Способ компенсации токов однофазного замыкания в трехфазной сети с дугогасящим реактором в нейтрали Советский патент 1986 года по МПК H02H9/08 

1 Изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенсации емкостной и активной составляю щих тока однофазного замыкания на землю и полного гашения перемежающих ся дуг в трехфазных электрических се тях с незаземленной нейтралью. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности резонансной настройки контура нулевой последоватепьности сети, а также расширение функциональных возможностей. На фиг.1 показана функциональнопринципиальная схема устройства, реа лизующего предлагаемый способ; на фиг.2 - принципиальная схема множительного звена устройства;-на фиг.З временные диаграммы работы устройства по фиг.1 (при использовании недугового однофазного замыкания на землю с дугогасящим реактором (ДГР) плунжерного типа). Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит ДГР 1 с устройством (УУИ) 2 управления индуктив ностью (при применении ДГР плунжерного типа - это привод: ДГР совместно с соответствующим пускателем, при применении ДГР с подмагничиванием это источник тока подматничивания (управляемьй выпрямитель), при приме нении ДГР с регулируемь1м числом витков рабочей обмотки - это совокупность силовых ключей для переключения обмоток ДГР и блок управления ти ристорными ключами), однофазный зависимый инвертор (ИЗО) 3, содержащий мостовую схему на тиристорах 4-7 и блок 8 управления .(ВУ), управляемый выпрямитель (УВ) 9, соединенный с источником трехфазного напряжения, выход которого зашунтирован встречно включенным диодом 10 и подключен к входу инвертора 3. Схема со держит также датчик 11. напряжения смещения нейтрали ЧДНСН), в качестве которого может быть использован, например, трехфазный измерительный трансформатор напряжения с вторичной обмоткой, соединенной в замкнутый треугольник, датчик 12 направления тока через инвертор (ДНТИ), который может быть вьтолнен, например, в виде RS-триггера, на входы R и S которого блоком управления подаются импульсы, совпадаюшз е с управляющими импульсами соответственно тиристоров 6 и 7 инвертора 3, Кроме того. 632 устройство состоит из функционального преобразователя (ФП) 13, на вход которого подается выходной сигнал датчика 11, а выход подключен к первому входу множительного звена 14, элемент 15 вычитания, инвертирующий вход которого соединен с выходом множительного звена 14, неинвертирующий вход - с входом управления компенсацией активной составляющей устройства, а выход - с вторым входом УВ 9, и блок 16 распознавания режи- мов (BFP), на вход которого подается выходной сигнал ДНСН 11, а выход подключен к первому входу УВ 9. Выход ДНТИ 12 через инвертор подключен также к второму входу множительного звена 14, а третий вход множительного звена 14 соединен с входом управления компенсацией емкостной составляющей. Множительное звено 14 может содержать логический элемент ИСКЛЮЧАКЩЕЕ Ш1И 17, преобразователь 18 1фовней логических сигналов (ПУ) и элемент 19 умножения непрерывного сигнала на двухуровневый сигнал прямоугольной формы (ЗУ), который состоит из аналогового ключа на полевом транзисторе 20, операционного усилителя 21 и резисторов 22-24, Кривая 25 на фиг.З изображает зависимость от времени напряжения e(t) смещения нейтрали и ЭДС E.j(t) источника поврежденной фазы (которые совпадают при точной настройке компенсации емкостной и активной составляющих) , кривые 26 и 27 показывают аналогичные зависимости, для первой гарМОНИКИ напряжения е(t) и тока I(t) ДГР, кривые 28 и 29 представляют собой временные диаграммы для сигналов e(t). sign e(t) и sign I(t). Кроме того, на фиг.З изображены временные диаграммы для следующих сигналов: и,(t) - медленного сигнала управления приводом ДГР с регулируемым воздушным зазором - кривая 30, U,(t) быстрого сигнала управления компенсацией емкостной составлякнцей (мягкой подстройкой) - кривая 31, U(t) - сигнала на выходе множительного звена. 14 - кривая 32, -Ej,(t) - напряжения на выходе инвертора 3 - кривая 33, -lEj,(t) .- компонента первой гармоники сигнала Е,; (t), синфазного (в рассматриваемом случае) с напряжением e(t) смещения нейтрали - кривая 34. Кривая 35 изображает компонент первой гармоники сигнала - E(t), синфазного с током l(t) ДГР, кривая 36 суммарную емкость между фазами сети и землей, кривая 37 - индуктивность L(t) в нейтрали сети, кривая 38 - и дуктивность Lg (t) ДГР. Устройство работает следующим об разом. В нормальном режиме работы сети I управляемый выпрямитель 16 заперт ;выходным сигналом блока 16 БРР. При появлении однофазного замыкания, ко торое распознается БРР 16 по превыi шению амплитудой напряжения смещения e(t) нейтрали уровня уставки (равной, например, 15% от номинального амплитудного значения фазного напряжения сети)., снимается запираю щий сигнал блока 16 с первого входа УВ 9 и устройство переходит в режим компенсации емкостной и активной сос тавляющих тока однофазного замыкания или в режим компенсации напряжения на поврежденной фазе. Компенсация емкостной составляющей осуществляетс с помощью ДГР 1, индуктивность Ьд которого задается от соответствующего автоматического регулятора (в качестве которого может применяться одно из известных устройств) при помопщ УУИ 2. ИЗО 3, питающийся от УВ 9, осуществляет компенсацию активной составляющей тока однофазного замыкания (или компенсацию активных потерь в контуре нулевой последовательности сети). При этом, если ток I(t) ДГР 1 направлен вверх (в направлении, указанном стрелкой на фиг.1) БУ 8 подает отпирающие импульсы на тиристоры 4 и 7 ИЗО 3, и напряжение H(t) питания ИЗО 3 оказывается приложенным встречно по отношению к току I(t), т.е. ИЗО 3 на данном полупериоде тока I(t) отдает энергию :В КНПС. В следунлцем полупериоде тока ;I(t) тиристоры 4 и 7 ИЗО 3 запираются, а ;БУ 8 подает отпирающие импульсы на тиРисторы 5 и 6. Эти тиристоры отпираются а напряжение H(t) питания ИЗО 3 продолжает быть приложенным встречно по отношению к току I(t), т.е. ИЗО 3 и в этом полупериоде продолжает отдавать энергию в КНПС. В дальнейшем описанные процессы повторяются (кривые 27 и 33). Таким образом, ЭДС E,((t), вводимая ИЗО 3 в сеть, определяется следующим выражением: E..(t) H(t)si8n I(t). Если H(t) const, то вся энергия пералпваемая инвертором в сеть, расходуется на возмещение активных потерь в КНПС. При соответствующей величине напряжения H(t), определяемой сигналом и„(t) на входе управляемого выпрямителя 9, т.е. при H(t) К и.(t), где К - коэффИ11иент пропорциональности между входным сигналом Uj и выходным напряжением Н УВ 9, который определяется напряжением питания и схемой УВ 9 (и в случае резонансной настройки КНПС), достигается полная компенсация активной составляющей тока однофазного замыкания (при устойчивом ОЗНЗ) или же (при перемежающем дуговом ОЗНЗ) на нейтрали сети поддерживаются незатухающие колебания, равные по амплитуде ЭДС источника поврежденной фазы. Благодаря этому на поврежденной фазе поддерживается нулевое напряжение и дуговой процесс в сети ликвидируется. Сигнал U (t) управления компенсацией активной составляющей формируется авторегулятором (компенсации активной сое- тавляющей), в качестве которого может быть использовано любое из известных устройств. Сигнал Uj (t) управления мягкой подстройкой iL(t) индуктивности L(t) подается на третий вход множительного звена 14 с выхода авторегулятора компенсации емкостной- составляющей, который может быть использован в качестве отдельного канала быстродействующей автонастройки компенсации или же использоваться одновременно для формирования сигнала и,(t) управления ДГР. Указанным регулятором также может служить одно из известных устройств. При построении временных диаграмм предположим, что сигналы U,(t) и U((t) формируются разными устройствами, причем сигнал U,(t) формируется быстродействующим регулятором (построенным, например, с использованием сигналов непромышленных частот, хотя качественная картина процессов полностью сохраняется и при использовании других типов быстродействующих регуляторов, например регуляторов фазового типа) При точной резонансной настройке КНПС сигнал U,(t) (кривая 31) равен нулю. В результате сигнал U(t) на вы ходе множительного звена 14 (кривая 32) также равен нулю, величина сигнала U,j(t) определяется сигналом U(t)5 а индуктивность L в нейтрали сети - индуктивностью ДГР L L. Поскольку основным видом возмущений, действующих на КНПС, являются небольшие по величине ступенчатые изменения суммарной емкости сети, т.е. соответствующие отключениям или подключениям отдельных присоединений, то существующие ДГР не в состоянии отслеживать подобные возмущения с достаточными быстродействием и точностью. Рассмотрим работу устройства при возникновении скачкообразного изменения емкости сети (в момент времени t.). После указанного изменения настройки КНПС бтлична от резонанаса и на третий вход множительного звена 14 поступает сигнал U| (t) Ф О управления ко.мпенсацией емкостной составляющей, знак и величина которого определяется знаком и величиной расстройки. Предположим, что ФП 13 описывается вьгоажением: e(t) sign e(t). (3) Это позволяет реализовать множительное звено 14 в соответствии с фиг.2. Сигналы U(t) ) sign e(t), sign I(t);. (4 .. /. /. / U2(t)Uj(t)+U, (t)sign e(t),sign I(t H(t)(t),(t)sign e(tXsign I( соответствуют выходу множительного звена 14 (кривая 32), входу управля емого выпрямителя 9 и напряжению H(t) на выходе управляемого выпрями теля 9 (кривая 33). Сигналам U (t) H(t) соответствуют кривые, совпадаю щие по форме с кривой 32 и смещенны вверх по оси ординат на величины, равные соответственно U и KoU. Подставив (5) в (1) и учитывая, что sign I(t), sign l(t) si, получают сл-едугацее вьфажение для ЭДС E(t) (кривая 33), вводимой при помощи ИЗО 3 последовательно с ДГР 1: EKitV- u5(t))k,U,((i). (6) Первое слагаемое в выражении (6) обеспечивает компенсацию активной составляющей, а второе представляет собой ЭДС Е|; (t), имеющую согласнопредлагаемому способу регулируемую амплитуду и синфазную (или находящуюся в противофазе, в зависимости от знака сигнала U,, (t) напряжению e(t) смещения нейтрали Первая гармоника данной ЭДС (кривая 34) обеспечивает изменение индуктивности в нейтрали сети на величину ,L (t) I L, При подаче на третий вход множительного звена 14 сигнала U,(t) управления компенсацией емкостной составляющей устройства должной величины и знака обеспечивается (практически безынерционно) сохранение резонансной настройки КНПС несмотря на скачкообразное изменение емкости сети. Появление в момент t в составе напряжения -E(t) - кривая 33, составляющей, соответствующей второму члену выражения (6) (первая гармоника E(t) представлена кривой 34), приводит к уменьшению амплитуды первой гармоники напряжения e(t на ДГР (кривая 26), что (при неизменной индуктивности L,,, ДГР) ведет к уменьшению амплитуды тока ,l(t) через ДГР и ИЗО 3. В то же амплитуда и фаза напряжения eTt) смещейия нейтрали (кривая 25) остаются неизменными, следовательно (учитывая уменьшение тока l(t) через ДГР) скачкообразно увеличивается индуктивность L(t) в нейтрали сети (кривая 37) и сохраняется резонансная настройка КНПС. При рассмотрении указанных лроцессов достаточно ограничиться первыми гapмoникa iи сигналов E|((t), El(t), eg(t)5 так как высшие гармоники данных сигналов эффективно подавляются контуром нулевой последовательности сети. В дальней- : шем ДГР 1 по сигналу и,0 -(кривая 30) обеспечивает (со свойственным данному типу ДГР быстродействием) подстройку индуктивности L(j (кривая 38) в соответствии с новым значением емкости сети, сигнал U, (t) (кривая 31) 7 по мере устранения расстройки ДГР п помощи LQ уменьшается и при точной яастройке индуктивности становится равным нулю. При этом индуктивность L(t) (кривая 37) остается неизменной Такое перераспределение индуктивнос тей LO(t) и Ab(t) позволяет разгрузить ИЗО 3 и УВ 9 (в энергетическом отношении) от постоянных функций компенсации емкостной составляющей. При возникновении значительньк расстроек, превьпиающих максимально возможную лля данного устройства величину iL, медленная подстройка индуктивности L(t) в нейтрали сети про изводится вначале при помощи изменения индуктивности Ljj(t) ДГР до тех пор пока не достигнет рабочей зоны быстрой подстройки Если разность резонансного значания L к теку п;его значения LU меньше максимальной величины дЬ, без коммутаций производится мягкая подстройка, С этого момента динамические характеристики ДГР 1 становятся несущественными изза безынерционности мягкой подстройки индуктивности L нейтрали сети, При исчезйовенин однофазного за ыкaния и восстановлении симг етрии фазных напряжений (которые распознаются БРР 16 по уменьшению аюътитуды напряжения смещения нейтрали ниже уровня устазки) 16 подает запирающий сигнаоТ на первьй 1зход УВ 9 и последний запирается до возникновения в сети следующего замыкания, Множительное звено 14 работает следующим образом. Логический элемент ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 17 формирует код знака произведения sign e(t)-sign I(t), Данный логический сигнал проходит через ПУ 18, который превращает его в двухполярный, и управляет аналоговым ключом на полевом транзисторе 20 При этом управляющему сигналу 1 соответствует проводящее состояние аналогового ключа, а сигналу О непроводящее состояние. При значении sign e(t) sign I(t) 1 ключ 20 заземпяет неинвертирующий вход операционного усилителя 21,коэффициент усиления схемы, выполненной на элементах 21-24, равен -1 и на выходе формируется сигнал U(t) -U,, а при значении sign e(t)sign I(t) -1 ключ 20 запирается, коэффициент уси638лення схемы на элe feнтax 21-24, становится равным 1 и на выходе формируется сигнал U(t) U (t), Если ФП 13 не описывается вьфажением (3) во втором члене E(t) выражения (5) вместо сомножителя sign e(t) ставят сомножитель, соответствующий функциональной зависимости ФП 13. Так, например, если ФП 13 является безынерционным линейным звеном, т.е. K(t)e(t), где K(t) коэффициент, посредством которого регулируется вводимая дополнительно ЭДС, то f4(t)(f+ j l-sign K(t)j ,(8) где Е и амплитуды соответственно сигналов Ец(с) и e(t), Е )e, выражение для L(t) преобразуется к следующему виду; AL(t:) Eiiil l , L sign K(t). Учитывая, что K(t) К U,(t) получают изменение индуктивности uL(t) (t)Lg. Как видно из выражения (10), при использовании линейного безынерционного звена в качестве ФП 13 ЛL не зависит от амплитуды е напряжения смещения нейтрали. Однако -при использовании в качестве ФП 13 компаратора упрощается техническая реализация множительного звена 14. Работа устройства может быть интерпретирована следующим образом. Множительное звено 14 формирует полезный сигнал U,(t)e (t), вводимый в КНПС последовательно с ДГР, Кроме того, на множительном звене 14 осуществляется амплитудная модуляция (указанным сигналом) несущего сигнала sign I(t). Промодулированный сигнал через сумматор 15 и УВ 9 передается в виде напряжения Н( вход ИЗО 3, который согласно выражению (1) осуществляет амплитудную демодуляцию (опорным сигналом sign I(t) передаваемого сигнала. Благодаря этому в выходном напряжении -E(t) ИЗО восстанавливается сигнал U,(t) e(t) что соответствует введению дополнительной ЭДС последовательно с ДГР. В низковольтных сетях (до 1140 В) предлагаемый способ может быть реализован и без применения дополнитель ных действий, указанных в п.2 форму лы изобретения. При этом сформирован ная, согласно п, 1 формулы ЭДС вводится последовательно с ДГР или с помощью специального усилителя (мощность в единицы ватт), или в сумме с ЭДС, синфазной току реактора при помощи то го же усилителя, который используется для компенсации активных потерь в КНПС. Применение устройства в сети 6 кВ при питании УВ 9 трехфазным напряжением 380 В, обеспечивает относительное изменение ДЬ/Ь индуктивности нейтрали сети (без перестройки ДГР) на максимальную величину , достигающую 14%. Реальное значение указанной величины, при котором полностью сохраняется нормальное функционрфование также конту ров компенсации активной составляющей и постоянной составляющей, составляет 4-5%. Увеличение указанных значений может быть достигнуто повышением питающего напряжения УВ 9 или включением ИЗО 3 последовательно с ДГР 1 через повышающий трансформатор. Устройство, как следует из выражений (7) и (10), обеспечивает безынерционную линейную связь на участке между сигналом управления и индуктивностью нейтрали сети. Благодаря положительному действию указанной связи в качестве ДГР 1 может быть использован плунжерный реактор, что расширяет функциональные возможностей устройства и область его применения. При этом достигается асимптотическая устойчивость контура компенсации емкостной состав ляющей о Действительно после попадания сигнала в зону нечувствительности привода ДГР, связь (в контуре автонастройки емкостной составляющей через нелинейное астатическое звено - ДГР 1, размыкается и действует лишь линейная безынерционная связь (1), осуществляя мягкую подстройку индуктивности. Вследствие этого резко улучшаются динамические свойства указанного контура. Кроме того, обеспечивается быстродействующая (практически беэынерционная) настройка индуктивности L(t) нейтрали сети при наиболее частых в реальных сетях расстройках, не превьшаницих t(4-5)%. Это повышает эффективность компенсации при устойчивых однофазных замыканиях и исключает опасные для изоляции сети повторные пробои места повреждения, сопровождающиеся большими перенапряжениЯ14И при перемежающемся дуговом замыкании, в результате чего повышается надежность эксплуатации компенсированной сети. При применении предлагаемого способа практически мгновенно парируется изменение индуктивности ДГР с подмагничиванием при переходе из нормального режима работы сети в режим однофазного замыкания. При этом оказывается возможным снизить требования . к линейности ДГР. Использование ДГР с регулируемым числом витков рабочей обмотки позволяет уменьшить количество ответвлений и силовых коммутационных элементов ДГР, так как дискретность регулирования индуктивности ДГР может достигать (8-10)% без снижения характеристик, обеспечивая упрощение, повьшение надежности и уменьшение стоимости устройства. Безынерционное изменение индуктивности L(t) нейтрали сети (при помощи изменения сигнала U(t)) пригодно также для введения поисковой модуляции в индуктивность L при использовании поисковых систем автоматической настройки компенсации, что также свидетельствует о расширении функциональных возможностей. Формула изобретения 1. Способ компенсации токов однЪфазного.замыкания в трехфазной сети с дугогасящим реактором в нейтрали, заключающийся в том, что выявляют режим однофазного замыкания на землю в сети, формируют сигнал управления индуктивностью дугогасящего реактора в нейтрали и вводят последовательно с дугогасящим реактором ЭДС с регулируемой амплитудой, синфазную с током дугогасящего реактора, отличающийся тем, что, с целью повьшения быстродейстВИЯ и надежности резонансной настройки контура нулевой последовательности сети, а также расширения функциональных возможностей, измеряют напряжение смещения нейтрали или напряжение на дугогасящем реакторе, формируют сигнал, синфазный или находяпщйся в противофазе с напряжением смещения нейтрали или напряжени ам на дугога сящем реакторе с амплиту дои, пропорциональной сигналу управления индуктивностью дугогасящего реактора в нейтрали, и вводят последовательно с дугогасящим реактором дополнительную ЭДС, пропорциональную сформированному сигналу. 2, Способ ПОП.1, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования на сети с компенсацией активной составляющей ,, модулируют сформированный сигнал знаком тока через дугогасящий реактор, после чего детектируют промодулированный сигнал знаком тока через дугогасящий реактор.

{Раг.{

}

/

::j

ф1/г.а е

9иг.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах для компенсации емкостной и активной составляющих тока однофазного замьпсания на землю и полного гашения перемежакяцихся дуг в трехфазных электрических сетйх с незазеютенной нейтралью. Цель изобретения - повьшение быстродействия и надежности резонансной настройки контура нулевой последовательности сети, а также расширение функциональных возможностей. С этой целью согласно способу, заключающемуся в том, что выявляют режим однофазного замыкания на землю в сети, формируют сигнал управления индуктивностью дугогасящего реактора в нейтрали и вводят последовательно с дугогасящим реактором ЭДС с регулируемой амплитудой, синфазную с током дугогасящего реактора, дополнительно измеряют напряжение смещения нейтрали или напряжение на дугогасящем реакторе. После этого формируют сигнал, синфазный или находящийся в противофазе с напряжением смещения нейтрали или напряжеI нием на дугогасящем реакторе с амплисл тудой, пропорциональной сигналу управления индуктивностью дугогасящего реактора в нейтрали, и вводят последовательно с дугогасящим реактором дополнительную ЭДС, пропорциональную сформированному сигналу. С целью расширения области использования на сети с компенсацией активной составляющей согласно способу модулируют сформированный сигнал знаком тока через дугогасящий реактор, после чего де тектируют промодулированный сигнал знаком тока через дугогасящий реактор. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.