Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в кабельных сетях с дугогасящим реактором Советский патент 1986 года по МПК H02H9/08 

1 1

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к области релей ной защиты и автоматики в трехфазных распределительных сетях с резонансным заземлением нейтрали, и может использоваться в нормальном режиме работы сети .для измерения расстройки и автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазных замыканий на землю в кабельных сетях.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повьшение точности.

На фиг. 1 показан пример функцио нальной схемы предлагаемого устройства; на фиг. 2 - пример его принципиальной схемы для случая дугогасяще го реактора (ДГР) плунжерного типа.

На фиг. 1 блок создания искусственной несимметрии (ВИН) 1, в качестве которого могут применяться, например, асимметрирующий конденсатор, присоединительный трансформатор с различным числом витков первичной обмотки, специальный трансформатор, вторичная обмотка которого включена последовательно или параллельно с ДГР, а первичная соединена соответственно с источником напряжения или тока промышленной частоты, измерительный трансформатор или вторичная обмотка ДГР, подключенная к источнику напряжения промышленной частоты через конденсатор, дроссель или трансреактор.. На фиг. 1 показаны также сеть 2 с ДГР 3. Устройство содержит связанные с сетью 2 датчик 4 напряжения l(t) смещения нейтрали или тока I(t) ДГР, т.е. датчик входного сигнала, датчик 5 линейного или фазного напряжения сети, т.е. датчик опорного сигнала, последовательно включенные измеритель 6 косинуса разности фаз, содержащий второе релейное звено 7 и множительное звено 8, а также второй фильтр 9 низких частот (ФНЧ), второй сумматор 10, первое репейное звено 11, первый фильтр

12низких частот, первый сумматор

13и блок 14 управления (БУ), выход которого соединен с управляющим входом ДГР 3. Кроме того, в устройство, входят масштабньй преобразователь 15, индикатор 16 расстройки резонансного состояния КНПС, блок 17 упреждения настройки, выход которого подключен к второму входу первого сумматора 13, а также блок 18 распозна298982

вания режимов (БРР), вход которого соединен с выходом датчика 4 напряжения l(t) смещения нейтрали или тока I(t) ДГР, а выход подан на вто5 рой вход блока 14 управления. Второй- вход измерителя 6 косинуса разности фаз, совпадающий с вторым входом множительного звена 8, подключен к выходу датчика 5 линейного E,(t) или

10 фазного E(t) напряжения сети, а второй вход второго сумматора 10 через масштабный преобразователь 15 соединен с выходом датчика 4 напряжения l(t) смещения нейтрали или тока I(t)

15 ДГР.

На фиг. 2 показаны сеть 2, дуго- гасящий реактор 3 плунжерного типа с обмоткой 19 и асинхронным двигателем 20 регулирующего зазор механизма,

20 подключенный к сети 2 при помощи, присоединительного трансформатора 21, первичная обмотка которого имеет выведенную нейтраль. Датчиком 4 напряжения смещения нейтрали служит вто2 ричная обмотка измерительного трансформатора 22, соединенная в разомкнутый треугольник, а датчик фазной ЭДС фазы В образован вторичной обмоткой трансформатора 22, соединенной в

30 звезду, трансформатором 23, предназначенным для преобразования масштаба напряжения l(t) смещения нeйtpaли, и делителем 24. Выпрямитель, вьшол- ненный на диодах 25-30 и стабилитро35 нах 31 и 32, служит для питания устройства. Релейное звено 7 измерителя 6 косинуса разности фаз образовано транзисторными ключами 33 и 34, а множительное звено 8 состоит из опе40 рационного усилителя 35, аналоговых ключей 36 и 37 и резисторов 38-41. ФНЧ 9 содержит резистор 42 и конденсатор 43, сумматор 10 и масштабный преобразователь 15 вьшолнены на ре45 зисторах 44 и 45, причем соотношение сопротивлений резисторов 45 и 44 определяет коэффициент передачи масштабного преобразователя. Первое репейное звено 11 включает в себя

50 компаратор на операционном усилителе 46 с двуханодным стабилитроном 47 в цепи обратной связи, предназначенным для стабилизации уровней прямоугольного сигнала U(t). ФНЧ 12 состоит из

55 резистора 48 и конденсатора 49, сумматор 13 образуется резистором 48 фильтра 12 и резистором 50. Индикатором 16 расстройки является вольтметр. Блок 14 управления реализован на /тразисторньш ключах 51 и 52 с электромагнитным реле 53 и 54 в нагрузке. Блок 18 распознавания режимов включает в себя диодную мосто- вую схему 55 с.конденсаторным фиксатором 56 и электромагнитным реле 57 на выходе.

Устройство работает следунищим образом.

Предположим (для определенности), что Ток 0(t) несимметрии сети создается асимметрирукицей емкостью АС, включенной в фазу В и, следовательно определяется выражением

0(t) (uJt + ), (1)

6) ct л СЕ,

пл

- амплитуда ЭДС E(t)-oй фазы,20 в которую включена асиммет- рирующая емкость ЬС;

E(t) Е„„ coscJT

Частотная характеристика объекта управления - КНПС определяется следующим выражением

W(jJ)

S(ja))

A(uJ)+juJB,

где S(juJ) jjJL + R; A(uJ) l+Rg-uJ LC; В RC + Lg;

L - индуктивност, ДГР; R - его активное сопротивление; С - суммарная емкость между фазами сети и землей; g - суммарная активная проводимость между фазами сети и землей.

Выражение (3) целесообразно переписать иначе, а именно

W(j.O) . (), (4)

где /Q(jcJ)/2 A4uJ)

fr(oJ) arctg tik « I . К 2

Считая, что 6 TV/2, напряжение l(t) смещения нейтрали сети можно представить так

l(t) (u3t+ц), (5) „ 1 п /S(H/- крр (fi

« V --ТЩЛГ/ - - ТоГШ

cos If -A(oJ)/Q(ju3)/ ; (7)

8in4 uJB/Q(.

(8)

Сигнал x(t) на выходе релейного звена 7 имеет вид

x(t) Н sign cos (ujt + q) (9)

где Н - уровень ограничения звена 7, Сигнал на выходе датчика 5 определяется вьфажением (2). Перемножив вьфажения (2) и (9), получим сигнал у на выходе измерителя 6 косинуса разности фаз

(10)

где коэффициент К, учитывает уровень Н и коэффициенты передачи звеньев 8 и 9 (фиг. 1).. Подставив уравнение (7) в вьфажение (10), получим

f

30

,. Q

,,

50

сигнал и на выходе релейного звена 25 11 равен

U(t)H,(t), l cos{u)t-i-4)3, (12)

где Н„ - уровень ограничения звена 1 1 ;

К - коэффициент передачи масштабного преобразователя 15. Разложив прямоугольные импульсы,, описываемые выражением (12) в сложный ряд Фурье, получим следующее соотношение

U(t) H arcsin J +

. (t) +4).(t), (13)

Первый член выражения (13) описывает медленную (неколебательную) составляющую сигнала U(t), которая выделяется ФНЧ 12. Выходной сигнал U ФНЧ 12 может быть определен при помощи подстановки вьфажения (3) в вьфа- жение (11), а В1фажение (11) и (6) в выражение (13).

ГтV V A(L. C.uJ)

U -K,arcsinK )/

где Кз I KjH ;

к .

o)4CK/

Kj - коэффициент усиления ФНЧ 12;

A(L, C,oJ) 1 + Rg согласно В1 1ражению (3).

Считая для простоты, как и ранее, R2«uJZL% т.е. /S(jcJ), и Rg 0, выражение для сигнала U можно записать

г, „. „ A(L,C,uJ)

U K-arcsinK. -.% , oj L ,

KjarcsinK(uJC - ), (14)

Таким образом, знак и. величина сигнала управления U в предлагаемом устройстве .однозначно связаны монотонной функциональной взаимосвязью с разностью реактивных проводимостей JC суммарной емкости сети и 1/(JL - ДГР, т.е. со знаком и величиной расстройки резонансного состояния КНПС, причем с уменьшением величины К указанная функциональная зависимость приближается к линейной. Сигнал U управления не зависит от добротности КНПС и напряжения сети, что приводит к достижению цели изобретения.

Полученньй результат можно пояснить также следующими рассуждениями. Гармонический сигнал l(t), пройдя через масштабный преобразователь 15 и сумматор 10 на вход релейного звена 11, осуществляет вибрационную линеаризацию указанного звена. При этом изменяется коэффициент передачи (коэффициент гармонической линеаризации звеном 11 сигнала y(t), причем ука- занньй коэффициент обратно пропорционален амплитуде 1 линеаризукяцего сигнала. Поэтому уменьшение амплитуды при значительных расстройках резонансного состояния КНПС приводит к увеличению коэффициента передачи звена 11 и зависимость сигнала V управ- ления от расстройки становится близкой к линейной. Увеличение (или уменьшение) добротности КНПС приводи к увеличению (уменьшению) значений амплитуды L линеаризующего сигнала вблизи резонанса, что, в свою очередь, уменьшает (увеличивает) коэффициент передачи (по неколебатель- ным составляющим) звена 11 и компенсирует эт им увеличение (уменьшение) наклона фазовой характеристики КНПС. Сигнал управления О становится инвариантным по отношению к добротности КНПС. Кроме того, увеличение (или уменьшение) напряжения сети при водит к пропорциональному увеличению (уменьшению) сигнала у и уменьшению (увеличению) коэффициента передачи

0

0

5

звена 11 (по медленным составляюш 1м) вследствие увеличения (уменьшения) амплитуды 1 линеаризующего сигнала. Поэтому сигнал управления О не зави-. сит теперь от напряжения сети.

Если датчиком 4 является датчик тока I(t) ДГР, то в качестве датчика 5 следует использовать датчик линейного напряжения между фазами, в которых отсутствует асимметрирующая емкость. Все приведенные рассуждения остаются справедливыми, а выражение (14) является точньм и тогда, когда величиной R нельзя пренебречь в сравнении с . I .

При использовании других, перечисленных вьш1е, разновидностей блока 1 создания искусственной несимметрии выбор датчиков 4 и 5 определяется фазой искусственного тока 0(t) несимметрии, создаваемого блоком 1.

Сигнал и может использоваться для измерения расстройки при помощи индикатора 16 (например, вольтметра). Шкала вольтметра может иметь нелинейную градуировку, соответствующую функциональной зависимости (14) , что повьш1ает точность считывания показаний. Кроме того, указанньй сигнал может использоваться и для автоматической резонансной настройки КНПС. При этом индуктивность ДГР определяется блоком 14 управления. В случае ДГР плунжерного типа блок 14 представляет собой релейное звено с зоной нечувствительности, с выходными реле для управления приводом ДГР. В случае ДГР с подмагничиванием блок 14 представляет собой интегратор и усилитель мощности для связи с обмоткой подмагничивания ДГР, например управ- ляемьш вьшрямитель. В случае ДГР с тиристорным переключением ответвлений блок 14 представляет собой цифровой интегратор (счетчик) с дешифратором и устройством формирования управляющих сигналов тиристоров.

Благодаря однозначной монотонной зависимости сигнала U управления от расстройки в предлагаемом устройстве достаточно просто (при помощи блока 17 упреждения настройки и сумматора 13) осуществляется, в случае необходимости, заданная расстройка КНПС. При использовании блока 17 в качестве функционального преобразователя с. помощью блоков 13 и 17 можно осуществлять программную коррекцию настройки с целью учета нелинейной вольтампертной характеристики ДГР с подмагничиванием при переходе скачком из режима нормальной работы сети в режимы однофазных замыканий.

При возникновении однофазного замыкания указанньй режим распознается блоком 18 распознавания режимов (по превьпиению напряжением смещения нейт рали некоторого заданного уровня, равного, например, 15% от номинального фазного напряжения), Сигнал с выхода БРР 18, поступая на второй вход БУ 14, запрещает изменение индуктив- ности ДГР. В результате в режимах однофазного замыкания сохраняется та настройка КНПС, которая была произведена в нормальном режиме работы сети

Предлагаемое устройство может ком бинироваться с другими (известными) устройствами для автоматической настройки компенсации емкостной и активной составляющих в режимах однофазного замыкания, что повьппает зффектив- ность всей системы защиты от замыканий на землю.

В устройстве (фиг. 2) включением вторичной обмотки трансформатора 23 в нулевую точку вторичной обмотки измерительного трансформатора 22 воссоздается симметричная звезда напряжений (по отношению к земле), совпадающих с фазными ЭДС источника питания сети. Указанные напряжения (фаз А и С) используются для формирования (при помощи суммирования на делителе 24) опорного напряжения для измерителя 6 косинуса разности фаз. Применение потенциометра в качестве делителя 24 позволяет производить точную подстройку фазы опорного напряжения. Одновременно сформированная звезда напряжений используется для питания устройства посредством двух трехфазных однополупериодных выпрямителей на диодах 25-27 и 28-30, а также параметрического стабилизатора на стабилитронах 31 и 32. Данное решение обеспечивает автономность питания устройства по отношению к напряжениям- питания собственных нужд подстанции при использовании устройства в качестве измерителя расстройки.

В нормальном режиме работы сети напряжение, формируемое вьшрямителем 55 и емкостным фиксатором 56, недостаточно для срабатьшания реле 57, кон

j

ю fj

2о 25

„

5 0

5

такт его замкнут и позволяет проходить сигналу управления U на вход блока 14 управления. Транзисторные ключи 33 и 34 коммутируются знаком напряжения смещения нейтрали. Выходные напряжения указанных ключей находятся в прртивофазе и отпирают попеременно (в зависимости от знака напря- , жения l(t) смещения нейтрали) полевые транзисторы 36 и 37, играющие роль аналоговых ключей. В результате опорное напряжение l(t) передается на выход операционного усилителя 35 либо с инверсией, либо без инверсии (но с одинаковым по модулю коэффициентом усиления). Таким образом, схема, реализованная на элементах 33-41, выполняет операцию перемножения сигнала Z(t) с выхода датчика 5 на знак сигнала с вьЬсода датчика 4. Как было показано вьпие, неколебательная составляющая y(t) сигнала y(t) на выходе операционного усилителя 35 оказьтается пропорциональной косину- су разности фаз входного l(t) и опор-, ного Z(t) сигналов. Указанная сос- тавлякяцая y(t) выделяется фипьтром 9 на элементах 42 и 43 и подается на вход релейного звена 11,, выполненного на операххионном усилителе 46. На вход того же усилителя 46 подается и входной сигнал l(t) (при помощи резистора 45), осуществляющий вибрационную линеаризацию звена 11, что позволяет достигнуть цели изобретения. Неколебательная составлякщая U сигнала u(t) выделяется фильтром 12 на элементах 48 и 49. Сигнал U(t), несущий информацию с величиной и знаком расстройки резонансного состояния КНПС, измеряется вольтметром 16.

Через замкнутый контакт реле 57 сигнал U(t) поступает на вход релейного звена с зоной нечувствительности, входящего в состав блока управления 14. Превышение указанным сигналом зоны нечувствительности (которая определяется резистивными делителя- ми в базовых цепях транзисторных ключей 51 и 52) вызывает отпира1ше .транзистора 51 в зависимости от знака сигнала U(t). В свою очередь, это приводит к срабатыванию реле 53 или 54, которое своими контактами запускает двигатель 20 привода ДГР 19 в ту или иную сторону. Последний целенаправленным образом перестраивает индуктивность ДГР.

В случае возникновения однофазного замыкания срабатывает реле 57, размыкающий контакт которого запрещает поступление сигнала управления на вход релейного звена с зоной нечувствительности. В результате сохраняется значение индуктивности ДГР, имевшее место в режиме нормальной работы сети. Фиксатор на конденсаторе 56, имеющий малую постоянную времени заряда к значительно большую постоянную времени разряда, предотвращает отпускание реле 57 при кратковременных понижениях напряжения смещения нейтрали в режиме перемежающегося дугового замыкания.

Предлагаемое устройство не имеет сложных в реализации нелинейностей, погрещность в реализации которых понижает точность. Оно работоспособно при расстройках (в КНПС) любого знака, не требует никаких дополнительных приспособлений для выявления знака расстройки резонансного состояния КНПС и поэтому без всяких дополнений может использоваться как для измерения расстройки, так и для автоматической настройки ДГР.Нелинейность шкалы индикатора 16 расстройки вы- ражена значительно слабее, чем у известного устройства, кроме того, может быть легко понижена до любого требуемого уровня за счет уменьшения величины Kjj или же за счет усложнения спектрального состава выходного, опорного или линеаризующего сигналов Близкий к линейному характер зависимости сигнала U управления от расстройки КНПС и его инвариантность по отношению к добротности КНПС и к напряжению сети улучшает динамические характеристики процесса настройки КНПС и предотвращает потерю управляемости при значительном изменении параметров сети.

Формула изобретения

Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в кабельных сетях с дугогасящим ре- 50 актором, содержащее связанные с сетью блок создания искусственной несимметрии, а также датчики линейного или фазного напряжения сети, датчик на0

5

0

5

0

5

0

5

пряжения смещения нейтрали или тока дугогасящего реактора, измеритель косинуса разности фаз, первый вход которого подключен к вькоду датчика напряжения смещения нейтрали или датчика тока дугогасящего реактора, второй вход - к выходу датчика линейного или фазного напряжения сети, индикатор расстройки резонансного состояния в контуре нулевой последовательности сети, соединенный с первым входом первого сумматора, блок управления дугогасящим реактором, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повьш1ения точности, оно снабжено вторым сумматором, релейным звеном, фильтром низких частот, масштабным преобразователем, блоком упреждения настройки и блоком распознавания режимов, причем второй сумматор, первое релейное звено и первый фильтр нижних частот соединены последовательно и подключены к первому входу первого сумматора, входы второго сумматора соединены с выходом измерителя косинуса разности фаз и через масштабный преобразователь - с выходом датчика напряжения смещения нейтрали или датчика тока дугогасящего реактора, выход блока упреждения настройки подключен к второму вхо- входу первого сз мматора, выход которого соединен с блоком управления дугогасящим реактором, к второму входу которого подключен блок распознавания режимов, вход которого соединен с выходом датчика напряжения смещения нейтрали или тока дугогасящего реактора.

2. Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что измеритель косинуса разности фаз содержит последовательно соединенные второе релейное звено, множительное звено и второй фильтр низких частот, причем вход второго релейного звена является первьм входом измерителя косинуса .разности фаз, второй вход множительного звена соединен с вторым входом измерителя косинуса разности фаз, а выход второго фильтра низких частот является выходом измерителя косинуса разности фаз.

Ш

ffft)

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам для автоматической настройки компенсации емкостных токов в кабельных сетях с дугогасящим реактором (ДГР и может найти применение в нормальном режиме работы сети для измерения расстройки и автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазных замыканий на землю в кабельных сетях. С целью расширения функциональных возможностей и повывения точности оно снабжено вторым сумматором, репейным звеном, фильтром низких частот, масштабным преобразователем, блоком упреяздения настройки и блоком распознавания: режимов. Цепь дости- гаетсй благодаря тому, что медленная составляющая на выходе первого 1 елей- ного звена оказьшается пропорциональной арксинусу отношения медленной составляющей сигнала на выходе измерителя косинуса разности фаз к амплитуде напряжения l(t) смещения нейтрали (или тока I(t) ДГР). Указанная медленная составляющая пропорциональна расстройке резонансного состояния контура нулевой последовательности сети и не зависит от его добротности. Поэтому она может использоваться и для измерения как абсолютной величины, так и знака расстройки, а также для автоматического управления ДГР. 1 з.п.ф-лы, 2 ип. (Л

X,

гЛ ©41

п-4--1:4 Ж

I ilr i1-1 Ti А

±LJ

Ф1П.1