Устройство для компенсации полного тока однофазного замыкания на землю Советский патент 1983 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенс ции емкостной и активной составляющих тока однофазного замлкания на землю и полного гашения перемешающихся дуг в трехфазных электрически сетях с незаземленной нейтралью. По основному авт. св. 813587 известно устройство для компенсации полного тока,содержащее дугогасящий реактор, включенный в нейтраль сети однофазный зависимый инвертор,подключенный к дугогасящему реактору, управляемый выпрямитель,соединенный с источником напряжения, выход кото рого зашунтирован встречно включенным диодом и подключен к входу упом нутого инвертора, а также блок расп знавания режима замыкания, выход ко торого соединен с пермлм входом управляемого выпрямителя. Данное устройство представляет собой, по сути дела, нелинейное отри цательное сопротивление, отдающее в контур нулевой последовательности энергию, которая расходуется на возмещение активных потерь в комдеисирующем реакторе и изоляции сети, и таким образом, совместно с компенсирующим реактором устраняет и емкостну и активную составляющие тока однофаз ного замыкания fl. Однако отрицательное сопротивлени инвертора проявляетсяне только по отношению к колебательной составляющей, на частоте сети, но и по отноше нию к неколебательной (постоянной J составляющей тока через дугогасящий реактор. Вследствие этого в сети с устойчивым (глухим )однофазным замыканием уменьшается сопротивление постоянному току в цепи: дугогасящий реактор - источник поврежденной фазы - место замыкания - инвертор,что затягивает апериодический переходный процесс при возникновении замыкания, снижает быстродействие компенсации и ухудшает условия электробезопасности. Кроме того, прималых сопротивлениях замыкания возможна потеря устой чивости в системе сеть - инвентор. При этом напряжение на инвенторе перестает менять знак, и через инвен тор - дугогасящий реактор - место замыкания протекает ток неизменной полярности. Поскольку работа в подоб ном режиме недопустима по условиям эксплуатации сети, при потере устойчивости управляемый выпрямитель должен быть заперт. Таким образом, неизвестное устройство неработоспособно при малых сопротивлениях замыкания, что сужает его функциональные возможности. Целью изобретения является расширение функциональных возмржиостей и пов.ьныение быстродействия устройства, Цель достигается тем, что устройство снабжено датчиком направления тока через инвентор и последовательно соединенньм фильтром низких частот, блоком коррекции, блоком умножения и блоком вычитания, причем один выход датчика направления тока через инвертор подключен к входу фильтра низких частот, другой - к входу блока умножения, а вход датчика направления тока через инвентор соединен с выходом однофазного зависимого инвертора. На фиг. 1 изображена принципиальная схема примера выполнения предлагаемого устройства;на фиг. 2 и 3- временные диаграммы, характе Зизующие работу устройства в сети с однофазным замыканием на землю; на фиг.4 пример выполнения корректирующего блока. Устройство содержит дугогасящий реактор 1, включенный последовательно с ним однофазный зависимый инвентор 2, состоящий из тиристорного моста 3 - б и блока 7 управления тиристорами 3-6. Инвентор 2 соединен с управляемым выпрямителем 8, зашунтированным диодом 9. С инвентором связан датчик 10 направления тока j(t) через инвентор 2. В простейшем случае датчик 10 состоит из резистора 11 и связанного с ним компаратора 12. Выход датчика 10 соединен с входом последовательно включенных фильтра 13 низких частот и корректирующего блока 14. К выходу корректирующего блока 14 подключен первьай вход блока 15 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 10. Первый. вход блока 16 вычитания подключен к входу управления устройства, а выход блока 15 соединен с вторым входом блока 16 вычитания. Устройство содержит также блок 17 распознавания режима замыкания, на, вход которого подано напряжение Е (t смещения нейтрали, выход же его соединен с первым входом управляемого выпрямителя 8, к второму входу которого подключен,выход блока 16 вычитания. Кривые 18. - 21 на фиг. 2 изобраают зависимости от времени соответственно тока, l(t) через дугогасяий реакт ор 1, его постоянной составляющей Q(t), напряжения .E(t). на инвенторе 2 и постоянной составяющей E°(t) этого напряжения. На фиг. 3 кривые 22 и 23 аналогичы кривым 18 и 19 на фиг. 2, а кривые 4 - 30 показывают соответственно игналы U|4(t) на выходе корректируюего блока 14, (t) на выходе блока .5 умножения, Ujj(t) на выходе блока 6 вычитания, а также напряжение n(t) на инверторе 2.и его постоянную составляющую Е° (t) как функции времени. Принципиальная схема корректирующего блока 14 (фиг. 4) содержит операционный усилитель 31, конденсато: ы 32 - 35 и резисторы 36-38. Устройство работает следующим образом. В режиме однофазного замыкания блок 17 распознавания режима замы сания подает- на первый вход управляе-г мого выпрямителя 8 сигнал 2(t), раз решающий появление на выходе управляв- мого выпрямителя напряжения Н (t) /РавногоH(t) KUo{t) ,(И где Ug(t) - напряжение, подаваемое на второй вход управляемого выпрямителя 8. Сигнал U(j(t) преобразуется инвентором 2 в напряжение Ek (t) F,k(t) H(t) sign 1(t} (2) направленное встречно току I (t), про текающему через дугогасящий реактор; 1. Вследствие этого инвентор 2 отдае энергию в контур нулевой последова-тельности сети, или, иными слова.ми/ обладает отрицательным сопротивлением. ,. Благодаря возмущению инвентором активных потерь в контуре нулевой по следовательности, происходит компенсация не только емкостной,но и актив ной составляющей тока однофазного-за мыкания. Полная компенсация наступает при соответствующей настройке индук тивности L дугогасящего реактора 1: и напряжения Н, определяемого (в конечном итоге ) сигналом U(t)U oCt)Продолжим рассмотрение работы устройства в предаюложении, что Btiход блока 15 умножения отключен QT второго входа блока 16 вычитания.Контур нулевой последовательности сети с предполагаемым устройством. .: ПРИ работе в режиме глухого замьжания через малое сопротивление может оказаться неустойчивым по неколебательньом составляющим, токов и напряжений. 14еханизм этого явления поясняется на фиг. 2. Так как напряжение Ej(t) на инвенторе 2 меняет знак : синхронно со сменой знака током l(t) через компенсирующий реактор 1, то при появлении в токе l(t) (фиг.2, кривая 18) даже небольшой постоян ной составляющей.(д(t) (фиг. 2, кри |Вая 19) приводит к изменению скважности Sимпульсов в напряжений E|;(t) Сфиг. 2, кривая 20/. На инверторе 2 :скважность S отклоняется от значения Вследствие этого в указанном )яжё ijHH также появляется постоянная ;составляющая Е° (t) (фиг. 2, кривая 21). Данная составляющая, в свою очередь, вызывает дополнительный постоянный ток, замыкающийся по цепи инвертор 2 - дугогасящий реактор 1 -, место замыкания, увеличивающий постоянную составляющую lo(t) тока. l(t), как следствие возрастает постоянная составляющая ) в напряжении E(t)H т.д. В результате при соблюдении неравенства R + R, где 1|п - амплитуда переменной составляющей в токе через дугогасящий реактор 1; R - активное сопротивление дуго. гасящего реактора 1; R(j - сопротивление места замыкания, постоянная составляющая lo(t) может нарастать до величины 1 .равной (R Rp) это показано на фиг. 2, что и означает потерю устойчивости по постоянному току.Переключения инвертора 2 при этом прекращаются {момент t на фиг. 2) , так как ток Mt) не меняет направления. Данный режим характеризуется значительным увеличением суммарного тока через место замыкания. Если же неравенство (3) не выполняется, тем не менее процесс затухания постоянной составляющей затягивается, а указанное обстоятельство существенно снижает условня электробезопасности в тех случаях, когда роль постоянной составляющей играет свободная составляющая тока l(t), возникающая в момент однофазного замыкания на землю и имеющая значительную величину. Рассмотрим теперь работу устройства прн наличии в токе l(t) значительной постоянной составляющей. При этом считаем, что условно разорван- ная ранее связь между выходом блока 15 умножения и вторым входом блока вычи.тания восстановлена. Временная диаграмма работы устройства в указанном случае показана на фиг. 3.При наличии постоянной составляющей IQ(t) в токе Kt) через дугогасящий реактор 1 скважность S импульсов в сигнале y(t) на выходе датчика 10 y(t) signl(t) отклоняется от значения (фиг. 2, кривые 22-24). Вследствие этого в сигнале y(t) также появляется постоянная составляю-щая, которая выделяется фильтром 13 низких частот. Указанный фильтр может быть выполнен как в виде линейного звена, так и в виде устройства дискретным по времени съемом информации. Выделенная постоянная составляющая в виде сигнала U(t), |пройдя через корректирующий лок 14, предназначенный для улучшения динамических характеристик устройства, поступает на вход блока 15 умножения, где умножается на прямоугольный сигнал y(t) давая в результате сигнал U(t), равный (К) U(t) sign l(t). График сигнала СГ(г) изображен на фиг, 3, кривая 27. Указанный сигнал вычитается из сигнала uj(t) управлен посредством блока 16 вычитания, фор мируя сигнал,Up(t), показанный на фиг (кривая 28), и поступающий на второ вход управляемого выпрямителя 8. По скольку напряжение H(t) питающее ин вертор 2, равно H(t)KUo(t) K(U(t)-U(t) sign l(t.)); то напряжение Е, (t)-Н (t) si gn i(t) оказывается модулированным по ампли туде: амплитуда полупериодов с большей длительностью уменьшается, а амплитуда полупериодов с меньшей дли тельностью увеличивается (фиг. 3, кривая 29). Вследствие этого в напря жение ) на инверторе 2, равном E(t)Ktu(t)-U(t) sign I (t)3 signl (t ) sign.l (t)-KU(t) Образуется компенсирующая постоявная составляющая Е -KU(t),направленная встречно постоянной составляющей lh{t) тока l(t),4TO способствует скорейшему ее затуханию, Аналогичным образом подавляются и малые отклонения постоянной состав ляющей тока l,(t) от нуля, благодаря чему контур нулевой последовательнос ти оказывается устойчивым по постоян ному току. После исчезновения постоянной составляющей lo(t) в токе l{t) сигна лы U(t), U(t}HU(t) становятся рав.ными нулю, сигнал UQ повторяет сигнал управления и(t) и свойства устройства снова определяются выраже-ниями (1) и (2) , Таким образом, предлагаемое устройство создает в контуре нулевой последовательности как отрицательную обратную -связь по постоянному току, так и положительную обратную связь по переменному току, предназначенную для компенсации активной составляющей, т.е. предлагаемое устройство является нелинейным положительньм сопротивлением для постоянного тока, сохраняя свойства отрицательного сопротивления для переменного тока. Следует заметить, что большие зна чения коэффициента усиления в контуре компенсации постоянной составляюще ухудшают его динамические характерис тики и могут привести к автоколебаниям. Для устранения указанного свойства в устройстве предусмотрен корректирующий блок 14.. Его структура и параметры определяются свойствами, i фильтра 13 низких частот и диапазб- ном изменения параметров сети. Так, для случая типичной распределительной сети 6 кВ с емкостными токами от 30 до 100А, и в случае применения в качестве фильтра 13 устройства дискретного съема информации на каждом полупериоде частоты сети, в качестве корректирующего блока 14 может быть применено устройство, изображенное на фиг. 4.Приведенная схема реализует следующую передаточную функцию: W{D) Rg 1,+ (Тэ+Т) где - оператор дифференцирования;-2R,,C, + R2Ci2 T2 (C +2Cj) ( ) ,Ci k Ъ 3 емкость конденсаторов 32 и 33, C-, Cj- соответственно емкости конденсаторов 34 и 35. соответственно сопротивления рез.истрров 36 и 38. Использование предлагаемого устройства позволяет устранить свойство потери устойчивости по постоянному току при малых сопротивлениях замыкания и этим расширить его функциональные возможности И повысить над1ежность функционирован1 я. Кроме того, положительное сопротивление ПОСТОЯННОМУ току, вносимое данным устройством в контур нулевой последовательности сети, увеличивает общее сопротивление контура постоянному току, что способствует быстрому затуханию экспоненционального пере- : хода процесса, возникающего в сети после замыкания фазы на землю, и, таким образом, улучшает условия электробезопасности при эксплуатации электрических се.тей и установок потре бителей электроэнергии. Применение систем автоматической компенсации полного тока однофазного замыкания на землю, построенных на основе предлагаемого устройства, позволит суиественно повысить надежность и безог асность электроснабжения в сетях с незаземленной нейтралью. Фиг2 А

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ полного ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАЬИКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ по св. 813587, о тл ,и чающее с я тем, что, с . целью расширения функциональных возможностей и повьшекия Шстродействия, оно снабжено датчиком направления то„ ка через инвертор и последовательно соединенным фильтром низких частот, блоком коррекции, блоком умножения и блоком вычитания,причем один выход датчика направления тока через инвентор подключен к входу фильтра нидких частот,а другой - к входу блока умно жения,а вход датчика напрё1вления тока через инвертор соединен с выхо- дом однофазного зависимого инвертора. со с: и о 00 00 сд 9КГ

а О

fx,V

I I I

III I

r I I I

II

Фиг.З