Способ компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью Российский патент 2023 года по МПК H02H3/17 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для автоматической настройки компенсации емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью.

Задача снижения тока и гашения электрической дуги в месте однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в сетях 6-35 кВ традиционно решается с помощью дугогасящих реакторов (катушек индуктивности), включаемых между нейтралью сети и землей [Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.: Госэнергоиздат, 1959. 416 с.]. Однако это решение, основанное на компенсации только емкостной составляющей тока ОЗЗ противоположно направленной индуктивной составляющей тока, создаваемой дугогасящим реактором (ДГР), дает хорошие практические результаты только на одной частоте и при отсутствии существенных потерь. В реальных сетях, где токи ОЗЗ большие и превышают, например, 100 А, остаточный, не скомпенсированный ДГР ток в месте ОЗЗ, обусловленный потерями, гармониками и неидеальной настройкой ДГР, может превышать 5 А и поддерживать горение электрической дуги в месте ОЗЗ. При этом расстройка ДГР (допускается 5% от номинального тока ДГР) может вызвать остаточный ток, способный поддерживать дугу в месте ОЗЗ. Значение тока, при котором возможно устойчивое горение дуги в месте замыканияс (5 А), определено в результате всесторонних исследований и зафиксировано в нормативных документах [Лихачев Ф.А. Инструкция по выбору, установке и эксплуатации дугогасящих катушек. М.: Энергия, 1971. 106 с. и Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей: утв. Приказом Минэнерго России от 13 января 2003 г. № 6. М.: Энергосервис, 2003]. Таким образом, в сетях с током ОЗЗ 100 А и более ДГР не является гарантирующим средством гашения дуги, так как остаточный ток может превышать значение 5 А. Это означает, что ДГР большой мощности оказываются неэффективными, т. к. не выполняют в полной мере свою основную функцию гашения дуги в месте ОЗЗ.

Известны способы настройки компенсации емкостных токов замыкания на землю на основе экстремального или фазового методов регулирования индуктивности дугогасящего реактора (ДГР), реализуемые путем непрерывного контроля в нормальном режиме сети напряжения или тока контура нулевой последовательности (КНП) сети и косвенного анализа его амплитудной или фазовой характеристик [Обабков В.К. Совершенствование фазового способа автоматического поддержания условий компенсации емкостных токов в кабельных сетях 6-35 кВ // Электричество, 1989, №1].

Система на основе указанных способов настройки работоспособна лишь вблизи точки равновесия, соответствующей резонансу регулируемого контура, когда имеют место наиболее благоприятные условия для формирования информационной координаты. С целью обеспечения работоспособности в расширенном диапазоне изменения параметров контура используют искусственное смещение нейтрали и принимают меры по стабилизации общего коэффициента передачи. Поскольку в ходе эксплуатации параметры КНП сети могут существенно меняться в ту или иную сторону, то с целью исключения потери управляемости предусматривают периодическую поверку емкостных токов и корректировку точности настройки системы, производимую, как правило, вручную и с кратковременным прерыванием электроснабжения.

Данная система при всех указанных мерах остается чувствительной к добротности регулируемого контура. При низкой добротности КНП сети из-за низкого уровня и сильного зашумления контрольного сигнала возможна полная потеря управляемости.

Другой недостаток определяется трудностями обеспечения устойчивости следящей системы с явно нелинейным звеном привода в управляющем контуре, проявляющимся многократными переключениями ДГР при выходе в точку равновесия. При неблагоприятном сочетании параметров в регулируемом контуре могут возникать автоколебания, приводящие к ускоренному износу электромеханической системы, что недопустимо по условиям эксплуатации ДГР.

Известен способ настройки, по которому контролируют напряжение и ток в цепи КНП сети, создаваемого искусственно с помощью источника опорного тока, и выделяют характеристическую величину, пропорциональную изменению регулируемого параметра [А.с. 1443077, RU. Гумин М.И. Способ настройки компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях. Опубл. в БИ45, 1988.]. Данный способ менее зависим от параметров регулируемого контура. Он предусматривает устойчивую работу в расширенном диапазоне изменения индуктивности ДГР и предполагает выход на заданный режим компенсации с меньшим числом переключений привода. Однако указанная разрешающая способность достигается лишь в случае применения энергоемкого источника опорного тока, функционирующего в непрерывном режиме с целью обеспечения благоприятных условий для выделения информационной координаты. Этот недостаток усугубляется в случае применения данного способа в сетях с комбинированным режимом заземления нейтрали с пониженной добротностью КНП сети, поскольку установленная мощность опорного источника оказывается соизмеримой с мощностью установленного регулируемого объекта. По этой причине данный способ имеет ограниченное применение.

Известен способ, реализованный в устройстве для автоматической настройки дугогасящего реактора, где одним из контролируемых параметров, по результатам измерения которого производится регулирование индуктивности реактора, является его ток [Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов.- М.: Энергия, 1971, с. 107-108].

Однако указанный принцип регулирования неприменим при перемежающейся дуге, когда канал измерения параметров реактора блокируется и происходит период на регулирование с помощью блока настройки реактора при перемежающейся дуге с использованием параметров от измерительного трансформатора напряжения.

Недостатком этого способа является также необходимость выбора логики управления в режиме замыкания на землю и связанное с этим недостаточное быстродействие, например, при кратковременных насыщениях дугогасящих реакторов, когда из-за наличия свободной составляющей магнитного потока в момент очередного зажигания дуги происходит смещение настройки в область перекомпенсации. Насыщение реакторов может происходить также в результате появления на нейтрали напряжения, повышенного относительно номинальных величин. Расстройки, связанные с насыщением, могут привести к значительному увеличению тока в месте повреждения при устойчивом горении дуги и к значительному увеличению перенапряжений при перемежающемся характере горения дуги. Причем требуемое время настройки в этих случаях желательно иметь как можно меньше. Так, опасные перенапряжения могут возникнуть уже спустя 0,02 с после очередного погасания дуги, т.е. за время, необходимое для известных устройств только для выявления характера горения дуги и перехода с одной логики управления на другую.

Известен способ [патент RU № 2025016, опубл. 15.12.1994] в котором в режиме замыкания на землю измеряют токовый параметр дугогасящего реактора и изменяют ток компенсации в зависимости от этого параметра. В качестве токового параметра используют мгновенное значение тока реактора, которое сравнивают с уставкой, пропорциональной амплитудному значению тока реактора в ненасыщенном состоянии, и в случае превышения тока над уставкой изменяют ток компенсации пропорционально результату сравнения.

Предлагаемый способ отличается от известных введением в известный регулятор дополнительного канала управления по току дугогасящего реактора, который обеспечивает быстродействующее управление настройкой компенсации как в режиме перемежающегося, так и в режиме установившегося горения дуги.

Повышение быстродействия объясняется тем, что в качестве параметра управления используется величина, непосредственно определяющая расстройку, ток компенсации, а не инерционно измеряемая степень расстройки компенсации. Поскольку реакция на действие строго определенного импульса возмущения более предсказуема, чем на сигнал произвольной формы, создаваемый при коммутации присоединений, то искусственное возмущение целесообразно предусматривать во всех случаях измерения собственной частоты. Данный способ может эффективно эксплуатироваться и в сетях с пониженной добротностью КНП, в частности в сетях с комбинированным режимом заземления, где системы компенсации на основе экстремального и фазового методов регулирования принципиально неработоспособны.

Недостатком способа является необходимость использования искусственного возмущения, что существенно усложняет техническую реализацию.

Известен способ, принятый за прототип [Патент RU 2663823, опубл. 10.08.2018, Бюл. № 22, ООО "НПП Бреслер" ], в котором в нормальном режиме работы сети измеряют напряжение смещения нейтрали относительно земли, сравнивают его с заданным пороговым уровнем и изменяют напряжение смещения нейтрали. При превышении напряжением смещения нейтрали напряжения заданного порогового уровня подают в нейтраль сети ток, регулируют его путем выравнивания напряжения смещения нейтрали с потенциалом земли, измеряют ток, запоминают и воспроизводят его. Указанное техническое решение предусматривает подключение к нейтрали управляемого источника с соответствующим алгоритмом регулирования тока, обеспечивающим полную нейтрализацию источника несимметрии.

Регулирование напряжения смещения нейтрали осуществляется независимо от добротности контура нулевой последовательности сети. При этом устраняется составляющая тока замыкания на землю, обусловленная источником несимметрии сети.

Недостатком указанного способа является необходимость измерения напряжения смещения нейтрали и изменения его до уровня порогового значения в нормальном режиме с помощью управляемого ДГР, необходимость использования регулируемого ДГР параллельно источнику тока в режиме ОЗЗ и возможность применения только в сетях с компенсированной нейтралью.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения следующие:

• предварительно измеряют смещение нейтрали относительно земли (напряжение нулевой последовательности);

• сравнивают смещение нейтрали с заданным пороговым уровнем;

• при превышении напряжением смещения нейтрали напряжения заданного порогового уровня подают в нейтраль сети ток;

• измеряют ток в нейтрали.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение эффективности для снижении напряжения в точке ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что формируют нейтраль на секции шин, подключают между нейтралью и землей компенсирующее устройство, подают в нейтраль ток, регулируют его, согласно изобретения предварительно кратковременно подключают к секции однофазное активное сопротивление, измеряют ток в сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на секции, формируют уставку сопротивления сети относительно шин секции как отношение модуля напряжения нулевой последовательности к модулю тока в сопротивлении, запоминают уставку в электронном блоке управления компенсирующего устройства - источника тока. При возникновении однофазного замыкания на землю на одном из присоединений секции, измеряют напряжение нулевой последовательности, автоматически формируют в источнике тока ток в нейтрали как отношение модуля измеренного напряжения нулевой последовательности к уставке, отстающий от напряжения нулевой последовательности на 90 градусов, далее повторно измеряют изменившееся напряжение нулевой последовательности, формируют в источнике тока новое значение полного тока в нейтрали, как отношение измеренного комплексного напряжения нулевой последовательности к уставке, далее итерационно повторяют процесс формирования полного тока в нейтрали, пока разность модулей измеренного напряжения нулевой последовательности и предыдущего измеренного напряжения нулевой последовательности не станет меньше заданного значения, например 1%.

При наличии нескольких секций шин, соединенных электрически между собой предварительно одновременно кратковременно подключают к каждой секции однофазное активное сопротивление измеряют ток в каждом сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на каждой секции, формируют уставку сопротивления сети относительно шин каждой секции.

Основные отличия заявляемого способа следующие:

• предварительно одновременно кратковременно подключают к каждой секции однофазное активное сопротивление измеряют ток в каждом сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на каждой секции, формируют уставку сопротивления сети относительно шин каждой секции;

• запоминают уставку в электронном блоке управления компенсирующего устройства - источника тока;

• при возникновении однофазного замыкания на землю на одном из присоединений секции, измеряют напряжение нулевой последовательности;

• автоматически формируют в источнике тока ток в нейтрали как отношение модуля измеренного напряжения нулевой последовательности к уставке, отстающий от напряжения нулевой последовательности на 90 градусов;

• повторно измеряют изменившееся напряжение нулевой последовательности, формируют в источнике тока новое значение полного тока в нейтрали, как отношение измеренного комплексного напряжения нулевой последовательности к уставке;

• итерационно повторяют процесс формирования полного тока в нейтрали, пока разность модулей измеренного напряжения нулевой последовательности и предыдущего измеренного напряжения нулевой последовательности не станет меньше заданного значения;

• при наличии нескольких секций шин, соединенных электрически между собой предварительно одновременно кратковременно подключают к каждой секции однофазное активное сопротивление измеряют ток в каждом сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на каждой секции, формируют уставку сопротивления сети относительно шин каждой секции.

Наличие отличительных признаков, позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники не было выявлено источников, содержащих совокупность отличительных признаков заявляемого изобретения, а также не была установлена известность влияния отличительных признаков на достигаемый технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена трехфазная схема замещения сети с питающим присоединением, с тремя присоединениями потребителей, с нейтралеобразующим трансформатором (НОТ), источником тока и однофазной нагрузкой в резервной ячейке, на фиг.2 изображена схема источника тока.

На схеме фиг.1 показаны трехфазный источник электрических мощностей 1 с нейтралью 2, соединенной с контуром заземления подстанции 3, который подключен к трехфазному силовому трансформатору 4 со схемой соединения обмоток «звезда-треугольник». Нейтраль «звезды» 5 трансформатора 4 соединена с контуром заземления подстанции 3. Выходы «треугольника» трансформатора 4 соединены с трехфазной системой шин 6, к которой подключены три трехфазных линии электропередачи 7, 8 и 9, с нагрузками потребителей 10, 11 и 12. К системе шин 6 подключен нейтралеобразующий трансформатор 24, в нейтраль 13 которого включен источник тока 14, соединенный с контуром заземления подстанции 3. К системе шин 6 подключен трансформатор напряжений 15. К источнику тока 14 подключен формирователь импульсов 16, подключенный к блоку управления 17, к которому подключены цепь трансформатора напряжения 15 и блок формирования уставки 18. К одной фазе системы шин 6 подключено активное сопротивление 19 через выключатель 20, соединенное с контуром заземления 3 подстанции. В цепь активного сопротивления 19 включен трансформатор тока 21, выход которого подключен к блоку формирования уставки18.

На фиг.2 показана схема регулируемого источника тока 14. Сигнал от блока управления 17 подают в формирователь импульсов 16. В формирователе импульсов 16 создают управляющие сигналы, которые подают на биполярные транзисторы 22 источника тока 14. Транзисторы 22 мгновенно реагируют на управляющие сигналы и, используя реактора 23, создают компенсирующий ток источника тока.

Способ реализуют следующим образом:

Предварительно кратковременно подключают к секции шин 6 однофазное активное сопротивление 19, измеряют ток в сопротивлении 19 и напряжение нулевой последовательности на секции 6 в трансформаторе напряжения 15, формируют уставку сопротивления сети Z относительно шин секции как отношение модуля напряжения нулевой последовательности 3U0 к модулю тока I в сопротивлении 19, запоминают уставку Z в электронном блоке управления 17 компенсирующего устройства - источника тока 14.

При возникновении однофазного замыкания на землю на одном из присоединений 7, 8, 9 секции 6, измеряют напряжение нулевой последовательности 3U0 в трансформаторе напряжения 15, автоматически формируют в блоке управления 17 управляющие воздействия, которые предают в формирователь импульсов 16. Импульсы передают на транзисторы 22 источника тока 14. Управляемые транзисторы 22 в источнике тока 14 формируют ток In в нейтрали 13 как отношение модуля измеренного напряжения нулевой последовательности к уставке In=3U0/Z, отстающий от напряжения нулевой последовательности на 90 градусов,

Далее повторно измеряют изменившееся напряжение нулевой последовательности 3U0’, формируют в источнике тока новое значение полного тока In’ в нейтрали 13, как отношение измеренного комплексного напряжения нулевой последовательности к уставке In’=3U0’/Z.

Далее итерационно повторяют процесс формирования полного тока In” в нейтрали, пока разность модулей измеренного напряжения нулевой последовательности 3U0” и предыдущего измеренного напряжения нулевой последовательности 3U0’ не станет меньше заданного значения, например (3U0”-3U0’)<1%.

При наличии нескольких секций шин, соединенных электрически между собой предварительно одновременно кратковременно подключают к каждой секции однофазное активное сопротивление, измеряют ток в каждом сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на каждой секции, формируют уставку сопротивления сети относительно шин каждой секции.

Для проверки работоспособности предлагаемого способа выполнены расчетные эксперименты на схеме замещения электрической сети с изолированной нейтралью, представленной на фиг. 1. Расчеты проводились в программно-вычислительном комплексе «Расчет режимов в фазных координатах», разработанном на кафедре «Электрические станции, сети и системы» ИРНИТУ. Схема замещения сети задается в трехфазном виде с учетом взаимоиндукции и емкости между проводами линии, емкости между проводами и землей, с учетом взаимоиндукции между обмотками силовых трансформаторов.

Смещение нейтрали секции шин в нормальном режиме составляет 176.711 В, угол -114.952 град. Величины токов 3I₀ в присоединениях показаны в табл. 1. Таблица 1 Токи 3I₀ в присоединениях

№ ЛЭП 3I_0a
A 3I_0r
A 1 -0.00101 -0.00053 2 0.00049 0.00022 3 0.00050 0.00025

При кратковременном (10 сек) подключении активного сопротивления 300 Ом между фазой А и землей, получаем 3U₀ =1 0495, угол = -23.42 град. и ток в сопротивлении I =46.17 A, угол = -112.93. Формируем уставку и запоминаем Z=10495/46.17 =227,32 Ом.

Далее создаем ОЗЗ в фазе первой линии. Замеряем напряжение 3U₀ на секции шин (столбец 5 в табл. 2), формируем ток I_n в нейтрали НОТ (столбец 6) как In=3U0/Z. При сформированном токе I_n изменится напряжение 3U₀ , соответственно формируем новое значение тока и т.д. итерационно.

В столбцах 3 и 4 контролируем расчетные величины напряжения в точке ОЗЗ и ток ОЗЗ. В случае ОЗЗ на реальном объекте указанные величины не доступны для наблюдения.

Результаты итераций показаны в табл. 2

Таблица2. Результаты итераций. № итерации U
в точке ОЗЗ
В I
ОЗЗ
А 3U₀
на секции шин
В I_n
в нейтрали НОТ
А Точность
по
3U₀
% 1 2 3 4 5 6 7 1 модуль 2137 71 16383 72 угол 273 273 2.7 87.3 2 модуль 923 30.8 19432 85.5 15.69 угол 348 348 23.5 66.5 3 модуль 398 13.3 17590 77.4 -10.47 угол 64.6 64.6 31.3 58.7 4 модуль 179.7 6 16300 71.7 -7.91 угол 142.4 142.4 29.8 60.2 5 модуль 87.2 2.9 16358 72 0.35 угол 215 215 27.8 62.2 6 модуль 33.7 1.12 16610 73 1.52 угол 272 272 27.7 62.3 7 модуль 6.8 0.23 16653 73.25 0.26 угол 321 321 28 62

После 7 итераций видно, что при токе в нейтрали I_n=73.25 A, угол=62 град., напряжение 3U₀ = 16653 В, угол = 28 град. При этом напряжение в точке ОЗЗ равно 6.8 В, а ток ОЗЗ равен 0.23 А. При таком токе дуга гарантированно погаснет.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении эффективности снижения напряжения в точке однофазного короткого замыкания (ОЗЗ). Достигается тем, что в способе компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью предварительно кратковременно подключают к секции шин однофазное активное сопротивление, измеряют ток в сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на секции в трансформаторе напряжения, формируют уставку сопротивления сети относительно шин секции, запоминают уставку в электронном блоке управления компенсирующего устройства. При возникновении ОЗЗ на одном из присоединений секции измеряют напряжение нулевой последовательности, автоматически формируют в источнике тока ток в нейтрали как отношение модуля измеренного напряжения нулевой последовательности к уставке, отстающий от напряжения нулевой последовательности на 90 градусов. Повторно измеряют изменившееся напряжение нулевой последовательности, формируют в источнике тока новое значение полного тока в нейтрали как отношение измеренного комплексного напряжения нулевой последовательности к уставке, далее итерационно повторяют процесс формирования полного тока в нейтрали, пока разность модулей измеренного напряжения нулевой последовательности и предыдущего измеренного напряжения нулевой последовательности не станет меньше заданного значения, например 1%. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью, в котором формируют нейтраль на секции шин, подключают между нейтралью и землей компенсирующее устройство, отличающийся тем, что предварительно кратковременно подключают к секции однофазное активное сопротивление, измеряют ток в сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на секции, формируют уставку сопротивления сети относительно шин секции как отношение модуля напряжения нулевой последовательности к модулю тока в сопротивлении, запоминают уставку в электронном блоке управления компенсирующего устройства - источника тока, и при возникновении однофазного замыкания на землю на одном из присоединений секции измеряют напряжение нулевой последовательности, автоматически формируют в источнике тока ток в нейтрали как отношение модуля измеренного напряжения нулевой последовательности к уставке, отстающий от напряжения нулевой последовательности на 90 градусов, далее повторно измеряют изменившееся напряжение нулевой последовательности, формируют в источнике тока новое значение полного тока в нейтрали как отношение измеренного комплексного напряжения нулевой последовательности к уставке, далее итерационно повторяют процесс формирования полного тока в нейтрали, пока разность модулей измеренного напряжения нулевой последовательности и предыдущего измеренного напряжения нулевой последовательности не станет меньше заданного значения, например 1%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наличии нескольких секций шин, соединенных электрически между собой, предварительно одновременно кратковременно подключают к каждой секции однофазное активное сопротивление, измеряют ток в каждом сопротивлении и напряжение нулевой последовательности на каждой секции, определяют уставку сопротивления сети относительно шин каждой секции.