Способ автоматической настройки на резонанс контура нулевой последовательности сети Советский патент 1984 года по МПК H02H9/08 

2,Способ ПОП.1, отличаю- щ и и с я тем, что информационный сигнал с утроенной частотой и фазой по отношению к напряжению смещения нейтрали формируют в виде составляющей прямоугольного сигнала промышленной частоты, полученного путем релейного усиления напряжения смещения нейтрали, а сравнение по фазе информащюнного и опорного сигналов осуществляют путем синхронного детектирования релейно усиленного напряжения смещения нейтрали сформированным опорным сигналом утроенной частоты.

3.Способ по п. 1, отличаю,щ и и с я тем, что опорный сигнал

с утроенной частотой и фазой по отношению к линейным напряжениям сети формируют путем суммирова,ния или перемножения релейно усиленных линейных напряжеНИИ.

4. Способ по П.1, отличающийся тем, что опорный сигнал с утроенной частотой и фазой по отношению к линейным напряжениям сети формируют путем ввделения максинзяьных и минимальных мгновенных значений линейных напряжений, суммирования их и релейного инверсного- усиления результата сум рования.

1. СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ НА РЕЗОНАНС КОНТУРА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СЕТИ, при котором измеряют напряжение смещения нейтрали, по которому формируют информационный сигнал, контролируют порядок чередования фаз сети, формируют опорный сигнал, сравнивают по фазе опорный и информационный сигналы, интегрируют результат сравнения и изме.няют индуктивность контура нулевой последовательности по результату интегрирования, отличающий с я тем, что, с целью повышения быстродействия, измеряют линейные напряжения сети, указанный опорный сигнал формируют с утроенной частотой и фазой по отношению к с линейным напряжениям, указанный формационный сигнал формируют с (Л утроенной частотой и фазой по отношению к напряжению смещения нейтрали и в случае обратного порядка чередования фаз изменяют знак результата сравнения по фазе опорного и информационного сигналов. О 00 05 со со

1

Изобретение относится к способам построения автоматических систем компенсации емкостных токов утечек на землю в сетях трехфазного напряжения.

Известен способ автоматической .настройки дугогасящей катушки, в соответствии с которым в сети создают искусственную несимметршо путем подк;шчения медцу землей и одной из фаз асимметрирующего конденсатора, формируют сигнал управления при помощи сравнения по фазе напряжения, смещения нейтрали и опорного сигнала, пропорционального напряжению на асимметрирующем конденсаторе, интегрируют сигнал управления и изменяют индуктивность дугогасящей катушки l }.

Способ не может быть использован при возникновении в сети однофазных утечек на землю. Появление однофазной утечки в любой из фаз приводит к расстройкам компенсации из-за жесткой связи опорного сигнала с напряжением на асимметрирующем конденсаторе.

Известен также способ автоматической настройки дугогасящего реактора, -в соответствии с которым создают в сети искусственную несимметрию путем подключения к одной из фаз асимметрирующего конденсатора.

измеряют фазные напряжения сети и напряжения смещения нейтрали, формируют сигнал управления путем сравнения по фазе напряжения смещения нейтрали.и опорного сигнала, контролируют возникновение в сети аварийного режима, выбирают в этом режиме фазное напряжение источника поврежденной фазы, используют в качестве

опорного сигнала в нормальном режиме функционирования сети напряжение, пропорциональное напряжению на асимметрирующем конденсаторе, а в аварийном режиме - фазное напряжение

источника поврежденной фазы, интегрируют сигнал управления, меняют индуктивность дугогасящего реактора по результату интегрированияС2 J. Недостатком способа является создание искусственной несимметрии с помо1цью асинметрирующего конденсатора, жестко связанного с одной из фаз сети, что может привести к расстройкам компенсации и, кроме того,

к увеличению остаточного тока через однофазную утечку даже при наличии точно скомпенсированной емкостной оставляквцей в aвapийнo f режиме. Наиболее близким к изобретению

вляется способ автоматической

астройки индуктивности контура нуевой последовательности сети, в оответствии с которым создают в сети искусственную несимметрию путем подключения к одной из фаз асимметрирующего элемента, измеряют напряжение смещения нейтрали и фазные напряжения источника питания сети контролируют порядок чередования фаз сети,, сравнивают по фазе напряжение смещения нейтрали (информационный сигнал) и опорный сигнал, интегрируют результат сравнения, из меняют индуктивность контура нулевой последовательности по результату интегрирования, контролируют предельно максимальное и предельно минимальное значения индуктивности контура нулево последовательности путем сравнения результата интегрирования с двумя эталонными величина ми, переключают асимметрирующий элемент в опер ежающую фазу при достижении индуктивностью предельно максимального яначения и в отстающую фазу - при достижении индуктивностью предельно минимального значе ния и используют в качестве опорног сигнала фазное напряжение источника питания той фазы сети, к которой подключен асимметрирующий элементСЗ В данном способе, в сравнении с предьадущим создаваемая искусственна несимметрия уже не оказывает отрица тельного влияния на остаточный ток через однофазную утечку при скомпен сированной емкостной составляющей. Однако по-прежнему при настройке компенсации теряется время на выявление поврежденной фазы. Так, при возникновении утечки в одной из соседних фаз по отношению к асиммет рирующей (к которой подключен асимметрирующий элемент) время выявления повре:вденной фазы определяется временем интегрирования и изменения индуктивности контура нулевой после довательности в сторону одного из предельных .значений, временем распознавания достижения предельного значения (ограничения) индуктивноетью и временем переключения асиммет рирующего элемента в поврежденную фазу с соответствующим изменением фазы опорного сигнала. Время интегр рования и время распознавания дости жения индуктивностью ограничения со тавляют основную часть общего време ни выявления поврежденной фазы. Есл время переключения может быть достаточно малым за счет использования быстродействукмдих устройств коммута1 и, то уменьшение интегрирования и распознавания ограничения встречает серьезные затруднения, связанные с обеспечением устойчивости резонансной настройки и устранением ложных переключений, т.е. с возможностью применения способа в целом, Цельн/ изобретения является повышение быстродействия настройки на резонанс контура нулевой последовательности сети. Указанная цель достигается тем, что согласно способу, при котором измеряют напряжение смещения нейтрали, по которому формируют инфо.рмационный сигнал, контролируют порядок чередования фаз сети, формируют опорный сигнал, сравнивают по фазе опорный и информационный сигналы, интегрируют результат сравнения и изменяют индуктивность контура нулевой последовательности сети по результату интегрирования, измеряют линейные напряжения сети, указанный опорный сигнал формируют с утроенной частотой и фазой по отношению к линейным напряжениям, указанный информационный сигнал формирую т с утроенной частотой и фазой по отношению к напряжению смещения нейтрали и в случае обратного порядка чередования фаз изменяют знак результата сравнения по фазе опорного и информационного сигналов. Причем информационный сигнал с утроенной частотой и фазой по отношению к. напряжению смещения нейтрали формируют в виде составляющей прямоугольного сигнала промышленной частоты, полученного путем релейного усиления напряжения смещения нейтрали, а сравнение пер фазе информационного и опорного сигналов осуществляют путем синхронного детектирования релейно усиленного напряжения смещения нейтрали сформированным опорным сигналом утроенной частоты. Кроме того, опорный сигнал с утроенной частотой и фазой по отношению к линейным напряжениям сети формируют путем суммирования или перемножения релейно усиленных линейных напряжений, или путем выделения максимальных и минимальных мгновенных значений линейных напряжений, суммирования их и релейного инверсного усиления результата суммирования. На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 и 3 - примеры принципиальных схем формирователя опорного сигнала; на фиг. 4 - временная диаграмма, поясняющая способы форми5 ования опорного сигнала с утроенной частотой и фазой по отношению к линейным напряжениям сети. Схема устройства содержит датчик напряжения смещения нейтрали, подключенный к контуру нулевой последовательности сети 2, формирователь информационного сигнала, блок 4 измерения линейных напряжений, подключенный к фазам А, В и С сети 2, формирователь 5 опорного сигнала, а также.последовательно соединенные блок 6 определения разности фаз, интегрирующее звено 7 и блок 8 регулирования индуктивности контура нулевой последовательности, состоящий из усилителя мощности 9 и дросселя насыщения 10, связанного с сетью 2. Выход датчика 1 подключен к первому входу блока 6 определения разности фаз через формирователь 3 информационного сигнала. Входы формироваТеля 5 опорного сигнала подключены к выходам блока 4 измерения линейных напряжений, а выход соединен с вторым входом блока 6. Выход усилителя 9 подключен к обмотке подмагничивания дросселя 10. Схема формирователя опорного сигнала (фиг. 2) содержит релейные звенья 11, входы которых подключаются к выходам блока 4 измерения линей ных напряжений (фиг. 1). Выходы звеньев 11 подключены к входам блока суммирования 12, у которого выход подключается к второму входу блока 6 определения разности фаз (фиг. 1). Релейное звено 11 выполнено в виде операционного усилителя 13 с ограничительным резистором 14 в цепи ин1вертирующего входа и делителем напря жения на резисторах 15 и 16 в цепи положительной обратной связи. Блок суммирования 12 выполнен по схеме релейного звена с тремя входными токоограничивающими резисторами 14. Схема формирователя опорного сигнала (фиг. 3) содержит трехфазный мостовой вйпрямитель 17, входы которого подключаются к выходам блока 4 измерения линейных напряжений, а выходы подключены к входам релейного инвертора 18, у которого выход соединяется с вторым входом блока 6 определения разности фаз. Релейный инвертор 18 выполнен по схеме токового ключа на транзисторе 19, у которого коллектор-эмиттерный переход подключен к двум последовательно соединенным источникам 20 постоянного напряжения через ограничительный резистор 21 со стороны коллектора, а база-эмиттерный переход зашунтирован диодом 22 и включен последовательно с двумя токоограничиваницими резисторами 23. На фиг. 4 обозначены: UA(t), измеренные линей- ные напряжения сети; Z(t), Z-..(t) и (t) - релёйно усиленные линейные напряжения; ,(t) и U, (t) максимальные и минимальные мгновенные значения линейных напряжений; (t) - опорный сигнал утроенной частоты. При появлении в сети 2 однофазной утечки, (например, в фазе 8), в контуре нулевой последовательности возникает напряжение (t) смещения нейтрали вида (ju.L)/s,-n|;a;t -.(/(m,|, {,j где Uj и - амплитуда и фаза линейного напряжения (t)(u)t + 4j,) между неповрежденными фазами сети (фазами А и С ) : UJ - промышленная частота сети; /W(jW,L/ и Vg (L) модуль и фаза на частоте U) амгшптудно-частотная характеристики контура нулевой последовательности, образованного параметрами изоляции фаз сети 2 относительно земли и регулируемой индуктивностью L дросселя насыщения 10. Известно, что ток, протекающий через однофазную утечку, принимает минимальное или близкое к нему значение, когда контур нулевой последовательности сети находится в резонансном состоянии. В условиях меняющейся емкости фаз сети относительно земли резонансное состояние контура поддерживают путем автоматинеской настройки индуктивности L на соответствующее значение L . Критерием резонансной настройки может служить установление фазы Vg(L) 4g(Lp)-90 , а информацией о величине и зн; з резонансной рас; стройки - отклонения текущей фазы Ч(Ь) от указанного равновесного значения Ча (L,,). Из выражения (1) гидно, что для вьщеления фазы fg (L) необходимо сравнивать значения текущей фазы Sg+/g(L) напряжений (t) и начальной фазы /0 линейного напряжения (t). Однако в общем случае фаза Yfl может принимать значения 0,1+ 4-120 и -120. Поэтому при неправильном выборе линейного напряжения трехфазной сети и сравнении его по фазе с напряжением .(t) к вьщеляе мому полезному значению фазы «fg(t) добавляется паразитный фазовый сдвиг равный t120, что не позволяет достигнуть резонансной настройки в соот ветствии с установленным критерием. В предлагаемом способе сравнение по фазе полезных сигналов производит ся после их частотно-фазового утроения, что устраняет возможность появления паразитного фазового сдвига Действительно, независимо от номера поврежденной фазы сети, достаточно располагать только двумя сигналами: опорным оя ( ) ( Z (3w)Sin3u)i . (2) с утроенной частотой и фазой по отн щению к линейным напряжениям сети, и информационным ((3u.) (3u))( (3 С утроенной частотой и фазой по отношению к напряжению i(t) смещения нейтрали. Здесь 2;;;(3ы) и ) амплитуды опорного и информационного сигналов. Тождества в выражениях (2) и (3) основаны на том, что фаза ЗЧ-.0,1360° кратна периоду гар монических колебаний. Отклонения фазового сдвига 3Yg(t мелоду сигналами (2) и (3) от равновесного значения (I.p)-270 со108 . держат в себе информацию о величине и знаке резонансной расстройки 0 при О при 0 при и лежат в основе управления индуктивностыь L контура нулевой последовательности сети 2. Так, в устройстве (фиг. 1) сигнал управления V(t) на выходе блока 6, пропорциональный разности фаз (4), после интегрирования (звеном 7) и усиления по мощности (блоком 9) определяет астатическую настройку индуктивности L контура (дросселя 10) к резонансному значению Lp, Частотно-Фазовое утроение сигналов можно производить традиционно путем -нелинейного преобразования исходных синусоидальных сигналов в несинусоидальные и выделения из них составляющих утроенной частоты с помощью избирательной фильтрации. При этом фазовый сдвиг между сигналами утроенной частоты может быть определен любым из методов фазового детектирования, в том числе и методом синхронного детектирования. Последний имеет некоторые преимущества. В синхронно детектируемых сигналах (информационном и опорном) допускается иметь кроме полезных составляющих утроенной частоты дополнительные составляющие, спектры которых пересекаются только на частотах, кратных трем. Это позволяет при формировании опорного и информационного сигналов исключить операцию избирательной фильтрации и обойтись лишь безынерционными нелинейными преобразованиями, что упрощает техническую реализацию и положительно отражается на динамике резонансной настройки. Пусть, например, информационный и опорный сигналы равны соответствен ° ) ZQ(t)(3wt 3%) . (6) Разложения колебаний (5) и (6) в ряд Фурье имеют вид: инф( ( (Я со Т 21 (2wtlf51пГ(21т.1) X (3u.)(в) Одной из частных форм операции синхронного детектирования является перемножение сигналов Zj,(t) и (t) с последующим выделением .нек лебательной составляющей путем осреднения() где М f 1 - оператор осреднения. Неколебательная составляющая возни кает от перемножения гармоник с частотами, равными (2п ft) ()3u)(n, ,«) и кратными трем Подставляя разложения (7) и (8) в (9) получаем новый тригонометрический ряд - {2nvbl} )3Yg(q L.Mt) (Щ который совпадает с разложением в ряд Фурье функции апрмЗ {1 Ц,)-27в |-arcsi«cos 3 /glU| « 0п(мЗУ|{Цр|«-ЛО 0 npM5V(t.l.j, Нетрудно видеть, что результат синхронного детектирования прямоугольных колебаний (5) и (6), равный (t1), соответствует отклонениям (4). информационный сигнал Z ф(г) (5) может быть прямоугольной формы (.) может получен путем релейного усиления (формирователем 3) напряжения (t) смещения нейтрали (на выходе датчика 1). Все гармоники (7) колебания (5) оказываются при этом автоматически сфазированньми с напряжением Опорный сигнал Z(t) может быть получен несколькими способами.(на фиг. 2 поясняются наиболее рациональные). Одним из способов является преобразование (с помощью релейньпс звеньев) измеренных линейных напряжений идс(с), Ugд(t) и Uce(t) в пря моугольные колебания Z(t)8ignU(t (,8Л, Об ), которые после суммирования или перемножения порождают опорный сигнал (см. фиг. 2) 9 Другой способ заключается в выделении максимальных и минимальных мгновенных значений линейных напряжений - (t) и U.(t) (например, с помощью трехфазного выпрямителя) и суммировании их с последующим релейным инверсным усилением (на релейном инверторе) Z(t)-signtu(t)U,.(t)l. Выбор способа определяется удобством технической реализации. Так, при использовании интегральных элементов целесообразно применять способ с обработкой прямоугольных сигналов ,(.t) Zgд(t) и Zj.g.(t), что реализуется с помощью схемы на фиг. 2, а при использовании дискретных элементов - способ с выделением Ujjj(t), для чего может быть использована схема, представленная на фиг. 3. Особенностью схемы на фиг. 2 является использование в блоках 11 и 12 однотипных релейных элементов с инверсным усилением. При этом промежуточные прямоугольные сигналы на выходах звеньев 11 находятся в противофазе по отношению к сигналам Z.,c(t), ZRд(t), Zj.A(t), представленным на фиг. 2. Однако после дополнительного инвертирования сумматором 12 на выходе.формирователя присутствует опорный сигнал, оп требуемой полярности. Уровни выходных напряжений операционных усилителей 13 равны собственным напряжениям ограничения, поскольку внешние цепи ограничения выходных сигналов отсутствуют. В качестве блока 12 может быть использован не только сумматор, но и множительное звено. Конечный результат при этом не изменяется. Работа формирователя опорного сигнала по схеме на фиг. 3 заключается в следующем. Трехфазньй мостовой выпрямитель 17 выделяет максимальные и минимальные мгновенные значения линейных U,(t). Ток, напряжений U v(t) Протекающий через параллельное соединение база-эмиттерного перехода транзистора 19 и диода 22, пропорционален сумме токов, протекающих через резисторы 23, т.е. пропорционален сумме напряжений U Ct) и / iVt 0| « и.- (t;. Под воздействием этого тока транзистор 19 переключается из закрытого состояния в открытое яериодячески с утроенной частотой сети. В результате на коллекторе транзистора 19 по отношению к соедииения HCTOMHHKOF О присутствуют двухполярные импульсы, которые ис- ;; пользуются в качестве, выходного сигнала jj (t). При возникновений потребности в однополярных импуяьеах выходной сигнал следует сннашть по отношению к эмиттеру транзистора 19.

Получаемьй опорный сигнал Z(t) утроенной частоты совпадает по фаае с напряжениями (t), U(t) и pg(t), т.е. моменты перехода отриательных полупериодов в положительые для калсдого из линейных напяжений совпадают с моментами налогичных переходов в сигнале gj,t)Ha фиг. 2 пунктиром).

Соблюдение условий синфазности опорного сигнала с линейными наприениями U|(t) (,6A,C6) и инфорационного сигнала ) с напрйжением 2(с) смещения нейтрали необ- ходимо Для достижения точности настройки на резонанс. Кроме того, для обеспечения устойчивости автоматической настройки полярность сигнала управления V{t), пропорционального разности фаз (4), должна состветствовать знаку резонансной расстройки. Нарушения последнего условия могут происходить за счет ин:версии сигнала управления V(t), возникающей в результате несовпадения имеющегося , в сети порядка чередования фаз и условно принимаемого для линейных проводов (фаз) А , & и С сети, между которыми производится измерение напряжений.

При прямом порядке чередования фаз сети фаза А отстает от фазы С и опережает фазу 6, а при обратном порядке чередования наоборот - фаза А опережает фазу С и отстает от фазы В . Измерение Н1апряжений между одними и теми же линейными провода1да сети дает две группы напряжений:

АС %А УСВ для прямого порядка чередования фаз сети, а также Uдg(t), ) и Ugg(t) -,для

обратного порядка чередования, причем (t)-Uc(t), UBA(t)(t) и %&(t)-Ugj(t), т.е. смена прямого порядка чередования фаз сети

на обратный приводит к инверсии измеряемых линейных напряжений и, как следствие, к инверсии сигнала управления V(t). Оценку устойчивости автоматической настройки, таким

образом, можно производить с помощью контроля порядка чередования

фаз,

Возможны два пути обеспечения устойчивости автоматической настройки в зависимости от удобства эксплуатации : устранение первопричины появленияинверсии сигнала управления V(t) , т.е. установление прямого порядка чередованияфаз сети путем

перестановки любых двух линейных проводов на входе блока измерения 4; изменение знака сигн&ла управления V(t) при обратном порядке чередования фаз сети, например, с помощью изме-нения знака козффициента передачи в одном из блоков 3, 5 и 6.

В предложенном способе автоматической настройки на резонанс контура нулевой, последовательности сети обработка сигналов утроенной частоты позволяет исключить потери времени, связаиные с распознаванием номера . поврежденной фазы, и повысить тем быстродействие настройки. Синфазность обрабатываемых сигналов с напряжениями контура нулевой последовательности и источника питания сети (информационного сигнала с напря-г жением смещения нейтрали и опорного

сигнала с линейными напряжениями сети) достигается простыми методами нелинейной Л обработки, удобными в реализации. Необходимость контроля порядка чередования фаз сети для

обеспечения устойчивости автоматической настройки возникает только при подключении устройства к фазам сети и на быстродействий автоматической настройки не отражается.

Применение способа позволяет повысить надежность и безопасность эксплуатации трехфазных электрических сетей.

UnaKc i)

.. JT еК-

L.

-ZeA{i)

//

елИ)

-ZcBfi)

//

Uced)