Способ выявления и подавления феррорезонансных процессов в сетях средних классов напряжения Российский патент 2025 года по МПК H02H9/04 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выявления и борьбы с феррорезонансом в сетях переменного тока 6-35 кВ, работающих с изолированной и компенсированной нейтралью.

Известно, что существуют 4 режима феррорезонанса: гармонический, субгармонический, квазипериодический и хаотический. Основные мероприятия по борьбе с феррорезонансными явлениями в электрических системах как раз относятся к гармоническому режиму, хотя с точки зрения непредсказуемости, а следовательно, и большей опасности для электрооборудования, научный интерес представляет переход от квазипериодического режима к хаотическому (полное насыщение), который происходит после малых изменений текущего режима. При том, что физическая природа опасных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением магнитопроводов силовых трансформаторов, трансформаторов напряжения или реакторов, одинакова, условия их возникновения в электрических сетях могут весьма существенно различаться. Феррорезонанс может быть вызван переходными процессами, являющимися следствием грозовых и внутренних перенапряжений, коммутаций трансформаторов или нагрузки, возникновения или устранения короткого замыкания и т.д. Существующие способы выявления феррорезонанса основаны на контроле временных характеристик переходного процесса: мгновенных или действующих значений токов и напряжений фаз и в нейтрали, а самым распространённым способом нарушения условий возникновения резонансных процессов является дополнительное демпфирование контура нулевой последовательности при подключении резистивного элемента. Однако все они не универсальны, носят частный характер, либо выполнены в детерминированной логике и, следовательно, недостаточно адаптивны к различным резонансным режимам.

В известном способе и устройстве для быстрого устранения ферромагнитного резонанса трансформатора напряжения (см. патент RU 2743460 С1, МПК H01F 27/42, H02H 7/05, H02H 9/00, G01R 15/18, опубл. 18.02.2021, бюл. № 5), заключающемся в снятии значений трехфазного напряжения и напряжения схемы открытого треугольника трансформатора напряжения; расчете потокосцепления, соответствующего напряжению нулевой последовательности, посредством единого алгоритма; и при обнаружении возникновения ферромагнитного резонанса в катушке взаимной индуктивности дополнительной проверке, попадает ли абсолютное значение потокосцепления, соответствующего напряжению нулевой последовательности, или абсолютное значение напряжения схемы открытого треугольника соответственно в установленный диапазон, и, если это так, запускается контур устранения вторичного резонанса для устранения резонанса, выполненный в виде последовательно соединенных кремниевого управляемого выпрямителя и резистора.

Недостатками этого технического решения являются сложные расчеты потокосцепления, что сказывается на быстродействии устройства, кроме того, данный способ пригоден только для защиты от феррорезонанса трансформаторов напряжения.

В известном устройстве для подавления феррорезонансных процессов (патент RU 2339141 С1, МПК Н02Н 9/04, опубл. 20.11.2008, бюл. №32) при возникновении в цепи импульсных перенапряжений грозового, коммутационного или иного происхождения, а также кратковременных повышений питающего напряжения выше допустимого уровня в некоторый первоначальный момент возникает такая частотная составляющая при возрастании возмущающего напряжения, при которой реактивные сопротивления конденсатора и катушки индуктивности (трансформатора) становятся одинаковыми по величине и обратные по знаку. В этот момент времени сопротивление цепи определяется только резистором, ток в цепи резко возрастает до уровня, ограничиваемого сопротивлением резистора, катушка индуктивности переходит в состояние глубокого насыщения с малым индуктивным сопротивлением. Из-за перераспределений падений напряжений на элементах цепи уровень напряжения на конденсаторе быстро растет лишь до уровня срабатывания порогового блока, и при прекращении действия в цепи возмущающего напряжения феррорезонансный процесс в ней не поддерживается.

Недостатком этого технического решения является невозможность определения уставки порогового блока для всех вероятных режимов феррорезонанса, кроме того, запуск устройства здесь осуществляется только по одному параметру - уровню напряжения, в то время как при некоторых видах феррорезонансных процессов основную опасность представляют не перенапряжения, а сверхтоки.

Общий недостаток описанных технических решений заключается в использовании нерегулируемого резистора, величина которого может быть недостаточной для подавления феррорезонанса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение (патент RU 2035817 С1, МПК H02H 9/04, 7/05, опубл. 20.05.1995), в котором выявляют режим феррорезонанса с помощью блока основной гармоники или блока субгармоники, фиксируют режим феррорезонанса с помощью элемента ИЛИ и элемента выдержки времени, с помощью блока управления к нейтрали трансформатора напряжения подключают блок резисторов, добротность цепи резко падает и происходит срыв феррорезонанса, в нормальном режиме работу устройства блокируют элементом ИЛИ, сигнал фиксации феррорезонанса отсутствует, резисторы не подключаются к нейтрали.

Недостатком этого технического решения является то, что оно предназначено только для защиты трансформаторов напряжения, в то время как феррорезонанс может возникать и по другим причинам, например, в несимметричных режимах слабонагруженных силовых трансформаторов, при насыщении дугогасящих реакторов, кроме гармонического и субгармонического иметь другие режимы, и быть опасен не только для трансформаторов напряжения, но и для других элементов сетей. Кроме того, фиксация феррорезонанса происходит только по сигналу напряжения основной гармоники и субгармоник, хотя возможны резонансные процессы, в которых критичным является превышение током значений, характерных для нормальных или аварийных режимов, тогда как напряжения фаз повышаются незначительно по амплитуде и по содержанию гармонических составляющих. Феррорезонансные процессы могут существовать в течение длительного времени, поэтому для данного устройства критичной может оказаться термическая стойкость резисторов.

Решаемая техническая задача состоит в подавлении феррорезонанса любой природы с целью защиты не только трансформаторов напряжения, но и других элементов сетей, а также в определении фазовых характеристик переходного процесса как более точного инструмента фиксации резонансных условий с целью оптимального управления заземляющим резистором, выполненным в виде системы электродов, углубленных в землю, что позволяет устройству иметь практически неограниченную термическую стойкость.

Технический результат заключается в повышении быстродействия за счет исключения элементов времени и точности идентификации феррорезонансных процессов в качестве исходной информации для управления регулируемым защитным резистором, вводимым в контур нулевой последовательности для надёжной ликвидации резонанса. При этом регулируемый защитный резистор имеет практически неограниченную термическую стойкость.

Это достигается способом выявления и подавления феррорезонансных процессов в сетях средних классов напряжения, заключающимся в выявлении режима феррорезонанса и формировании сигнала для управления величиной регулируемого защитного резистора, согласно изобретению идентифицируют режим феррорезонанса по мгновенным значениям токов и напряжений в фазах и в контуре нулевой последовательности, реализуют получение фазовых характеристик сети для фаз и контура нулевой последовательности, определяют величину оптимального значения сопротивления регулируемого защитного резистора, формируют сигнал на подключение и управление, пропорционально степени искажения фазовых траекторий, при этом используют регулируемый защитный резистор, выполненный с возможностью углубления электродов в землю.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ выявления и подавления феррорезонансных процессов в сетях средних классов напряжения, и приняты следующие обозначения:

1 - трансформаторы тока, со вторичных обмоток которых получают сигналы фазных токов и тока нулевой последовательности;

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

3 - устройства сопряжения с объектом (УСО) для фазных величин токов и напряжений и тока и напряжения нулевой последовательности;

4 - блоки получения фазовых портретов фазных параметров и параметров нулевой последовательности на базе микроконтроллеров;

5 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

6 - микроконтроллер (МК);

7 - пакет коммутаторов;

8 - регулируемый защитный резистор;

9 - нейтралеобразующее устройство.

На фиг. 2 представлена фазовая характеристика сети для нормального режима.

На фиг. 3 - Расчетная осциллограмма напряжения от времени при феррорезонансном процессе после обрыва фазы.

На фиг. 4 - Фазовые характеристики сети при феррорезонансном процессе после обрыва фазы.

На фиг. 5 - Осциллограмма напряжения в случае подавления феррорезонанса с использованием управляемого резистора при подключении первого разряда резистора.

На фиг. 6 - Фазовые характеристики сети в случае подавления феррорезонанса с использованием управляемого резистора при подключении первого разряда резистора.

На фиг. 7 - Осциллограмма напряжения в случае полного подавления феррорезонанса с использованием управляемого резистора.

На фиг. 8 - Фазовые характеристики сети в случае полного подавления феррорезонанса с использованием управляемого резистора.

Сопротивление резистора (величина регулируемого защитного резистора), необходимое для подавления феррорезонанса, может быть вычислено по формуле:

однако наличие нелинейной зависимости L=f(i) для трансформаторов и реакторов делает весьма затруднительным определение значения сопротивления аналитическим расчетным путем, особенно при отсутствии точных данных о вебер-амперных характеристиках вышеперечисленных элементов сети. Поэтому управление величиной регулируемого защитного резистора при возникновении резонанса представляется целесообразным для оптимального воздействия на качество переходного процесса.

Сопротивление резистора первого разряда выбирают из условия подавления резонанса на основной частоте, обычно это равенство активной и реактивной проводимостей нулевой последовательности, что также отвечает условию ограничения дуговых перенапряжений. Сопротивления первого и последующих разрядов находятся в соотношении 1:2:4:…, что позволяет организовать достаточное, но не избыточное демпфирование практически для любых аварийных ситуаций.

Способ выявления и подавления феррорезонансных процессов в сетях средних классов напряжения осуществляют следующим образом:

- нейтраль, которой физически не существует в сетях 6-35 кВ, создают с помощью нейтралеобразующего устройства, подключаемого на стороне низкого напряжения сетевой подстанции;

- управление величиной регулируемого защитного резистора осуществляют в одном из режимов резонанса: гармонического, субгармонического или хаотического;

- идентифицируют режим феррорезонанса по мгновенным значениям токов и напряжений в фазах и в контуре нулевой последовательности;

- реализуют получение фазовых характеристик сети для фаз и контура нулевой последовательности;

- определяют величину оптимального значения сопротивления регулируемого защитного резистора;

- формируют сигнал на подключение и управление величиной регулируемого защитного резистора, который может быть, например, выполнен в виде электродов с возможностью углубления их в землю, пропорционально степени искажения фазовых траекторий;

- блокируют действие автоматики в нормальном режиме.

Способ выявления и подавления феррорезонансных процессов в сетях средних классов напряжения может быть реализован с использованием устройства (см. фиг. 1).

В нормальном режиме, когда токи и напряжения фаз от измерительных трансформаторов тока 1 и напряжения 2 близки к синусоидальным, ток нулевой последовательности от блока 1 и напряжение на нейтрали от блока 2 отсутствуют, эти сигналы передают через устройства сопряжения с объектом 3_А, 3_В, 3_С и 3₀ в блоки 4. Фазовые характеристики сети, вычисленные блоками 4_А, 4_В, 4_С, представляют собой правильный эллипс, как показано на фиг. 2, и сигналы на выходах этих блоков отсутствуют. Сигнал на выходе блока 4₀ отсутствует. АЦП 5 и МК 6 не формируют управляющего сигнала для блока резисторов, работу устройства блокируют.

При возникновении феррорезонансного процесса на входы УСО 3А, 3В, 3С поступают сигналы фазных токов и напряжений, УСО 30 - сигналы тока и напряжения нулевой последовательности от измерительных трансформаторов тока 1 и напряжения 2, подключенных к шинам низшего напряжения подстанции, тем самым идентифицируют режим феррорезонанса по мгновенным значениям токов и напряжений в фазах и в контуре нулевой последовательности. Сигналы с выходов УСО 3_А, 3_В, 3_С и 3₀ поступают на входы блоков получения фазовых характеристик сети 4_А, 4_В, 4_С и 4₀ соответственно, на выходах 4_А, 4_В, 4_С и 4₀ получают сигналы, пропорциональные степени искажения фазовых траекторий, которые подают на входы АЦП 5.

Сигнал с выхода АЦП подают на вход МК 6, определяют величину оптимального значения сопротивления регулируемого защитного резистора 8 и в одном из режимов резонанса: гармонического, субгармонического или хаотического формируют сигнал на управление, который подают на второй вход пакета коммутаторов 7, на вход 1 которого подают напряжение на нейтрали с выхода нейтралеобразующего устройства 9, подключаемого на стороне низкого напряжения сетевой подстанции. Пакетом коммутаторов 7 формируют сигнал на подключение того числа разрядов регулируемого защитного резистора 8 к нейтрали сети, которое исключит развитие резонансного процесса.

Если по какой-либо причине фазовые траектории в любой фазе не достигнут заданной конфигурации, МК 6 подаст импульс на включение следующего разряда. При этом регулируемый защитный резистор 8, выполненный в виде электродов с возможностью углубления их в землю, обладает практически неограниченной термической стойкостью по сравнению с резисторами, выпускаемыми серийно, что особенно важно при локализации феррорезонансных процессов, способных существовать длительное время.

Для подтверждения эффективности предлагаемого способа были проведены расчетные эксперименты с помощью АТР/ЕМТР. В случае подавления феррорезонанса с использованием управляемого резистора при подключении первого разряда резистора и при подавлении феррорезонанса с использованием управляемого резистора получаемые фазовые характеристики сети близки к форме правильного эллипса, который соответствует подавлению феррорезонанса и ограничению феррорезонансных перенапряжений.

На основании моделирования показано (фиг. 2-8), что отсутствие элементов времени, определение фазовых характеристик переходного процесса и подключение регулируемого защитного резистора, выбранного по величине волнового сопротивления, позволяет превратить хаотичные колебания, характерные для феррорезонансных процессов любой природы, в периодические колебания промышленной частоты, ограничить феррорезонансные перенапряжения на допустимом для изоляции уровне, исключить протекание сверхтоков. Тем самым повышается быстродействие и точность идентификации феррорезонансных процессов в качестве исходной информации для управления регулируемым защитным резистором, вводимым в контур нулевой последовательности для надёжной ликвидации резонанса. При этом регулируемый защитный резистор имеет практически неограниченную термическую стойкость.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выявления и борьбы с феррорезонансом в сетях переменного тока 6-35 кВ, работающих с изолированной и компенсированной нейтралью. Технический результат заключается в повышении быстродействия и точности идентификации феррорезонансных процессов в качестве исходной информации для управления регулируемым защитным резистором, вводимым в контур нулевой последовательности для надёжной ликвидации резонанса, достигается способом выявления и подавления феррорезонансных процессов в сетях средних классов напряжения, заключающимся в выявлении режима феррорезонанса и формировании сигнала для управления величиной регулируемого защитного резистора, согласно изобретению идентифицируют режим феррорезонанса по мгновенным значениям токов и напряжений в фазах и в контуре нулевой последовательности, реализуют получение фазовых характеристик сети для фаз и контура нулевой последовательности, определяют величину оптимального значения сопротивления регулируемого защитного резистора, формируют сигнал на подключение и управление пропорционально степени искажения фазовых траекторий, при этом используют регулируемый защитный резистор, выполненный с возможностью углубления электродов в землю. 8 ил.

Способ выявления и подавления феррорезонансных процессов в сетях средних классов напряжения, заключающийся в выявлении режима феррорезонанса и формировании сигнала для управления величиной регулируемого защитного резистора, отличающийся тем, что идентифицируют режим феррорезонанса по мгновенным значениям токов и напряжений в фазах и в контуре нулевой последовательности, реализуют получение фазовых характеристик сети для фаз и контура нулевой последовательности, определяют величину оптимального значения сопротивления регулируемого защитного резистора, формируют сигнал на подключение и управление пропорционально степени искажения фазовых траекторий, при этом используют регулируемый защитный резистор, выполненный с возможностью углубления электродов в землю.