Устройство для автоматической компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю Советский патент 1986 года по МПК H02H9/08 

ю

О5 Са

со

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во всех режимах электрической сети для компенсации емкостных токов. Цель изобретения - повышение точности настройки реактора и расширение функциональных возможностей. Работа устройства основана на измерении угла между векторами напряжений нейтрали и выбранной фазы сети относительно земли. Устройство содержит блок 2 определения режима сети, связанный с управляюш,ими входами блока 1 выбора напряжений и переключателя 3, два фазовращателя 4 и 5, два фазочастотных фильтра 8 и 9, делитель 6, сумматор 7, частотно-фазовый компаратор 12. Частотно-фазовый компаратор содержит два формирователя 13 и 14 импульсов, два срабатываюших по фронту триггера 15 и 16, логический элемент ИЛИ-НЕ 17, блок 18 задержки, два логических элемента И-НЕ 19 и 20 и дифференциальный усилитель 21. Устройство можно использовать для компенсации не только в нормальном режиме и при устойчивых горениях дуги, но и при возникновении сС режима перемежающейся дуги для снижения напряжения на нейтрали в нормальа ном режиме при неполнофазных режимах сети, повышается точность настройки в реС жиме замыкания в области резонансных настроек компенсации. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических сетях для автоматической компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю.

Цель изобретения - повышение точности настройки дугогасящего реактора и расширение функциональных возможностей устройства для компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - векторные диаграммы, соответствуюшие различным режимам сети (а - нормальный; б - устойчивое горение дуги; в - обрыв дуги в месте повреждения); на фиг. 3 - кривые изменения угла ф во времени.

Устройство содержит блок 1 выбора напряжений, блок 2 определения режима сети, переключатель 3, фазовращатели 4 и 5, делитель 6, сумматор 7, фазочастотные фильтры 8 и 9, два усилителя-ограничителя 10 и 11, частотно-фазовый компаратор 12, в который входят формирователи 13 и 14 импульсов, два триггера 15 и 16, логический элемент ИЛИ-НЕ 17, блок 18 задержки, два логических элемента 19 и 20 и дифференциальный усилитель 21, кнтегриру ЮШ.ИЙ усилитель 22, блок 23 управления реактора и дугогасящий реактор 24.

Входные цепи блоков вцбора напряжений 1 и определения режима 2 подключены к выводам измерительного трансформатора типа НТМИ, устанавливаемого в электрической сети.

Блок выбора напряжений предназначен для выделения требуемого линейного напряжения в различных режимах сети и снижения его значения до фазного. Блок определения режима сети управляет работой блока выбора напряжения и переключателя 3, который подключает к выходу блока выбора напряжений входы фазовращателей 4 и 5 в зависимости от режима сети. Фазоваращатель 4 формирует опорное напряжение в нормальном режиме, а фазовращатель 5 - в режиме замыкания. Делитель 6, выполненный в виде потенциометра, снижает напряжение нейтрали, его вход подключен к входу блока определения режима сети. Выходы фазовращателей и делителя подключены к входам сумматора 7, ре ализованного последовательным соединением выходных зажимов делителя и фазовращателей, который предназначен для выделения напряжения выбранной фазы относительно земли путем аналогового вычитания векторов напряжений выбранной фазы источника и нейтрали.

Фазочастотные фильтры 8 и 9, настроенные на частоту сети юо, подключены к выходам делителя и сумматора, предназначены для подавления сигналов с частотами, отличающимися от рабочей частоты сети и повышения чувствительности измерительного

органа фазы в режиме перемежающегося дугового замыкания с использованием их фазочастотных характеристик. Входы усилителей-ограничителей 10 и 11 подключены к выходам фазочастотных фильтров, выполняют функции нуль-органов, преобразуя входные сигналы в прямоугольные импульсы положительной полярности постоянной амплитуды с длительностью, равной половине периода следующих сигналов. К выходам усилителей-ограничителей подключены входы частотно-фазового компаратора, который обеспечивает формирование выходного сигнала с правильным знаком ,при различающихся частотах входных сигналов и при обрыве дуги в месте повреждения.

Компаратор 12 состоит из формирователей 13 и 14 узких импульсов с крутым фронтом, выходы которых подключены к первым входам триггеров 15 и 16, логического элемента ИЛИ-НЕ 17, входами подклю0 ченного к инверсным выходам триггеров и выходом соединенного с вторыми входами триггеров, блока 18 задержки, логических элементов И-НЕ 19 и 20 и дифференциального усилителя 21, при этом входы блока задержки и первые входы элементов И-НЕ подключены к прямым выходам триггеров, выход блока задержки соединен с вторыми входами элементов И-НЕ, а выходам которых подключены входы дифференциального усилителя.

Блок задержки предназначен для создания зоны нечувствительности к изменению фазы напряжения сети, возникающему в результате неравенства числа обмоток фаз измерительных и силовых трансформаторов, а также влияния работы несимметричных мощных электрических приемников.

Выход частотно-фазового компаратора через последовательно соединенные интегрирующий усилитель 22 и блок 23 управления, представляющий собой тиристорный преобразователь, связан с обмоткой подмаг0 ничивания дугогасящего реактора 24, подключенного к нейтрали электрической сети.

Работа устройства во всех режимах электрической сети основанана принципе измерения одного угла между векторами напряжения нейтрали и напряжения выбранной , фазы сети относительно земли, определяемого как разность двух напряжений - опорного и нейтрали.

В нормальном режиме сети необходимо наличие напряжения смещения нейтрали, Q которое создается подключением асимметрирующей емкости к одной из фаз сети или изменением числа витков обмотки трансформатора, к нейтрали которого подключается дугогасящий реактор.

Приведенная на фиг. 2 а векторная

5 диаграмма напряжений соответтвует случаю

подключения асимметрирующей емкости к

фазе А сети. Б резонансном режиме сети

напряжение опережает напряжение UAO на +-2 Блок выбора напряжений выделяет линейное напряжение Одв/д/з, которое через нормально замкнутые контакты переключателя и фазовращатель 4 поступает на один вход сумматора. Фазовращатель . 4 осуществляет поворот напряжений UAB/Д/З на -|- обеспечивая получение требуемого опорного напряжений UAO в нормальном режиме. На другой вход суммато)а через делитель поступает напряжение Ооо, описываемое выражением йоо УФ ,(1) лЯО+К.) где Ки - коэффициент несимметрии; V -степень расстройки контура; d - коэффициент демпфирования сети; а arctg d между векторами напряжений йдо и Ооо. Сумматор производит аналоговое вычитание двух входных напряжений Одо и Ооо, формируя на выходе напряжение ОАО иФ- Ооо. Таким образом, на входах фазочастотных фильтров устанавливаются напряжения ОАО и Ооо, сдвинутые по фазе на угол , который зависит от степени расстройки и равен аргументу отношения выражений указанных напряжений -c..±fci Возникновение замыкания фазы на землю приводит к появлению управляющего сигнала на выходе блока определения режима, под действием которого блок выбора напряжений вступает в работу и производит выбор линейного напряжения между фазами, свободными от замыкания, а переключатель подключает вход фазовращателя 5 к выходу блока выбора напряжений, отключая при этом вход фазовращателя 4. При устойчивом дуговом замыкании фазы А (фиг. 2 б) на выходе блока выбора напряжений устанавливается напряжение UBt/Vy, на выходе фазовращателя 5 - напря жение ОАО, используемое в качестве опорного и получаемое путем поворота вектора UBC/VS на -}-j Аналогично происходит формирование вектора фазного напряжения источника при замыканмии фаз В и С, только блок выбора напряжений выделяет при этом соответственно линейные напряжения ОСА и ОАВ, уменьшенные в раз. На входы сумматора через делитель поступают напряжения Ооо и ОАО, и на выходе выделяется разность входных напряжений, равная напряжению поврежденной фазы относительно земли ОАО . Делитель позволяет уменьшить напряжение Uoo на одном входе сумматора, что эквивалентно увеличению переходного сопротивления в месте повреждения. В результате даже при металлическом замыкании, когда в сети напряжение по нейтрали равно фазному напряжению источника, на выходе сумматора имеется напряжение, совпадающее по фазе с напряжением нейтрали. Таким образом, напряжение в месте повреждения в устройстве определяется путем измерения напряжений, имеющих достаточную амплитуду. Предлагаемое техническое рещение обладает рядом преимуществ по сравнению с непосредственным измерением указанного напряжения на фоне высших гармоник при малых з начениях переходного сопротивления. В области резонансных настроек компенсации не возникает отказ в работе устройства из-за снижения чувствительности. В режиме металлического замыкания на землю не требуются различные блокировки и блок памяти для запоминания индуктивности реактора, так как в этом режиме напряжение на выходе сумматора, соответствующее напряжению в месте повреждения, не равно нулю, его значение задается делителем. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет наиболее промсто осуществить снижение напряжения на нейтрали при неполнофазных режимах сети, возникающих в результате обрыва провода и при перегорании предохранителя одной фазы какого-либо фидера, приводящих к недопустимому увеличению напряжения несимметрии. В этом случае происходит изменение угла ф из-за несовпадения по фазе векторов напряжений искусственной и продольной несимметрии, и устройство уводит сеть от резонансного режима. Напряжения ОАО и Ооо на входах фазочастотных фильтров в зависимости от степени расстройки могут иметь фазовый сдвиг, равный Ф arctg- (3) Сравнительный анализ (2) и (3) показывает, что чувствительность устройства по углу в рассмотренных режимах практически одинакова, так как известно, что в сетях в соответствии с правилами технической эксплуатации значение коэффициента K.U не должно превышать 0,0075, а коэффициент d значительно превосходит К„, он колеблется в пределах 0,03-0,1. Для выяснения закона изменения фазового угла ср в режиме перемещающегося дугового замыкания рассмотрим фиг. 2в, где приведена диаграмма напряжений для случая повреждения фазы В. При каждом обрыве дуги в месте замыкания возникают свободные колебания напряжения нейтрали Ооо с частотой со и напряжения Ово с частотой шв. Вектор напряжения Ово имеет вынужденные колебания с частотой 0)0. Разность частот свободных колебаний напряжения сети шо и нейтрали со равна шо(1 -Vl-V)(4) Напряжение Uoo убывает по экспоненте, его начальное значение зависит от переходного сопротивления в месте замыкания и описывается выражением Uoo KB )+ ;(5) где К - коэффициент, учитываюш,ий уменьшение амплитуды напряжения нейтрали из-за влияния переходного сопротивления в месте замыкания; В - амплитуда напряжения URO. Напряжение поврежденной фазы источника равно UBO .,(6) Вектор напряжения ОБО является, результатом вычитания напряжений UBO и Uoo. Разделив выражение напряжения UBO на напряжение Uoo, находим аргумент этого отношения, который равен углу ф , sin6oLit Р t cosSwt-Kr Из равенства (7) следует, что угол ф, принимаемый в качестве параметра регулирования настройки реактора, зависит от степени расстройки V и времени t. На фиг. 3 приведены графики изменения угла ф во времени при коэффициенте d 0,05 и для двух значений расстроек 0,15 - кривая 25 и v 0,l - кривая 26. При постоянной расстройке контура происходит изменение угла ф не только по величине, но и по знаку. Вектор UBO имеет собственную частоту, равную «Ь WO+ . бсо-КГ(бсосо5бш1+bsinScot) + 1+КГ ЧКЕ- -2cos6(ot) (8) Из выражения (8) видно, что частота 1)в вектора напряжения UBO зависит от степени расстройки; при V О, Ыв (1)0, ОХС СОо; при V О, СОб СОО, Ci) (00. Например, при параметрах сети d 0,05; К 0,95 через 0,02 с после обрыва дуги указанные частоты равны а)в 331,5 (0 289,5 с- для v 0,14 и ш 297,3 , ш 336,7 для v -0,15. Изменение частоты Шь во времени происходит в незначительных пределах, о чем свидетельствует приведенный график ф(1) (фиг. 3). Таким образом, в режиме перемежающегося дугового замыкания при использоваНИИ фазового угла в качестве параметра регулирования фазоизмерительный орган должен реагировать на изменение частот входных сигналов для формирования управляющего сигнала с правильным знаком. Для повышения чувствительности по углу в этом режиме производится преобразование частот входных сигналов с использованием фазочастотных характеристик фильтров 8 и 9, которые описываются выражением Ф,aгctgQ(|o).(9 Как было указано, частоты входных сигналов при любых расстройках различны, через один фильтр проходит сигнал, превышаюш,ий резонансную частоту фильтра. равную угловой частоте сети (оо 314 с через другой - с частотой, меньшей резонансной частоты 0)0. В результате происходит увеличение фазового сдвига сигналов на выходах фильтров на величину фФ2. Чувствительность по углу, следовательно, точность настройки в рассматриваемом р.ежиме зависят только от добротности Q фильтров. Синусоидальные сигналы с выходов фильтров при помощи усилителей-ограничителей 10 и 11 преобразовываются в однополярные прямоугольные импульсы с длительностью, равной половине периода следующих сигналов, по переднему фронту которых в формирователях 13 и 14 импульсов частотно-фазового компаратора 12 происходит выделение узких импульсов с крутым фронтом. Эти импульсы управляют срабатыванием RS-триггеров 15 и 16. Если предположить, что импульс напряжения на первом входе триггера 15 опережает импульс напряжения на первом входе триггера 16,то в начале происходит срабатывание триггера 15. Он остается в этом состоянии до тех пор, пока триггер 16 не переключится от поступающего импульса с формирователя 14 импульсов. При этом, когда на инверсных выходах обоих триггеров оказывается состояние логического нуля, происходит возврат триггеров в первоначальное положение через элемент ИЛИ- НЕ 17. В результате на прямом выходе триггера 15 образуется последовательность прямоугольных импульсов. В другом случае, когда входные импульсы триггера 16 опережают импульсы на входе триггера 15, последовательность прямоугольных импульсов образуется на прямом выходе триггера 16. Длительность импульсов на прямых выходах триггеров 15 и 16 равна интервалу между входными прямоугольными сигналами по переднему фронту на входах частотно-фазового компаратора. Таким образом, появление последовательности прямоугольных импульсов на выходе любого триггера возможно только при опережающих импульсах на его входе, что позволяет формировать управляющие сигналы соответствующего знака при различных частотах входных сигналов в режиме перемежающегося дугового замыкания. Например, если частота входных импульсов на

входе триггера 15 больше частоты импульсов на входе триггера 16, то последовательность прямоугольных импульсов имеется только иа выходе триггера 15 и наоборот, если частота импульсов на входе триггера 16 больше частоты импульсов на входе триггера 15, то прямоугольные импульсы образуются только на выходе триггера 16.

Блок 18 задержки позволяет осушествить зону нечувствительности по фазе, обеспечивая устойчивую работу устройства при несимметрии фазных напряжений. Сигналы с прямых выходов триггеров 15 и 16 поступают на первые входы элементов И-НЕ 19 и 20 и на входы блока задержки, с выхода которого сигнал подается на вторые входы указанных элементов И-НЕ. Переключение элементов И-НЕ происходит только при превышении длительности импульсов на выходах триггеров ширины зоны нечувствительности блока задержки.

Сигналы с выходов элементов И-НЕ следуют на дифференциальный усилитель 21, который в зависимости от того, на каком выходе триггеров имеется последовательность прямоугольных импульсов, формирует выходной сигнал соответствующего знака. При наличии сигнала на прямом выходе триггера 15 знак выходного сигнала усилителя отрицательный, а при наличии сигнала на прямом выходе триггера 16 - положительный.

Если отсутствует фазовый сдвиг между сигналами на входах частотно-фазового компаратора, что соответствует резонансному режиму сети, сигнал на его выходе равен нулю.

При возникновении расстройки в любых режимах электрической сети частотно-фазовой компаратор формирует выходные импульсы с правильным знаком, поступающие на интегрирующий усилитель 22, который, воздействуя на блок управления реактором, изменяет его индуктивность до тех пор, пока расстройка контура не станет равной нулю.

Изобртетение расширяет функциональные возможности устройства, а именно возможно его использование для автоматической компенсации не только в нормальном режиме и при устойчивых горениях дуги, но и при возникновении режима перемещающейся дуги для автоматического снижения напряжения на нейтрали в нормальном режиме при неполнофазных режимах сети, повышается точность настройки в режиме замыкания в области резонансных настроек компенсации и обеспечивается его устойчивая работа во всех режимах сети.

Определение напряжения в месте повреждения путем измерений двух напряжений досстаточной амплитуды с испоьзованием делителя и сумматора, применение фазочастотных фильтров, позволяющих преобразовать частоты входных сигналов при обрыве дуги в фазовый угол, в качестве фазоизмерительного органа частотно-фазового компаратора позволяют реализовать устройства автоматической настройки реакторов с изменением только одного фазового угла с одним каналом регулирования без применения функциональных преобразователей и блоков памяти к интегрирующему усилителю, для запоминания индуктивности реактора, что приводит к упрощению, удешевлению и повышению надежности функционирован 1я устройства. Кроме того, устройства, работа которых основана на принципе измерения фазовых характеристик сети, обладают высокой помехоустойчивостью и быстродействием. Применение предлагаемого устройства автоматической настройки, функциониру5 ющего во всех режимах электрической сети, позволяет повысить эффективность компенсации емкостных токов и в целом надежность системы электроснабжения потребителей.

Формула изобретения

два логических элемента И-НЕ и дифференциальный усилитель, причем первые входы триггеров подключены к выходам формирователей импульсов, а вторые - к выходу

элемента ИЛИ-НЕ, входы которого соединены с инверсными выходами триггеров, первые входы элементов И-НЕ подключены к прямым выходам триггеров и входам блока задержки, выход которого соединен

с вторыми входами элементов И-НЕ, выходы элементов И-НЕ подключены к входам дифференциального усилителя, а входы формирователей импульсов являются входами частотно-фазового компаратора.

25

26