контура нулевой последовательности сети в режиме однофазного замыкания на промышленной частоте Х_р=Х_с или, что то же самое, g_р = g_с, откуда 1/2πfL = 2πfC, или 4π²f²LC = 1. В приведенных соотношениях С - емкость всех фаз сети на землю, L - индуктивность дугогасящего реактора, f - частота напряжения на нейтрали сети, ω - круговая частота.

Как указано ранее, в известных способах автоматической настройки дугогасящих реакторов традиционных конструкций в нормальном режиме работы сети осуществляется постоянная резонансная настройка реактора на промышленной частоте (1/2πfL = 2πfC) по максимуму естественного или искусственного напряжения смещения нейтрали, либо по фазовым характеристикам контура нулевой последовательности сети (при резонансе фазы тока и напряжения совпадают). Однако для современных управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов такой способ неприменим, поскольку они настраиваются в резонанс после возникновения однофазного замыкания, а в нормальном режиме работы сети имеют значительно более высокое сопротивление на промышленной частоте сети. Это является одним из основных преимуществ таких реакторов, поскольку в нормальном режиме работы сети отсутствуют резонансные перенапряжения и отсутствуют потери на управление (подмагничивание реактора).

Тем не менее, резонанс реактора и емкости сети возможен на соответствующей, отличной от промышленной, частоте напряжения на нейтрали сети. Если от генератора переменной частоты обеспечить достаточное для измерения смещение нейтрали порядка двух-трех процентов, то при плавном изменении частоты генератора и напряжения на нейтрали всегда, при любом переменном значении емкости сети, найдется резонансная частота, при которой 1/2πf_pL = 2πf_pC. Здесь f_р - резонансная частота, которая при неизменной и большой индуктивности реактора (при отсутствии подмагничивания) зависит только от емкости сети и, как правило, меньше промышленной частоты (при снижении частоты соответственно проводимость реактора растет, а емкости снижается).

Если таким образом реактор настроен в резонанс с емкостью сети на непромышленной частоте и эта частота зафиксирована (теми же известными способами по максимуму напряжения либо совпадению фаз тока и напряжения), то далее для определения емкости или емкостной проводимости сети существует два варианта предлагаемого способа. Во-первых, зафиксировав частоту резонанса, можно замерить проводимость реактора на этой частоте по отношению тока через реактор к напряжению смещения непромышленной частоты. После этого легко получить требуемую проводимость резонансной настройки на промышленной частоте через соотношение двух частот - промышленной и резонансной: В соответствии с полученным таким образом значением проводимости и будет настраиваться дугогасящий реактор при возникновении однофазного замыкания. Преимуществом этого варианта является то, что исходное значение индуктивности или проводимости реактора не имеет значения (поскольку производится прямое измерение его проводимости на резонансной частоте).

Сущность первого варианта изобретения состоит в том, что способ измерения емкости сети, заключающийся в создании на нейтрали сети искусственного потенциала путем введения источника непромышленной частоты и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения, отличается тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и путем плавного изменения частоты генератора находят частоту резонанса дугогасящего реактора и емкости сети, после чего вычисляют проводимость реактора на резонансной частоте как отношение тока реактора к напряжению на нейтрали и затем получают требуемое значение проводимости реактора на промышленной частоте через отношение двух частот - промышленной частоты сети к найденной резонансной частоте в соответствии с выражением на основании которого вычисляют емкость сети, где g_р50 - проводимость реактора на промышленной частоте (для России - 50 Гц), g_с50 - емкостная проводимость сети на промышленной частоте, С - емкость всех фаз сети на землю, f - частота напряжения на нейтрали сети, I - ток реактора на резонансной частоте, U - напряжение на нейтрали сети и реакторе, f_р - найденная частота резонанса емкости сети с индуктивностью реактора, f₅₀ - промышленная частота сети (для России - 50 Гц).

Во втором варианте используется вычислительный метод, когда исходная индуктивность или проводимость дугогасящего реактора на промышленной частоте известна и неизменна. В таком случае из приведенных выше соотношений 4π²f²LC = 1 или 1/2πf_pL = 2πf_pC при неизменной L емкость сети будет обратно пропорциональна квадрату резонансной частоты и равна C = 1/4π²f2p

L. Преимуществом такого способа является отсутствие необходимости измерять ток и напряжение реактора на непромышленной частоте, вычисляя и пересчитывая затем его проводимость. Достаточно зафиксировать любым известным способом частоту резонанса, возвести это значение в квадрат и взять его обратную величину (если при неизменной индуктивности реактора L ввести постоянный коэффициент к = 4π²L, то емкость С = 1/kf_р ²).

Второй вариант предлагаемого способа проще в вычислениях - надо провести всего два действия с найденным значением резонансной частоты, для чего в аналоговом варианте реализации достаточно двух умножителей. Однако он требует известного, неизменного и подходящего по соотношению с емкостью сети значения индуктивности реактора на промышленной частоте. Таким образом, сущность второго варианта предлагаемого изобретения заключается в том, что способ измерения емкости сети, заключающийся в создании на нейтрали сети искусственного потенциала путем введения источника непромышленной частоты, отличается тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и путем плавного изменения частоты генератора находят частоту резонанса дугогасящего реактора и емкости сети, после чего при известной фиксированной исходной индуктивности реактора на промышленной частоте вычисляют значение емкости сети как величину, обратно пропорциональную квадрату найденной резонансной частоты C = 1/4π²f2p

L = 1/кf2p.
Этот вариант может использоваться, например, как универсальный измеритель емкости сети даже при отсутствии на подстанции современного управляемого подмагничиванием реактора рассматриваемого типа (например, реактора серии РУОМ Раменского завода "Энергия"). В таком случае кроме генератора переменной частоты и схемы, фиксирующей наличие и частоту резонанса, необходим дополнительный трансформатор небольшой мощности на рабочее напряжение нейтрали (например, 6 кВ) с индуктивностью порядка 1 Гн. Через этот трансформатор, подключенный высоковольтной обмоткой между нейтралью сети и землей, будет подаваться напряжение смещения нейтрали переменной частоты. При этом его же индуктивность будет настраиваться в резонанс с искомой емкостью сети.

Для пояснения принципа действия на чертеже приведена одна из возможных структурных схем устройства измерения, использующего предлагаемый способ. В данном случае схема измерения емкости фаз сети на землю (С) для электрических сетей с изолированной нейтралью напряжением 6-35 кВ содержит генератор переменной частоты 1, подключенный к сигнальной обмотке дугогасящего реактора (или ко вторичной обмотке трансформатора в измерителе по второму варианту) 2. При этом дугогасящий реактор (или трансформатор) 2 включен в нейтраль сети через нейтраль типового трансформатора присоединения. С обмотки разомкнутого треугольника типового трансформатора напряжения 3 в схему определения резонанса 4 и далее в устройство управления и вычисления 5 подается напряжение смещения нейтрали. Устройство 5 связано в свою очередь по цепям управления и измерения с генератором 1. При наличии на подстанции, как правило, дугогасящего реактора с трансформатором присоединения и трансформатора напряжения основными дополнительными элементами, реализующими предлагаемый способ, являются блоки 1,4 и 5.

В нормальном режиме работы сети, когда при отсутствии однофазного замыкания реактор не подмагничен и не настроен в резонанс с емкостями сети С на промышленной частоте, от генератора 1 через вторичную обмотку реактора (трансформатора) 2 в нейтраль сети подастся напряжение переменной непромышленной частоты. В процессе сканирования (изменения) частоты генератора 1 в необходимом диапазоне (в общем случае от 0 до 100 Гц, практически - от 15 до 60 Гц) схема определения резонанса 4 по напряжению нейтрали и току от генератора 1 (или по их фазовым характеристикам) определяет момент резонанса и фиксирует резонансную частоту. После этого устройство 5 поддерживает резонансную частоту и вычисляет значения проводимости или емкости сети первым или вторым из описанных выше вариантов способа. При возникновении однофазного замыкания последнее вычисленное значение является уставкой для регулятора, обеспечивающего подмагничивание реактора в соответствии с найденным значением проводимости (емкости) сети.

Следует подчеркнуть, что на данном чертеже приведена в общем виде структурная схема одного из многих возможных вариантов реализации предлагаемого изобретения. В частности, она реализует измерение емкости сети путем ее настройки в резонанс последовательно с индуктивностью реактора (последовательный резонанс или резонанс напряжений). Если, например, через отдельный промежуточный трансформатор с высоким сопротивлением подавать напряжение смещения в нейтраль от генератора 1 при одновременном наличии дугогасящего реактора, то реактор с емкостью сети будет иметь на резонансной частоте параллельный резонанс (резонанс токов). Однако, несмотря на некоторое изменение структуры схемы и физических процессов, это не изменит существа предлагаемого способа в обоих предлагаемых вариантах.

Предлагаемые варианты способа измерения емкости сети с изолированной нейтралью были реализованы авторами в макетных образцах и проверены совместно с сетью. Испытания показали высокую точность измерения емкости и подтвердили описанные характеристики. Реализация способа не представляет затруднений как на дискретной полупроводниковой, так и на цифровой элементной базе.

Использованная литература
1. А. А. Черников. "Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью". М., "Энергия", 1974 г., с. 83-84.

Изобретение относится к устройствам компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6 - 35 кВ и может быть использовано для точного измерения емкости фаз сети на землю с целью последующей резонансной настройки дугогасящих реакторов. Предлагаемый способ измерения емкости заключается в создании на нейтрали сети искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения и отличается тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и путем плавного изменения частоты генератора находят частоту резонанса дугогасящего реактора и емкости сети, после чего вычисляют проводимость реактора на резонансной частоте как отношение тока реактора к напряжению на нейтрали и затем получают требуемое значение проводимости реактора на частоте 50 Гц через отношение двух частот - промышленной частоты сети 50 Гц к найденной резонансной частоте. Во втором предлагаемом варианте способ измерения емкости заключается в создании на нейтрали сети искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты и отличается тем, что в качестве непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и путем плавного изменения частоты генератора находят частоту резонанса дугогасящего реактора и емкости сети, после чего при известной фиксированной исходной индуктивности реактора на промышленной частоте вычисляют значение емкости сети как величину, обратно пропорциональную квадрату найденной резонансной частоты. Технический результат - повышение точности измерения емкости сети. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения емкости сети, заключающийся в создании на нейтрали сети искусственного потенциала путем введения источника непромышленной частоты и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения, отличающийся тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и путем плавного изменения частоты генератора находят частоты резонанса дугогасящего реактора и емкости сети, после чего вычисляют проводимость реактора на резонансной частоте как отношение тока реактора к напряжению на нейтрали и затем получают требуемое значение проводимости реактора на промышленной частоте через отношение двух частот - промышленной частоты сети к найденной резонансной частоте в соответствии с выражением

на основании которого вычисляют емкость сети,
где g_p50 - проводимость реактора на промышленной частоте;
g_c50 - емкостная проводимость сети на промышленной частоте;
C - емкость всех фаз сети на землю;
f - частота напряжения на нейтрали сети;
I - ток реактора на резонансной частоте;
U - напряжение на нейтрали сети и реактора;
f_p - найденная частота резонанса емкости сети с индуктивностью реактора;
f₅₀ - промышленная частота сети. 2. Способ измерения емкости сети, заключающийся в создании на нейтрали сети искусственного потенциала путем введения источника непромышленной частоты, отличающийся тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и путем плавного изменения частоты генератора находят частоту резонанса дугогасящего реактора и емкости сети, после чего при известной фиксированной исходной индуктивности реактора на промышленной частоте вычисляют значение емкости сети как величину, обратно пропорциональную квадрату найденной резонансной частоты f_p
C = 1/4π²f2p

L = 1/кf2p,
где к = 4π²L - постоянный коэффициент;
C - емкость всех фаз сети за землю;
L - индуктивность дугогасящего реактора;
f_p - найденная частота резонанса емкости сети с индуктивностью реактора.