Способ выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в компенсированных сетях Российский патент 2023 года по МПК H02H9/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в электрических сетях 6-35 кВ.

В электрических сетях России с компенсацией емкостного тока замыкания на землю используются три основных типа дугогасящих реакторов: со ступенчатым регулированием индуктивности, плунжерного типа с плавным изменением тока компенсации и реакторы с подмагничиванием, также обеспечивающим плавное регулирование. Каждый из этих типов имеет свои особенности функционирования устройств определения расстройки компенсации, вычисления емкостного тока сети и алгоритмов работы автоматики управления реакторами. Разные способы определения параметров контура нулевой последовательности имеют те или иные преимущества и недостатки, не универсальны, а главное, неработоспособны, если расстройки компенсации возникают непосредственно в режиме замыкания на землю, например, в результате плановых или аварийных коммутаций.

В известном способе автоматической настройки компенсации ДГР (см. патент RU 2618519, МПК H02J 3/18, H02H 3/16, опубл. 04.05.2017, бюл.№13) с подмагничиванием, заключающемся в формировании в контуре нулевой последовательности сети переходного процесса с помощью импульсного источника опорного тока большой скважности, измеряют напряжения на сигнальной обмотке реактора и выделяют свободную составляющую переходного процесса, на основании параметров которого вычисляют емкость сети по нулевой последовательности и, соответственно, необходимый ток компенсации, к напряжению, измеренному на сигнальной обмотке реактора, применяют вейвлет-преобразование, и определяют временные зависимости вейвлет-коэффициентов, выбирают коэффициент с максимальной амплитудой, соответствующей частоте свободных колебаний контура нулевой последовательности, при этом при попадании максимального вейвлет-коэффициента в диапазон частот 35-70 Гц осуществляют управление подмагничиванием ДГР, изменяющее его индуктивность до тех пор, пока частота собственных колебаний контура не выйдет за пределы указанного диапазона, по найденной частоте определяют емкость сети и необходимый ток компенсации.

Недостатком этого способа является низкое быстродействие и плохая чувствительность при низкой добротности сети, которая при наличии защитного резистора неизбежна. Кроме того, требуется дополнительная калибровка с помощью эталонного конденсатора всего диапазона регулирования ДГР.

В способе измерения емкостного тока в компенсированной электрической сети (см. патент RU2723898, МПК G01R 27/26, H02J 3/18, опубл. 18.06.2020, бюл.№17), относится к использованию в электрических сетях 6-35 кВ с установленными в нейтрали дугогасящими реакторами (ДГР) регулированием тока компенсации изменением немагнитного зазора сердечника с неизвестными текущими параметрами настройки. Сущность способа заключается в том, что вычисление емкостного тока производится посредством измерения расстройки при двух значениях емкостного тока сети: соответствующей резонансной настройке ДГР и в режиме недокомпенсации с подключением параллельно с рабочей обмоткой или во вторичную его цепь конденсатора с известной величиной добавляемого им емкостного тока. Контроль расстройки контура нулевой последовательности (КНП) сети производится с использованием частот собственных колебаний КНП в области резонанса и с подключением в контур дополнительной электрической емкости, полученных путем воздействия на контур импульсного токового сигнала посредством одной из вторичных обмоток ДГР.

Недостатком этого способа является сложность проведения измерений области резонанса, при незначительном отклонении от которого, например, в сетях с высоким демпфированием, точность определения расстройки падает, то есть велика погрешность измерений. На погрешность измерения емкостного тока также существенно влияют переключения в сети, следовательно, для точности настройки необходимо тщательно контролировать всю электрически связанную сеть для исключения таких коммутаций.

Общим недостатком описанных способов является ограничение области их применения только сетями с определённым типом ДГР, то есть их неуниверсальность, что особенно актуально для сетей России, в которых в эксплуатации находятся ступенчато регулируемые ДРГ, составляющие более половины от всех используемых устройств компенсации емкостного тока.

Известен способ, в котором начальная скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе U_ПФ (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов / Ф.А. Лихачев. - М.: Энергия, 1971. – 152 с.) определяется как

(1),

где - огибающая мгновенных значений U_ПФ в процессе восстановления после погасания дуги;

(2),

- коэффициент демпфирования сети;

- степень расстройки компенсации;

- угловая частота промышленного тока.

Недостатком такого способа определения расстройки компенсации является то, что точность измерений гарантируется лишь при расстройках, не превышающих ± 10% и низких значениях коэффициента демпфирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение (патент RU 2779147 С1, МПК H02H 9/08, опубл. 02.09.2022, бюл.№25), в котором степень расстройки компенсации определяется по начальной скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе. В способе управление величиной защитного резистора осуществляют в режиме перемежающегося горения дуги на поврежденной фазе, идентифицируют режим перемежающегося горения дуги, определяют начальную скорость восстановления на поврежденной фазе, вычисляют степень расстройки компенсации, вычисляют величину защитного резистора, блокируют работу устройства в нормальном режиме и установившемся режиме замыкания.

Недостатком этого технического решения является то, что оно обеспечивает точное определение степени расстроек компенсации в узком диапазоне их изменения не более ±10%, при том, что в условиях эксплуатации возможно появление и значительно больших значений расстроек, как для реакторов со ступенчатым регулированием ввиду большой дискретности значений токов ответвлений, так и для плунжерных реакторов в связи с низкой надежностью плунжерных механизмов и их электроприводов.

Решаемая техническая задача состоит в определении степени расстройки компенсации для ДГР любого типа, и, как следствие, в оптимальном управлении заземляющим резистором, предназначенным для ограничения дуговых перенапряжений, неизбежно возникающих при нерезонанасной настройке.

Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия определения степени расстройки компенсации для управления защитным резистором в компенсированных сетях.

Это достигается тем, что в способе выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в компенсированных сетях, заключающемся в формировании сигнала для управления величиной заземляющего резистора, подключении низкого напряжения сетевой подстанции, определении величины расстройки компенсации, идентификации режим перемежающегося горения дуги на поврежденной фазе, измерении напряжения источника питания U(t), определении величины оптимального значения сопротивления защитного резистора, формировании сигнала для управления величиной заземляющего резистора, блокировки действия автоматики в режиме установившегося горения дуги, согласно изобретению измеряют угловой сдвиг напряжения на нейтрали U₀(t) при свободных колебаниях в контуре нулевой последовательности после погасания дуги тока замыкания по отношению к напряжению источника питания U(t), определяют величину расстройки компенсации V с использованием измерения углового сдвига напряжения на нейтрали U₀(t) по формуле:

,

где - приращение угла сдвига между U₀(t) и U(t) во времени,

n - время в долях от периода промышленной частоты.

Кроме того осуществляют коррекцию входного сигнала углового сдвига Δ(t) с учётом влияния коэффициента демпфирования d.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в компенсированных сетях, где приняты следующие обозначения:

1 - регулируемый заземляющий резистор;

2 - нейтралеобразующее устройство;

3 - пакет коммутаторов, непосредственно осуществляющий подключение электродов резистора 1;

4 - дугогасящий реактор;

5 - блок вычисления значения сопротивление заземляющего резистора 1;

6 - трансформатор напряжения, с обмоток низшего напряжения которого получают сигналы фазных напряжений (звезда) и напряжения на нейтрали (разомкнутый треугольник);

7 - силовой трансформатор;

8 - элемент выбора режима замыкания;

9.1 - блок измерения угла φ;

9.2 - блок дифференцирования сигнала Δϕ(t) с выхода измерителя угла;

9.3 - функциональный преобразователь, реализующий зависимость V=f(Δϕ) согласно фиг. 2.

На фиг. 2 представлены зависимости углового сдвига ∆φ от степени расстройки компенсации V при различных коэффициентах демпфирования d, полученные в соответствии с выражением (5).

На фиг. 3 представлена принципиальная схема коррекции и приняты следующие обозначения:

9.2 - блок дифференцирования сигнала Δϕ(t) с выхода измерителя угла;

10 - сумматор;

11 - функциональный преобразователь, реализующий зависимость ∆φ_к= f(d) в соответствии с фиг.4;

9.3 - функциональный преобразователь, реализующий зависимость V=f(Δϕ) согласно фиг. 2

На фиг. 4 представлены зависимости сигнала коррекции по углу от коэффициента демпфирования ∆φ_к= f(d) при разной степени расстройки компенсации.

Способ выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в компенсированных сетях осуществляют следующим образом.

Нейтраль, которой физически не существует в сетях 6-35 кВ, создается с помощью нейтралеобразующего устройства, подключаемого на стороне низкого напряжения сетевой подстанции.

Управление величиной защитного резистора осуществляют в режиме перемежающегося горения дуги на поврежденной фазе.

Идентифицируют режим перемежающегося горения дуги на поврежденной фазе.

Измеряют угловой сдвиг напряжения на нейтрали U₀(t) при свободных колебаниях в контуре нулевой последовательности после погасания дуги тока замыкания по отношению к напряжению источника питания U(t).

Определяют величину расстройки компенсации V с использованием измерения углового сдвига напряжения на нейтрали U₀(t) по формуле:

(3),

где - приращение угла сдвига между U₀(t) и U(t) во времени;

n - время в долях от периода промышленной частоты.

Определяют величину оптимального значения сопротивления защитного резистора.

Формируют сигнал для управления величиной заземляющего резистора, который может быть, например, выполнен в виде электродов с возможностью углубления их в землю.

Блокируют действие автоматики в режиме установившегося горения дуги.

Осуществляют коррекцию входного сигнала углового сдвига при повышенных значениях коэффициента демпфирования сети (от 0,02-0,05 до 0,3).

Связь между степенью расстройки и изменением углового сдвига между этими напряжениями выражается формулой:

(4),

или

(5).

где - степень настройки компенсации;

- угловая частота свободных колебаний.

Значит, измеряя скорость изменения разности углов можно определить степень расстройки компенсации по формуле (3).

Управление защитным резистором по углу между напряжением на нейтрали U₀(t) и напряжением источника U(t) поврежденной фазы может быть организовано при помощи вычислений в блоке 9.3 с использованием зависимостей, приведенных на фиг. 2.

Способ выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в компенсированных сетях может быть реализован с использованием устройства (см. фиг. 1, 3).

В нормальном режиме, когда напряжение на нейтрали U_N=3U₀ нейтралеобразующего устройства 2 и выходе трансформатора напряжения 6 отсутствует, ток нулевой последовательности I_L через ДГР не протекает, работу устройства блокируют.

При перемежающемся дуговом замыкании ток ДГР поступает на второй вход блока 5 вычисления значения сопротивления заземляющего резистора 1. С выходов трансформатора напряжения 6 сигналы фазных напряжений U_Ф и напряжения на нейтрали 3U₀ передаются на входы вх.1 и вх.2 функционального элемента выбора режима замыкания 8.

Элементом выбора режима замыкания 8 идентифицируют режим перемежающегося горения дуги на поврежденной фазе. На выходе элемента 8 появляется напряжение питания поврежденной фазы, которое подают на первый вход блока измерения угла 9.1. На вход 2 элемента 9.1 подают напряжение U₀. С выхода блока 9.1 сигнал подается на вход блока дифференцирования 9.2, с выхода которого сигнал, пропорциональный величине ∆ϕ, подают на функциональный преобразователь 9.3, где реализована зависимость V=f(∆ϕ) по фиг 2. С выхода блока 9.3 сигнал, пропорциональный расстройке, подают на первый вход элемента вычисления значения сопротивления заземляющего резистора 5, на второй вход которого подается сигнал с токовой обмотки дугогасящего реактора 4. Величину оптимального значения сопротивления защитного резистора определяют элементом 5 с использованием информации о величине сопротивления (тока) ДГР.

Сигнал с выхода элемента вычисления значения сопротивления заземляющего резистора 5 передают на второй вход пакета коммутаторов 3, на первый вход которого подается напряжение на нейтрали с выхода нейтралеобразующего устройства 2, обеспечивая необходимую величину сопротивления заземляющего резистора R_N посредством подключения нужного количества электродов заземляющего резистора 1. Этим обеспечивают быстродействующее ограничение дуговых перенапряжений за счет управления величиной этого резистора, которое осуществляют в режиме перемежающегося горения дуги путем вычисления расстройки компенсации с использованием измерения угла между напряжением на нейтрали и напряжением источника поврежденной фазы.

В установившемся режиме горения дуги, когда условий для развития максимальных перенапряжений не возникает, а наложение дополнительного активного тока на место повреждения только увеличивает масштаб разрушения изоляции, действие автоматики блокируют, поскольку сигнал с выхода блока 8 отсутствует.

Повышенное демпфирование в сетях 6-35 кВ определяется в основном состоянием изоляции воздушных и кабельных линий электропередачи. Для кабельных сетей с состаренной изоляцией и воздушных сетей в промышленных районах со степенью загрязнения атмосферы 2 и 3 (ПУЭ п.1.9) коэффициент демпфирования d может существенно возрастать, и необходимо осуществлять переход на другие зависимости по фиг. 2 при вариации величины d.

В предлагаемом способе для обеспечения точности определения настройки по зависимости фиг. 2 учёт влияния коэффициента демпфирования d осуществляют с помощью коррекции входного сигнала Δϕ на некоторую постоянную величину, которая зависит от d. Зависимости Δϕ_К = f(d) для расстроек в пределах ±0,3 показаны на фиг. 4, где Δϕ_К - сигнал коррекции по углу.

Коррекцию по углу ∆ϕ здесь определяют в соответствии с зависимостью Δϕ_К = f(d) на функциональном преобразователе 11, сигнал с выхода которого подают на второй вход сумматора 10, на первый вход которого подается сигнал с выхода блока 9.2. С выхода сумматора 10 скорректированный сигнал подают на вход функционального преобразователя 9.3. Эта операция приводит к смещению зависимости ∆ϕ = f(V) вверх на постоянную величину ∆ϕ_к и происходит учет влияния демпфирования на расстройку без усложнения схемы.

Таким образом обеспечивают возможность оптимального управления защитным резистором при изменении расстройки компенсации в режиме замыкания на землю, где управление величиной защитного резистора осуществляют в режиме перемежающегося горения дуги путем вычисления расстройки компенсации с использованием измерения углового сдвига напряжения на нейтрали U₀(t) при свободных колебаниях в контуре нулевой последовательности после погасания дуги тока замыкания по отношению к напряжению источника питания U(t), что позволяет повысить точность и скорость проведения измерений.

Использование изобретения позволяет повысить точность и быстродействие определения степени расстройки компенсации для управления защитным резистором в компенсированных сетях с ДРГ любого типа.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в электрических сетях 6-35 кВ. Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия определения степени расстройки компенсации для управления защитным резистором в компенсированных сетях. Технический результат достигается тем, что в способе выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в компенсированных сетях, заключающимся в формировании сигнала для управления величиной заземляющего резистора, подключении низкого напряжения сетевой подстанции, определении величины расстройки компенсации, согласно изобретению идентифицируют режим перемежающегося горения дуги на поврежденной фазе, измеряют напряжение источника питания U(t), измеряют угловой сдвиг напряжения на нейтрали U₀(t) при свободных колебаниях в контуре нулевой последовательности после погасания дуги тока замыкания по отношению к напряжению источника питания U(t), определяют величину расстройки компенсации V с использованием измерения углового сдвига напряжения на нейтрали U₀(t). Дополнительно осуществляют коррекцию входного сигнала углового сдвига при повышенных значениях коэффициента демпфирования сети. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю для управления защитным резистором в компенсированных сетях, заключающийся в формировании сигнала для управления величиной заземляющего резистора, подключении низкого напряжения сетевой подстанции, определении величины расстройки компенсации, идентификации режима перемежающегося горения дуги на поврежденной фазе, измерении напряжения источника питания U(t), определении величины оптимального значения сопротивления защитного резистора, формировании сигнала для управления величиной заземляющего резистора, блокировки действия автоматики в режиме установившегося горения дуги, отличающийся тем, что измеряют угловой сдвиг напряжения на нейтрали U₀(t) при свободных колебаниях в контуре нулевой последовательности после погасания дуги тока замыкания по отношению к напряжению источника питания U(t), определяют величину расстройки компенсации V с использованием измерения углового сдвига напряжения на нейтрали U₀(t) по формуле:

где - приращение угла сдвига между U₀(t) и U(t) во времени,

n - время в долях от периода промышленной частоты.

2. Способ выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию входного сигнала углового сдвига Δφ(t) с учётом влияния коэффициента демпфирования d.