СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ ДУГОГАСЯЩЕГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК H02J3/18 

Предлагаемое 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 ожидаемого емкостного тока замыкания на землю и последующей резонансной настройки дугогасящих реакторов (ДГР) в момент возникновения замыкания.

Известно большое количество способов и устройств автоматической настройки дугогасящих реакторов [1] . В большинстве практически используемых систем компенсации используется предварительная резонансная настройка компенсирующих устройств без непосредственного измерения емкостных параметров сети, когда дугогасящие реакторы настраиваются до момента возникновения замыкания на землю по естественному либо искусственно созданному смещению напряжения нейтрали сети.

В этих случаях увеличивается вероятность резонансных перенапряжений и, 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 ожидаемого емкостного тока сети.

Наиболее близким к предлагаемому является способ автоматической настройки дугогасящего реактора, включенного в нейтраль питающего трансформатора, заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала непромышленной частоты путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты, отличающийся тем, что измеряют емкостное сопротивление контура на непромышленной частоте, а в момент возникновения однофазного замыкания на землю запоминают емкостное сопротивление контура, отключают источник непромышленной частоты и осуществляют резонансную настройку реактора в замкнутом контуре автоматического регулирования путем сравнения ранее зафиксированного емкостного сопротивления и текущего сопротивления реактора, определяемого по току реактора и напряжению нейтрали на частоте сети [2].

При этом используется дополнительно подключаемый на сигнальную обмотку реактора генератор синусоидального сигнала непромышленной частоты, например, пониженной 16,6 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. В момент возникновения замыкания устройство переходит из режима измерения в режим автоматической настройки реактора, обеспечивая точную компенсацию сравнением на входе пропорционально-интегрального регулятора замкнутого контура ранее вычисленного значения емкостного сопротивления сети с текущим индуктивным сопротивлением дугогасящего реактора.

Такие устройства успешно работают и обеспечивают точную резонансную настройку современных дугогасящих реакторов, управляемых подмагничиванием. Однако указанный способ имеет ряд недостатков.

Во-первых, область применения указанного способа и устройства ограничена в целом ряде типовых схем и режимов, в частности, при наличии параллельно включенных дугогасящих реакторов (нерегулируемых - "базовых") или при подключении на параллельную работу соседней секции шин со своим дугогасящим реактором. Это вызвано существенным снижением уровня ответного сигнала источника непромышленной частоты на параллельных индуктивностях реакторов, обладающих малым сопротивлением на пониженной частоте.

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 (16,6 Гц), для чего необходимо проводить опыт искусственного однофазного замыкания при наладке на реальной подстанции, в процессе которого подбирают соответствующие этим частотам коэффициенты.

В-третьих, использование этих устройств автоматической настройки исключает возможность повышения быстродействия настройки современных управляемых ДГР, в частности, за счет их предварительного (до возникновения замыкания) подмагничивания стабилизированным током величиной, существенно меньшей (на порядок), чем требуется для полной настройки в резонанс с емкостью сети. При этом, сохраняя условия значительной расстройки компенсации в нормальном режиме, ДГР выходит на режим точной компенсации при замыкании за время менее 1 периода частоты сети. Однако при этом малое собственное сопротивление ДГР на пониженной частоте практически исключает использование генератора 16,6 Гц.

В четвертых, существующие устройства не производят непосредственное измерение ожидаемого емкостного тока сети при замыкании на землю (что и необходимо для контроля оперативным персоналом), а лишь отслеживают соотношение текущего емкостного сопротивления сети и индуктивного сопротивления реактора при возникновении замыкания.

Все эти недостатки можно исключить, если в качестве источника непромышленной частоты использовать генератор переменной частоты (с диапазоном изменения от 20 до 80 Гц) и, сканируя им сеть, найти частоту резонанса реакторов с емкостью сети. Поскольку при найденном резонансе текущей емкости сети как с подмагниченным реактором, так и с параллельным "базовым", потребление генератора минимально, а ответный сигнал с нейтрали сети максимален, указанные выше проблемы исключаются. При этом из простых соотношений, как это показано ниже, определяется ожидаемый ток замыкания на промышленной частоте и исключается тем самым необходимость проведения опыта искусственного однофазного замыкания при настройке на подстанции.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа и обеспечение универсальности применения устройств на его основе, повышение быстродействия и точности настройки компенсации во всех возможных режимах работы сети, а также упрощение процесса наладки на подстанциях.

Указанная цель достигается тем, что дугогасящий реактор подмагничивают стабилизированным током величиной существенно ниже необходимой для его резонансной настройки, в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и измеряют величину ожидаемого емкостного тока однофазного замыкания на землю сканированием нейтрали сети генератором переменной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора, нахождением частоты резонанса индуктивности реактора и текущей емкости сети на землю на непромышленной частоте, и последующим вычислением величины ожидаемого емкостного тока металлического однофазного замыкания на землю по формуле:

где I_зам - ожидаемый емкостной ток при металлическом однофазном замыкании на землю;
I_дгр - известная величина тока управляемого дугогасящего реактора на данной секции шин;
I_баз - известная величина тока параллельно включенного нерегулируемого базового реактора (при его отсутствии это значение равно нулю);
f₅₀ - номинальная промышленная частота сети (для России 50 Гц);
f_p - найденная частота резонанса индуктивности подключенных реакторов с текущей емкостью сети на землю.

Указанный способ основан на том, что при резонансе параллельно включенных емкости и индуктивности их сопротивления X_c = 1/ωC = 1/2πfC и X_p = ωL = 2πfL равны (X_р=X_с), напряжение на них максимально, а ток источника минимален (теоретически равен нулю). 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, откуда
2πfL = 1/2πfC,
a C = 1/4π²f²L,
где 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 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 при коммутациях и других возмущениях.

Тем не менее, резонанс реактора и емкости сети возможно получить и зафиксировать 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 изменении частоты генератора в требуемом диапазоне всегда, при любом переменном значении емкости сети, найдется резонансная частота, при которой 2πf_pL = 1/2πf_pC. Здесь f_p - резонансная частота, которая при неизменной и большой индуктивности реактора (при отсутствии подмагничивания или при незначительном подмагничивании) зависит только от емкости сети и как правило меньше промышленной частоты (при снижении частоты, соответственно, сопротивление емкости растет, а реактора снижается).

Если таким образом реактор настроен в резонанс с емкостью сети на непромышленной частоте, и эта частота зафиксирована (известными способами по максимуму напряжения на нейтрали, минимуму тока генератора либо совпадению фаз тока и напряжения), то далее для определения ожидаемого емкостного тока замыкания от ранее полученного выражения для емкости сети C = 1/4π²f2p

L необходимо перейти к току, умножив емкость на напряжение и круговую частоту:
I_зам = UωC = 2πf₅₀U/4π²f2pL,
откуда после умножения числителя и знаменателя на 2πf₅₀ и с учетом, что в схеме могут присутствовать два реактора, получаем

где токи реакторов на промышленной частоте известны.

Далее при возникновении однофазного замыкания на землю достаточно сохранить последнее замеренное значение тока и настроить в соответствии с ним ДГР регулятором в замкнутом контуре автоматического регулирования. При этом быстродействие настройки компенсации обеспечивается указанной выше величиной тока предварительного подмагничивания, а в случаях замыкания на землю через переходные сопротивления уставка регулятора корректируется в соответствии с отношением реального напряжения на нейтрали и номинального фазного напряжения сети.

Таким образом, сущность изобретения состоит в том, что способ автоматической настройки дугогасящего реактора, включенного в нейтраль питающего трансформатора, заключающийся в создании на нейтрали сети в нормальном режиме ее работы искусственного потенциала непромышленной частоты путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты и измерении параметров контура нулевой последовательности сети на непромышленной частоте, а в момент возникновения однофазного замыкания на землю - запоминании результата измерения, отключении источника непромышленной частоты и резонансной настройке дугогасящего реактора в замкнутом контуре автоматического регулирования путем сравнения ранее измеренных параметров сети с текущими параметрами реактора на частоте сети, отличается тем, что дугогасящий реактор подмагничивают стабилизированным током величиной существенно ниже необходимой для его резонансной настройки.

В качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и измеряют величину ожидаемого емкостного тока однофазного замыкания на землю сканированием нейтрали сети генератором переменной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора, нахождением частоты резонанса индуктивности реактора и текущей емкости сети на землю на непромышленной частоте, и последующим вычислением величины ожидаемого емкостного тока металлического однофазного замыкания на землю по формуле:

где I_зам - ожидаемый емкостной ток при металлическом однофазном замыкании на землю;
I_дгр - известная величина тока управляемого дугогасящего реактора на данной секции шин;
I_баз - известная величина тока параллельно включенного нерегулируемого базового реактора (при его отсутствии это значение равно нулю);
f₅₀ - номинальная промышленная частота сети (для России 50 Гц);
f_p - найденная частота резонанса индуктивности подключенных реакторов с текущей емкостью сети на землю.

Затем при возникновении однофазного замыкания автоматическую настройку дугогасящего реактора осуществляют регулятором путем сравнения уставки, соответствующей ранее измеренному емкостному току сети, с текущим значением тока управляемого дугогасящего реактора по обратной связи от встроенного в реактор трансформатора тока, при этом ускорение выхода управляемого реактора на требуемое значение тока компенсации обеспечивают его предварительным подмагничиванием, а переходные сопротивления при неметаллическом замыкании учитывают путем коррекции уставки по току в соответствии с отношением текущего значения напряжения на нейтрали сети в режиме замыкания к его номинальному фазному значению по следующей формуле:

где I_уст - уставка по току регулятора управляемого дугогасящего реактора;
U_нтек - текущее напряжение на нейтрали сети в режиме однофазного замыкания на землю;
U_фаз - номинальное фазное напряжение сети, соответствующее смещению нейтрали сети при однофазном металлическом замыкании на землю.

Для пояснения принципа действия на чертеже приведена одна из возможных функциональных схем устройства, использующего предлагаемый способ. В данном случае схема содержит электрическую сеть с изолированной нейтралью напряжением 6-35 кВ, подключенный к ее нейтрали через питающий трансформатор 2 дугогасящий реактор 1 с сигнальной обмоткой и встроенными трансформатором тока и преобразователем тока подмагничивания (ПТ), емкости фаз сети на землю 3, трансформатор напряжения с обмоткой "открытый треугольник" 4, генератор переменной частоты 5, подключенный к сигнальной обмотке дугогасящего реактора через блок блокировки 6. С обмотки разомкнутого треугольника типового трансформатора напряжения 4 через блок измерения 7 в схему определения частоты резонанса 8 и далее в блок деления и вычисления тока 9 подается напряжение смещения нейтрали. С выхода блока 9 вычисленное значение тока замыкания подается в блок долговременной памяти 10 и далее на вход пропорционально-интегрального регулятора 11, вторым входом которого является информация от встроенного в реактор трансформатора тока через блок сопряжения 13. Выходной управляющий сигнал регулятора через блок формирования управляющих импульсов 12 поступает на встроенный преобразователь ПТ реактора, с которым связан также блок предварительного подмагничивания 14.

Приведенная на чертеже схема работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети при отсутствии однофазного замыкания реактор 1 подмагничивается стабилизированным током от блока 14, и схема находится в режиме измерения ожидаемого емкостного тока замыкания на землю. При этом от генератора 5 через блок 6 и сигнальную обмотку реактора 1 в нейтраль сети подается напряжение переменной непромышленной частоты. В процессе сканирования (изменения) частоты генератора 5 в необходимом диапазоне (в общем случае от 10 до 100 Гц, практически - от 20 до 60 Гц) схема определения резонанса 8 по напряжению нейтрали и току от генератора 5 (или по их фазовым характеристикам) определяет момент резонанса и фиксирует резонансную частоту.

После этого блок 9 вычисляет значение ожидаемого тока по соответствующей формуле. При возникновении однофазного замыкания последнее вычисленное значение является уставкой для регулятора 11, обеспечивающего подмагничивание реактора через блок 12 в соответствии с найденным значением емкостного тока сети, откорректированным в соответствии со второй формулой в блоке 10.

При возникновении замыкания генератор 5 отключается от сигнальной обмотки реактора блоком 6, последнее значение емкостного тока запоминается блоком 10. Одновременно на БФУИ 12 от ПИ-регулятора 11 поступает сигнал управления, соответствующий рассогласованию между измеренным ранее током сети и текущим током реактора, получаемым с выхода блока 13. В первый же момент времени после замыкания ток реактора благодаря предварительному подмагничиванию устанавливается близким к номинальному, а остаточное рассогласование сводится к нулю ПИ-регулятором соответствующим углом открытия тиристоров встроенного преобразователя ПТ, обеспечивая тем самым скорейший выход реактора в резонансный режим. По достижении требуемого значения тока реактора, равного зафиксированному ранее току емкостного контура сети, сигнал рассогласования на ПИ-регуляторе становится нулевым и далее поддерживаются параметры резонансной настройки до исчезновения или ликвидации персоналом однофазного замыкания.

При замыканиях через переходные сопротивления, когда напряжение смещения нейтрали меньше фазного, соответственно меньше будут напряжение на реакторе и его рабочий ток, поддерживаемый замкнутым контуром регулирования таким образом, чтобы сохранить резонансную настройку по откорректированной уставке. После устранения замыкания и снижения напряжения смещения нейтрали ниже заданной уставки блок 6 с выдержкой времени возвращает схему в исходное состояние для замера текущих значений емкостного тока сети.

Реализация устройств автоматической настройки компенсации с применением описанного способа дает целый ряд преимуществ по сравнению с прототипом:
1. Возможность автоматической настройки ДГР при наличии параллельно базового реактора.

2. Возможность работы с реактором, подмагниченным в нормальном режиме работы сети.

3. Возможность продолжения измерения тока замыкания при параллельной работе секций.

4. Повышение быстродействия выхода на режим компенсации за счет подмагничивания.

5. Упрощение наладки на объекте без проведения опыта однофазного замыкания.

Следует подчеркнуть, что на чертеже приведена в общем виде схема лишь одного из многих возможных вариантов реализации предлагаемого изобретения. В частности, можно отказаться от использования трансформатора напряжения, используя вместо этого информацию со вторичных обмоток ДГР. При реализации способа на цифровой элементной базе ряд функциональных блоков схемы может быть совмещен или заменен программной реализацией. Частоту резонанса, как уже отмечалось, можно находить разными способами - по соответствующему максимуму напряжения на нейтрали сети, по минимуму тока от генератора или по совпадению соответствующих фаз тока и напряжения. В свою очередь, максимум напряжения на нейтрали или минимум тока от генератора можно искать в процессе плавного изменения частоты генератора во всем диапазоне или методом "золотого сечения", что ускоряет процесс.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа являются:
- использование генератора переменной частоты для поиска резонанса реактора с емкостью сети на частоте, отличной от промышленной,
- подмагничивание ДГР в нормальном режиме стабилизированным током заданной величины, обеспечивающей необходимый диапазон резонансной частоты, отличной от промышленной, а также повышение быстродействия при автоматической настройке реактора,
- непосредственное измерение (и возможность индикации для персонала) ожидаемого тока замыкания, что позволяет также упростить наладку на подстанции,
- регулирование реактора в режиме замыкания с обратной связью по току и коррекцией уставки в соответствии с реальным напряжением на нейтрали.

Предлагаемый способ реализован автором в макетных образцах и проверен совместно с сетью. Испытания подтвердили описанные характеристики и функциональные возможности. Реализация способа не представляет затруднений как на дискретной полупроводниковой, так и на цифровой элементной базе.

Источники информации
1. А. А. Черников. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью. - М.: Энергия, 1974, с.83-84.

2. Патент РФ 2130677. Брянцев А.М., Долгополов А.Г. Способ автоматической настройки дугогасящего реактора и устройство для его осуществления. Опубл. БИ 14, 1999.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ путем воздействия на индуктивность и ток дугогасящего реактора, включенного в нейтраль питающего трансформатора, в соответствии с ранее измеренным ожидаемым емкостным током замыкания. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и способа обеспечения универсальности применения устройств на его основе, повышение быстродействия и точности настройки компенсации во всех возможных режимах работы сети. Для этого управляемый дугогасящий реактор подмагничивают стабилизированным током величиной существенно ниже необходимой для его резонансной настройки, в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и измеряют величину ожидаемого емкостного тока однофазного замыкания на землю сканированием нейтрали сети генератором переменной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора, нахождением частоты резонанса индуктивности реактора и текущей емкости сети на землю на непромышленной частоте, и последующим вычислением величины ожидаемого емкостного тока металлического однофазного замыкания на землю через квадрат отношения частоты сети к найденной частоте резонанса. 1 ил.

Способ автоматической настройки дугогасящего реактора, включенного в нейтраль питающего трансформатора, заключающийся в создании на нейтрали сети в нормальном режиме ее работы искусственного потенциала непромышленной частоты путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты и измерении параметров контура нулевой последовательности сети на непромышленной частоте, а в момент возникновения однофазного замыкания на землю - запоминании результата измерения, отключении источника непромышленной частоты и резонансной настройке дугогасящего реактора в замкнутом контуре автоматического регулирования путем сравнения ранее измеренных параметров сети с текущими параметрами дугогасящего реактора на частоте сети, отличающийся тем, что дугогасящий реактор подмагничивают стабилизированным током величиной существенно ниже необходимой для его резонансной настройки, в качестве источника непромышленной частоты используют генератор переменной частоты и измеряют величину ожидаемого емкостного тока однофазного замыкания на землю сканированием нейтрали сети генератором переменной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора, нахождением частоты резонанса индуктивности дугогасящего реактора и текущей емкости сети на землю на непромышленной частоте, и последующим вычислением величины ожидаемого емкостного тока металлического однофазного замыкания на землю по формуле

где I_зам - ожидаемый емкостной ток при металлическом однофазном замыкании на землю;

I_дгр - известная величина тока дугогасящего реактора на данной секции шин;

I_баз - известная величина тока параллельно включенного нерегулируемого базового дугогасящего реактора (при его отсутствии это значение равно нулю);

f₅₀ - номинальная промышленная частота сети (для России 50 Гц);

ƒ_р - найденная частота резонанса индуктивности подключенных упомянутых дугогасящих реакторов с текущей емкостью сети на землю;

а затем при возникновении однофазного замыкания автоматическую настройку дугогасящего реактора осуществляют регулятором путем сравнения уставки, соответствующей ранее измеренному емкостному току сети, с текущим значением тока дугогасящего реактора по обратной связи от встроенного в дугогасящий реактор трансформатора тока, при этом ускорение выхода дугогасящего реактора на требуемое значение тока компенсации обеспечивают его предварительным подмагничиванием, а переходные сопротивления при неметаллическом замыкании учитывают путем коррекции уставки по току в соответствии с отношением текущего значения напряжения на нейтрали сети в режиме замыкания к его номинальному фазному значению по следующей формуле:

где I_уст - установка по току регулятора дугогасящего реактора;

U_{н тек} - текущее напряжение на нейтрали сети в режиме однофазного замыкания на землю;

U_фаз - номинальное фазное напряжение сети, соответствующее смещению нейтрали сети при однофазном металлическом замыкании на землю.