УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ С СИММЕТРИРОВАНИЕМ ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ СЕТИ Российский патент 2020 года по МПК H02H9/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно: к устройствам, предназначенным для автоматической компенсации емкостных токов в распределительных электрических сетях 6-35 кВ с установленными плавнорегулируемыми дугогасящими реакторами.

Известны устройства настройки компенсации емкостных токов, содержащие измерительный орган на основе датчика напряжения смещения нейтрали и амплитудного или фазного детектора, воздействующего на блок управления индуктивностью дугогасящего реактора (ДГР) в цепи заземления нейтрали распределительной сети. В этих устройствах настройка компенсации осуществляется с использованием информационных координат, отображающих расхождение напряжения смещения нейтрали сети и фазового угла этого напряжения относительно зафиксированных в режиме резонансной настройки указанных параметров. В результате, настройка сводится к поддержанию во время нормальной работы сети максимальной амплитуды напряжения смещения нейтрали и (или) ее фазы относительно определенного опорного вектора (Вильгельм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. - М.: Госэнергоиздат, 1959, 416 с.; патент RU №2455742, МПК Н02Н 9/00, опубл. 10.07.2012).

Функционирование устройства полностью зависит от естественного источника напряжения несимметрии, которое, в зависимости от вида линий, конфигурации сети, величины расстройки контура может изменяться в больших пределах и является самым нестабильным параметром сети. В симметричных кабельных сетях, где напряжение несимметрии приблизительно равно нулю, требуется дополнительное энергоемкое оборудование, чтобы обеспечить искусственную несимметрию сети.

Недостатками указанных устройств автоматики является потребность в постоянном естественном смещении нейтрали, а в сетях с малым смещением нейтрали для исключения или снижения влияния небалансов параметров элементов сети и расширения области устойчивой работы автоматики требуется введение в сеть дополнительного искусственного смещения и применения оборудования для обозначенной цели. Недостатком смещения нейтрали является усиленный износ фазной изоляции сети, находящейся под большим напряжением и повышенная вероятность возникновения однофазных замыканий на землю вследствие асимметрии фазных напряжений сети и снижения надежности электроснабжения в целом (Миронов И. Дугогасящие реакторы 6-35 кВ. Автоматическая компенсация емкостного тока // Новости Электротехники. - 2007. - №5(47). - С. 56-59).

Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности (новизна, изобретательский уровень).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является реализация устройства автоматической компенсации с симметрированием фазных напряжений электрической сети, расширение области применения, повышение надежности электроснабжения.

Технический результат достигается тем, что устройство автоматической компенсации емкостных токов с симметрированием фазных напряжений электрической сети, содержащее присоединительный трансформатор и управляемый дугогасящий реактор, рабочая обмотка которого включена между нейтральным выводом трансформатора и «землей», отличающийся тем, что к одной из вторичных обмоток реактора, посредством токоограничивающего элемента, подключен охваченный отрицательной обратной связью усилитель мощности, выходной сигнал которого, пропорциональный величине напряжения смещения нейтрали, подается на блок автоматики, включающий амплитудно-фазовый детектор, блок уставок, устройство управления двигателем, причем, включение двигателя привода управляемого дугогасящего реактора производится при превышении расстройки компенсации, выраженной фазовым углом между векторами выходного напряжения усилителя и опорного напряжения U_оп, а выключение - при достижении максимума напряжения на выходе усилителя или заданного уставкой значения упомянутого фазового угла, соответствующих резонансной настройке контура нулевой последовательности сети.

В другом варианте сигнал обратной связи снимается со вторичной обмотки дополнительного трансформатора, подключенного параллельно с рабочей обмоткой ДГР.

Предложенное техническое решение характеризуется новой ранее неизвестной совокупностью признаков и может быть признано изобретением.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства автоматической компенсации емкостных токов с симметрированием фазных напряжений электрической сети с подключением устройства симметрирования к вторичной обмотке ДГР. Штрихпунктирной линией указаны подключения ОС 4 при использовании вторичной обмотки ДГР и вторичной обмотки измерительного трансформатора TV1, соединенной по схеме «разомкнутый треугольник» для решения задачи симметрирования фазных напряжений.

К распределительной электрической сети с соответствующими емкостями фаз относительно земли и сопротивлениями утечек, через нейтралеобразующий трансформатор - фильтр, заземляющий ФЗ и разъединитель QR подключен дугогасящий реактор 1. На вторичной (сигнальной) обмотке реактора наводится напряжение, пропорциональное напряжению смещения нейтрали сети, обусловленного емкостью несимметрии АСА и параметрами КНП и числу витков W_сигн. К верхнему выводу, по схеме, обмотки W_сигн подключены цепь обратной связи 4 (ОС) и выход токоограничивающего элемента 3, между входом которого и ОС включен усилитель мощности 2. Усилитель включен таким образом, что на любое возмущение, возникающее на выводах сигнальной обмотки, создается уравновешивающий сигнал, противоположный по знаку и равный по значению. В результате, на выводах сигнальной обмотки, при любых возмущениях в нейтрали сети или наличии асимметрии фазных напряжений сохраняется нулевое напряжение. При этом падение напряжения на токоограничивающем элементе определяется величиной выходного тока усилителя мощности, противоположного по знаку (направлению) тока сигнальной обмотки и сопротивлением элемента 3. Выходной сигнал усилителя мощности 2 подается на входы фазового 5 и амплитудного 6 детекторов блока автоматики БА устройства. На второй вход фазового детектора 5 подается опорное напряжение с заданными параметрами - величиной напряжения и фазового угла, в качестве которого может быть вторичное фазное или линейное напряжение сети. Блок уставок служит для задания параметров БА, при превышении которых происходит срабатывание исполнительного устройства 7 и включение двигателя привода плунжера 9 для настройки контура нулевой последовательности, образованной индуктивностью ДГР 1 и емкостями фазной изоляции на режим резонансной или заданной уставками режим настройки. Для повышения селективности автоматики в кабельных сетях с высокой степенью естественной несимметрии вводится искусственное смещение посредством подачи токового сигнала от постороннего источника через элемент 10 (11 на фиг. 2) и выключатель 11 (12 на фиг. 2) в дополнительную обмотку ДГР.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии дугогасящее устройство настроено на компенсацию емкостных токов всех действующих ответвлений распределительной сети. Напряжение на выходе усилителя 2 имеет максимальное значение, а фазовый угол между векторами указанного и опорного напряжений - соответствующее значению этого угла для данной конфигурации сети. Последние измеренные значения параметров - значения напряжения на выходе усилителя 2 и фазового угла хранятся в памяти БА. При переключениях в сети, связанных с изменением конфигурации, происходит расстройка компенсации и изменение напряжения на выходе элемента 2 и фазового угла. При превышении этих параметров относительно сохраненных в памяти заданные уставкой значения, устройство управления двигателем 7 вырабатывает сигнал на включение двигателя 9 для уменьшения возникшей расстройки. При этом предпочтительным алгоритмом управления является включение исполнительного механизма регулирования индуктивности ДГР отклонение величины расстройки выше заданного уставками значения, а выключение - при достижении величины выходного напряжения усилителя 2 максимального значения, который соответствует резонансной настройке контура.

Примером, показывающим возможность осуществления изобретения, является работа опытного образца системы компенсации емкостных токов с активным симметрированием фазных напряжений на основе многозазорных управляемых реакторов на подстанции "Волна" филиала ОАО "Сетевая компания" - Приволжские электрические сети Республики Татарстан.

Предложенное устройство автоматической компенсации емкостных токов позволяет достаточной степенью точности осуществлять настройку контура во всем диапазоне регулирования индуктивного тока реактора с симметрированием фазных напряжений электрической сети с воздушными, кабельными и смешанными линиями электропередачи.

При этом, в качестве токоограничивающего элемента 3 предпочтительно применить элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой - бареттер (лампу накаливания) или катушку индуктивности.

Заявленное техническое решение соответствует требованиям промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий.

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение несимметрии фазных напряжений сети относительно сети, поддержание резонансной настройки КНП в сетях с воздушными, кабельными и смешанными линиями и повышение надежности электрооборудования. Устройство автоматической компенсации включает блок симметрирования фазных напряжений (СФН), состоящий из усилителя мощности, токоограничивающего элемента и цепи обратной связи, и блок автоматики управления приводом ДГР, включающий амплитудно-фазовый детектор, блок уставок, устройство управления двигателем ДГР для поддержания резонансной настройки контура нулевой последовательности (КНП) сети при изменении ее поперечной фазной проводимости. Посредством вторичной обмотки ДГР или трансформатора, подключенного параллельно с ДГР, подключается блок СФН, выходной сигнал усилителя мощности, пропорциональный величине смещения нейтрали служит информационной координатой блока автоматики управления привода ДГР, регулированием его индуктивности добиваются настройки КНП на резонансный режим компенсации емкостных токов замыкания на землю в распределительной сети. Применение устройства позволяет поддерживать резонансный режим компенсации в сети с симметрированием фазных напряжений сети в широкой полосе частот, что особенно важно в сетях с воздушными линиями, с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена, имеющих высокую добротность, а также в сетях, имеющих потребителей с оборудованием нелинейной нагрузкой. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство автоматической компенсации емкостных токов в электрической сети, содержащее присоединительный трансформатор и управляемый дугогасящий реактор, рабочая обмотка которого включена между нейтральным выводом трансформатора и «землей», отличающееся тем, что к одной из вторичных обмоток реактора, посредством токоограничивающего элемента, подключен охваченный отрицательной обратной связью усилитель мощности, выходной сигнал которого, пропорциональный величине напряжения смещения нейтрали, подается на блок автоматики, включающий амплитудно-фазовый детектор, блок уставок, устройство управления двигателем, причем включение двигателя привода управляемого дугогасящего реактора производится при превышении расстройки компенсации, выраженной фазовым углом между векторами выходного напряжения усилителя и опорного напряжения U_ОП, а выключение - при достижении максимума напряжения на выходе усилителя или заданного уставкой значения упомянутого фазового угла, соответствующих резонансной настройке контура нулевой последовательности сети.

2. Устройство автоматической компенсации емкостных токов с симметрированием фазных напряжений электрической сети, содержащее присоединительный трансформатор и управляемый дугогасящий реактор, рабочая обмотка которого включена между нейтральным выводом присоединительного трансформатора и «землей», отличающееся тем, что к вторичной обмотке измерительного трансформатора напряжения, соединенного по схеме разомкнутый треугольник, подключен усилитель с отрицательной обратной связью, выход усилителя через ограничительный элемент подключен к вторичной обмотке реактора, выходной сигнал усилителя, пропорциональный величине напряжения смещения нейтрали, подается на блок автоматики, включающий амплитудно-фазовый детектор, блок уставок, устройство управления двигателем, причем включение двигателя привода управляемого дугогасящего реактора производится при превышении расстройки компенсации, выраженной фазовым углом между векторами выходного напряжения усилителя и опорного напряжения U_ОП, а выключение - при достижении максимума напряжения на выходе усилителя или заданного уставкой значения упомянутого фазового угла, соответствующих резонансной настройке контура нулевой последовательности сети.