Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в электрических сетях Советский патент 1986 года по МПК H02J3/18 H02H9/08 

« 1

Изобретение относится к электро- - технике, а именно к релейной защите и автоматике в трехфазных сетях с заземлением нейтрали через дугогася- щий реактор, и может быть использовано для измерения расстройки и для автоматической настройки (в нормальном режиме работы сети) компенсации емкостных токов однофазных замыканий в воздушных, воздушно-кабельных и кабельных сетях.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2-4 - варианты введения в сеть искусственной несимметрииj на фиг.5 принципиальная схема второго релейного звена с третьим сумматором.

Устройство .содержит блок 1 создания искусственной несимметрии (ВИН)j выходной сигнал 8к(с) которого через коммутатор 2 подается на вход управляемого объекта 3 - контура ну

Фазовый сдз;чг на частоте Я , град при введении

Выход сумматора 9 через первое релейное звено 12 подключен к входу блока 13 формирования поискового .сигнала и синхронного детектирования и входу третьего сумматора 14„ К другому входу сумматора 14 подключен второй выход блока 13, первый выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 2, Выход сумматора 14 через второе релейное звено 15, фильтр 16 низких частот (ФНЧ) и первый сумматор 17 связан с входом блока 18 управления ДГР,

Блок 13 форм1фования поискового сигнала и синхронного детектирования содержит генератор 19 опорного и по577452

левой последовательности сети (КНПС с дугогасящим реактором (ДГР) 4. С сетью 3 связан датчик 5 напряжения смещения нейтрали СДНСН) или тока 5 ДГР 4. Выход датчика 5 соединен с первыми входами второго 6 и первого 4 фазовых детекторов (ФД). На второй вход ФД 6 подан сигнал бц (t) с выхода БИН I, а на второй вход ФД 7 10 этот сигнал подается через ортого- нализатор 8„ Выходы ФД 6 и 7 подключены к входам второго сумматора 9, через второй 10 и первый 11 полосовые фильтры (ПФ), настроенные на,.по- SS исковую частоту J . Фазовый сдвиг вносимый на частоте J7 у одного из ПФ

10 (11), равен гого t 90

нли

180°)

у дру25

Конкретные значения фазового сдвига, вносимого каждьш из ПФ, определяются исходя из способа введения искусственной несимметрии б, (с) в .сеть 3 и вида датчика 5 . в соответствии со следующей таблицей.

искового сигналов (ГОПС), а также синхронный детектор (СД) 20, состоящий из последовательно включенных множительного звена 21 и ФНЧ 22. Один из входов множительного звена 21 совпадает с входами СД 20 и блока 13 и подсоединен к выходу первого релейного звена 12. Первый выход ГОПС 19 для сигналов прямоугольной формы, вид которых определяется следующим выражением:

8 (t) cos(SI t-f-6i)1j , (1)

совпадает с первым выходом блока 13 и подключен к управляющему входу коммутатора 2. Второй выход ГОПС 19 для гармонических сигналов вида:

A(t) М cos(nt+oi)

подключен к второму входу множитель- кого звена,21 СД 20. Выход ФНЧ 22 совпадает с выходами СД 20 и блока 1 и подключены к второму входу сумматора 14.

Устройство также содержит индикатор 23, предназначенный для измерения величины расстройки компенсации в случае использования в качестве ДГР 4 реактора с ручным управлением (например, типа ЗРОМ), а также блок 2 упреждения настройки (БУН), предназначенный для установки заданной величины перекомпенсации или недоком- пенсации в КНПС. Вход индикатора 23 подключен к выходу ФНЧ 16, а выход БУН 24 соединен с вторым входом первого сумматора 17.

Позицией 25 обозначен согласующи трансформатор, позицией 26 - конден- сатор, позицией 27 - дроссель или трансреактор. Элементы 25-27 предназначены для сопряжения БИВ 1 с сетью 3.

Позицией 28 обозначен операционный усилитель, позициями 29-32 - диодный мост, позицией 33 - стабилитрон, позициями 34 и 35 - резисторы для создания рабочего тока стабилитрона 33, позициями 36 и 37 - входные резисторы.

Устройство работает следующим образом.

ГОПС 19 вьфабатывает низкочастотные периодические колебания 8 (t) и i(t) вида (1) и (2). ЧастотуП указанных колебаний, для упрощения считают заведомо низкой. Коммутатор 2 по сигналам блока 13 периодически (с частотой Я ) коммутирует входной сигнал объекта 3 - КНПС и поэтому искусственный входной сигнал б (t) S(t)6|,(t) определяется следующим выражением для сигнала искусственной несимметрии на входе объекта:

9(t) 0J | signcos(lt+«i)-l cosQt. (3)

Установившийся сигнал на входе датчика 5 при разомкнутом состоянии ключа 255

о у .

C(t) I(t) 1 coscot +( smut.

3 О

15 4 20 uC uS

где величины ( к (, определяются

неизвестными амплитудой и фазой сигнала QgCt) естественной несимметрии и параметрами КНПС, а при замкнутом состоянии ключа 2

f (t) cosQt+i; sinOt+Rp w(j(o)

xcosut-H w(jQ)6H sinut, (5)

где W(JQ)i;l- - частотная xaрактеристика объекта управления - КНПС.

Если выходной координатой 1 (t) КНПС является ток I(t) через ДГР, то

S(jw) JQC + g;

А(Ш) 1+Rg -U LC; 1 RC + Lg,

где L - индуктивность ДГР;

С - суммарная емкость между фазами сети и землей; R - активное сопротивление ДГР; g - суммарна1Я активная проводимость между фазами сети и землей;

9ц - комплексная амплитуда искусственной несимметрии. Если несимметрия вводится через трансформатор, включенный последовательно с ДГР, то 9„ Е„, где Е|, - амплитуда ЭДС источника опорного напряжения .

ФД 7 вместе с ортогонализатором 8, сдвигающим опорный сигнал 9ц(t) на 90 , в данном случае выделяет амплитуду синусной составляющей сигнала (5).

U).

(t)r 4t)

4S

50

55

- - ЧтГ4г -« р,

при этом коэффициент К определяется технической реализацией детектора, а сигнал iu(t) включает в себя колебательные составляющие с частотами 100 Гц и вьше, которые подавляются при дальнейшей фильтрации сигналов. Если (аС, то справедливо приближенное равенство:

f4t)(-i -OL)/W(ju).(t) ,(8)

где

.. /W(ju)/ A4M)+Qn2

При периодических коммутациях ключа сигнал 91 (t) искусственной несимметрии на входе объекта равен выражению (3) и в сигнале (t) подавляется переменная составляющая (t) вида:

и;

(г;

- signcos(nt+ci)

f(t).

|(-g -t)L)/W(jcj)/ e| signcos(nt+et).(9)

Допустим, что датчик 5 представляет собой датчик напряжения (t) смещения нейтрали, а несимметрия вводится через трансформатор, включен- ный последовательно с ДГР (т.е, в соответствии с фиг.2)„ Сигналы (t) и (t) на выходе ФД 7 при разомк-- нутом и замкнутом состояниях ключа 2 и сигналы i(t) и i(t) на выходе ФД 6 (также гфк разомкнутом и замкнутом состояниях ключа 2) определяются по аналогии с выражениями (3)- (8), учитывая, что в данном случае S(jii))Ht, При этом

; (t) (t) + |u(t)j (10)

f(t) к (t) 4iU(t); (11)

(t)(t)(jQ)2e;; +ii,(t)(12)

Jt)(t)+A(cj)/w(jw)/ e;;+fi.(t)o)

Разница между выражениями (lO), (11) и (12), (13) объясняется тем, что ФД 6 имеет опорный сигнал 9 ) вида:

Q (t) Q cosgt.

(14)

и поэтоку выделяет амплитуду косинусной составляющей сигнала i (.t) по (4) и (5), а опорный сигнал ФД 7 сдвинут на 90° по отношению к сигналу 0(t), вследствие чего детектор 7 выделяет амплитуду синусной составляющей сигнала (t).

При периодических коммутациях ключа 2 сигнал S(t) искусственной несимметрии на входе объекта описывается выражением (З), а выражения

для переменной составляющей (t) в сигналах (t) могут быть получены из выражений (10) - (13):

t

5 ,(t)(ju)/26j signcos(57t-t-o6);(15)

(t)|A(w)/(j(ju3)/- Q;| signcos(qt+ei).(16)

ПФ 1), настроенный на поисковую частоту П , и вносящий на этой частоте согласно таблице фазовый сдвиг -90 (.вьзделяет первую гармонику сигнала ( по (16)S

qj, (t)K(dt/W(jco)(jzt+oO-, (17)

где коэффициент Кл, одинаковый для ПФ 10 и 11, определяется технической реализацией указанных фильтров.

Информационная переменная t) сигнала (t) подвергается фильтре- ции при помощи ПФ 10, настроенного на поисковую частоту и и вносящего ; на этой частоте нупезой фазовый сдвиг согласно таблице,, Выходной сигнал ПФ 11

)(Q)/W(jw)/2e; cos(nt-(-e(,). (18)

Сигнал Ср (t) 5 дтолучйищийся песле суммирования сигналов а (t) и Vj(t) на сумматоре 9j сог ллсно (16) (17) гармониче скую форму:

((t) 9i(t) + Vj(t)(at+;vH-() (t9)

где

9 (j«).A4w) +W2 (20) }

(w)/W(jw)/, sin(,-cJc/W(jw)/ (21)

Так как S(j6o)a1, из выражения для WCju) по (5) вытекает равенство;

4 А2 (OJ)

-( 2 /W(jco)/

подстановка которого в (21) дает следующий результат;

Vm (jw)/g;;

(22)

Таким образом, на выходе сумматора 9 восстанавливается гармонический сигнал ф (t) с частотой П. , амплитуда (j3 которого пропорциональна модулю частотной характеристики W(ju) КНПС, а фаза ( - аргументу этой

частотной характеристики. Обе переменные (r, il) сигнала у (t) содержат полезную информацию о состоянии резонансной настройки в КНПС, которая выделяется при дальнейшей обработке указанного сигнала.

Сигнал б (t) H,sign( на выходе релейного звена 12 сохраняет информацию, содержащуюся в фазе If сигнала (tJCt), стабилизируя его ампдитуду:

6(t) H.,sign cos (nt +C,J + o6).

В результате перемножения (множительным звеном 21 СД 20) сигнала d (t) на опорный сигнал Д (t) по (2), и последующей фильтрации медленной составляющей выходного сигнала звена 21 формируется выходной сигнал блока 13:

y(t) 6(t)ut H,cosV. (23) С учетом (21) и (6), получают

25

y(t) Н, /W(ja))/(1 + Rg-U2LC) (24 где

выражении (24),не позволяют использовать его непосредственно для измере- ния расстроек компенсации.

Сигнал U(t) на выходе второго релейного звена 15

,

u(t) H2sign y(t)+V(t)

HjSign y(t) + VmCos(nt+V+) , (25)

где Hj - уровень ограничения релей-

него звена 15.

Разложив импульсы прямоугольной формы, описываемые выражением (25),

(горизонтальная черта в выражении (23) означает осреднение по времени).

Сигнал y(t) не имеет завалов

при значительных расстройках peso-

нансного состояния в КНПС, а знак его согласно (24) определяется знаком расстройки резонансного состояния КНПС. Поэтому подача его непосредственно на вход блока 18 управле- ния Д1Т обеспечивает повышение быстродействия и динамических характеристик системы. Однако сохраняющаяся зависимость его от добротности КНПС и нелинейность зависимости сигнала y(t) от расстройки, которые обусловливаются наличием модуля /W(jco)/ частотной характеристики W(j(j)KHnC в

в сложный ряд Фурье, получают сле- дукядее соотношение:

U(t) I H arcsin -ь + ,21 A;(t)cos iat+q ;(t) .

(26)

Первый член выражения (26) описывает медленную (неколебательную) сос- тавляющую сигнала U(t), которая выделяется ФНЧ 16. Выходной сигнал U(t) ФНЧ 16 может быть определен при помощи подстановки (22) и (24) в

(26):

U |K H arcsin ™(1+Rg-u4.C), (27)

где Кц - коэффициент усиления ФНЧ 16, Считая , выражение (27) можно переписать в следующей форме:

и К,arcsin K(), , (28)

25

К,

К

И,

I V fllfl

в„

Величина (1-() в выражении (28) представляет собой расстройку резонансного состояния в КНПС.

Таким образом, знак и величина сигнала U управления в предлагаемом устройстве однозначно связаны с расстройкой в КНПС монотонной, близкой к линейной, функциональной зависимостью. С уменьшением величины Kj по (28), например,в результате уменьшения величины Н( или увеличения коэффициента К-,, указанная функциональная зависимость приближается к линейной. Сигнал U управления не зависит от добротности КНПС.

Аналогичными рассуждениями можно определить сигнал управления и для иных способов введения искусственной несимметрии и вида датчика 5. Так, если датчиком 5 является датчик тока ДГР, а несимметрия вводится в соответствии с фиг.2, то S(jи) g + JUC, и по аналогии получают следующее выражение для сигнала и управления:

и К, arcsin Kj(-i - WC). (29)

91

Знак и величина управления (29) также однозначно связаны монотон- ной функциональной зависимостью с разностью индуктивной и емкостной проводимостеи в КНПС (т.е. разностью емкостной и индуктивной составляющих тока ОЗНЗ в случае возникновения замыкания) , которая позволяет определить расстройку в КНПС.

Если датчиком 5 является датчик тока ДГТ, а несимметрия вводится в соответствии с фиг.З или 4, то S(JM) 1 и выражение для сигнала управления имеет вид (28). Если датчиком 5 является ДНСН, то сигнал управления записывается в форме (29)

Сигнал и управления поступает на индикатор 21, шкала которого програ- дуирована в единицах расстройки проводимости или тока в соответствии с зависимостями. (28) и (29). Это позволяет, в частности, производить настройку ДГР 4 с ручным управлением (например, типа ЗРОМ), причем благодаря наличию информации о расстройке, делать это с минимальными затратами труда оперативного персонала (за эту коммутацию). Выходной сигнал и БУН 24, суммируясь с сигналом U(t), создает в КНПС заданную перекомпенсацию или недокомпенсацию, величина которой определяется только сигналом и и не зависит от параметров КНПС. Если в качестве БУН 24 применен функциональный преобразователь, то предлагаемое устройство позволяет осуществлять программную коррекцию настройки с целью учета нелинейной вольт-амперной характеристики ДГР 4 с подмагничиванием при переходе сети из режима нормальной работы в режимы однофазных замыканий.

Так каю в предлагаемом устройстве не предусмотрено сохранение функций автонастройки или измерения расстройки в режимах ОЗНЗ, его целесообразно комбинировать с другими (известными) устройствами автонастройки компенсации, предназначенными для работы при наличии в сети ОЗНЗ, Подо6- ное комбинирование повышает эффективность всей системы автокомпенсации.

К второму релейному звену 15 предъявляются повышенные требования;, поскольку от стабильности его уровней ограничения существенно зависит погрешность измерений и ошибка авто5774510

матической настройки КНПС. Кроме того, характеристика Вход-выход указанного звена должна быть близка к идеальной в широком диапазоне измене5 НИН входного сигнала, что связано с весьма широким динамическим диапазоном сигнала (t). Поэтому целесообразно применить схему реализации релейного звена 15 совместно с сумtO матером 14, изображенную на фиг.5.

Сумматор и релейное звено, изображенные на фиг,5, работают следующим образом,

J

15 При любом выходном напряжении операционного усилителя 28 к диагонали моста, образованного диодами 29-32, приложено напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона 33.

JQ Указанное напряжение поддерживается, главным образом током, протекающим через резисторы 34 и 35, который выбирается оптимальным для данного типа стабилитронов и в то же время зна25 чительно превьш1ающим возможные токи через диоды 29-32 моста.

При положительной сумме токов, протекающих через резисторы 36 и 37, на инвертирующем входе операционного усилителя 28 возникает напряжение положительной полярности, что приводит к появлению отрицательного нап ряжения и на выходе усилителя 28, По достижении yKa3aHHbnvi напряжением ве35 личины напряжения стабилизации ста бклитрона 33 отпираются диоды 29 и 32, В результате тоКд протекающий через указанные диоды, уравновешивает суммарный ток резисторов 36 и 37, Напряжение на инвертирующем входе усилителя 28 поддерживается близким к нулю, а на выходе усилителя 28 устанавливается отрицательное напряжение,, равное напряжению на стабилитроне 33 (в сумме с прямыми падениями напряжений на диодах 29 и 32), Данные напряжения поддерживаются на указанных уровнях благодаря действию отрицательной обратной связи. Если сумма токов, протекающих через резисторы 36 и 37, отрицательна, на выходе усилителя 28 устанавливается положительное напряжение, которое фиксируется (после отпирания диодов

30 и 31) на уровне напряжения стабилизации стабилитрона 33 (в сумме с прямыми падениями напряжений на диодах 30 и 31),

30

50

11

Использование в релейном звене, Изображенном на фиг,5, мостовой схемы и подпитки стабилитрона в диагонали моста постоянным током позволяе достичь высокой стабильности и точного равенства между собой (по абсолютной величине) уровней ограничения релейного звена. Низкое динамическое сопротивление стабилитрона 33 (благодаря подпитке его постоянным током) обеспечивает малый наклон горизонтальных участков релейной характеристики звена 15, а высокое сопротивление запертых диодов 29-32 - большой наклон вертикального участка указанной характеристики. Все это повьшает точность устройства

Предлагаемое устройство не только не имеет завалов управляющей характеристики при больших расстройках резонансного состояния в КНПС, но и обеспечивает линейность указанной характеристики, т.е. линейную за- - висимость сигнала управления от расстройки (или от разности индук- тивной и емкостной проводимостей кон тура), инвариантную по отношению к добротности КНПС. Полностью сохраняется инвариантность сигнала управления по отношению к естественной не- симметрии в сети, что позволяет применять устройство не только в кабель1

бельных сетях. Благодаря линейности системы существенно улучшаются ее динамические характеристики и повы- шается быстродействие. Появляется возможность использовать известные Iвысокоэффективные методы коррекции и оптимизации линейных систем. В частности, выбор ширины зоны нечувствительности блока 18 управления с учетом инерционных свойств привода ДГР плунжерного типа позволяет одно- в менно повысить точность резонансной настройки, расширить зону нечувствительности, что повышает помехоустойчивость системы и добиться переходного процесса без перерегулирований и повторных запусков двигателя привода ДГР, что повьш1ает надежность и долговечность. Упрощается реализация синхронного детектора благодаря чему повышается надежность

устройства.

В результате применения предлагаемого устройства повьш1аются надежность и безопасность эксплуатации электрических сетей, а также произto

15

25ЗО 25774512.

врдительность и эффективность труда обслуживающего персонала. Формула изобретения

Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в электрических сетях, содержащее подключенный к сети через коммутатор блок создания искусственной несимметрии, первый фазовый детектор, первый вход которого связан с сетью через датчик напряжения смещения нейтрали или датчик тока дугогасящего реактора, а второй вход через ортогонализатор соединен с выходом блока создания искусственной несимметрии, блок формирования поискового сигнала и синхронного детектирования, первый выход которого подан на управляющий вход коммутатора, а также фильтр низких частот и блок управления реактором, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и. повышения быстродействия, оно снабжено вторым фазовым детектором, двумя полосовыми фильтрами, настроенными.на поисковую частоту, тремя сумматорами, двумя релейными звеньями, индикато- ром и блоком упреждения настройки, причем вход индикатора и первый вход первого сумматора подключены к выходу фильтра низких частот, второй вход первого сумматора соединен с выходом блока упреждения настройки, а выход его подан на вход блока управления реактором, первый вход второго фазового детектора подключен к выходу датчика напряжения смещения нейтрали или датчика тока дугогася20

35

4G

45

50

55

щего реактора, к второму входу второго фазового детектора подключен выход блока создания искусственной несимметрии, выходы первого и второго фазовых детекторов соответственно через первый и второй полосовые фильтры подключены к входам второго сумматора, выход которого через пег вое релейное звено соединен с входом блока формирования поискового сигнала и синхронного детектирования и непосредственно соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом блока формирования поискового сигнала и синхронного детектирования, а выход через второе релей- . ное звено подключен к входу фильтра низких частот.

фив.2

Htfma

ft f firm

I1 2

I.„„

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике в трехфазных сетях с заземлением нейтрали через дугога- сящий реактор. Оно может использоваться для измерения расстройки и ДЛЯ автоматической настройки компенсации емкости токов однофазных заъ9Л каний в воздушньпс, воздушно-кабельных и кабельных сетях. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия, что достигается благодаря введению фазового детектора 7, двух полосовых фильтров 10 и 11, настроенных на поисковую частоту, трех сумматоров 9, 14 и 17, двух релейных звеньев 12 и 15, индикатора 23 и блока упреждения настройки 24. Знак и величина сигнала управления в устройстве однозначно связаны с расстройкой в контуре нулевой последовательности сети (КНПС) монотонной, близкой к линейной, функциональной зависимостью. Сигнал управления не зависит также и от добротности КНПС. Полностью сохраняется инвариантность сигнала управления по отноюенгао к естественной несимметрии в сети. 5 ил. с (Л IND ел ч 4аь СД

wl

;