Устройство для автоматической настройки тока компенсации в режиме однофазного замыкания на землю в электрических сетях карьеров Советский патент 1989 года по МПК H02H9/08 

I

iT

т -j-i

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в высоковольтных карьерных электрических сетях, питающих синх- ронные электродвигатели экскаваторов

Цель изобретения - повышение надежности и улучшение условий электробезопасности при выбеге синхронных электродвигателей.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг,2 - регулировочная характеристика дугога сящего реактора с подмагничиванием; на фиг,3 - графики характеристик за- висимостей индуктивности рабочей обмотки дугогасящето реактора с подмагничиванием, тока подмагничи- вания и сигнала на выходе ам тлитудно го детектора от изменения частоты ЭДС выбега синхронного двигателя ,(1СД) ; на Фиг, 4 - расчетная схема силовой цепи контура регулирования тока подмагничивания; на фиг,5 - график изменения тока подмагничива- кия во времени,

. Устройство содержит входной трансформатор , фазово-частотный фильтр 2, блок 3 сравнения фаз, интегриру- йлцее звено 4 со сбросом, амплитудный детектор 5, функциональный преобразователь 6, релейный регулятор 7 тока, в который входят сук мируюп1ий усилитель 8, релейный усилитель 9, силовой ключ 10, датчик 11 тока и шунтирующий диод 12, трехфазный выпp митель 53, трехфазный трансформатор 14, дугогасящий реактор 15 с подмагничиванием (ДРП),

Кроме того, на фиг,1 изображены элементы электрической сети: выключатели на головном участке 16, в конце участка 17 питающей линии 18 и синхронный,двигатель 19. На фиг.З - графики характеристик зависимостей индуктивности рабочей обмотки ДРП 20, тока подмагничивания 21 и сигна ла на выходе амплитудного детектора 22 от изменения частоты ЭДС выбега СД, Контур регулирования представлен в виде последовательно соединенных силового ключа 23 активных сопротивлений источника 24 напряжения г, открытого силового ключа г 25, шунт г 26, обмотки 27 подмагничивания г и индуктивности Ь„ 28 обмотки по;1магничивания реактора,

Работа устройства основана на принципе измерения частоты ЭДС выбег

СД и регулирования тока подмагничивания для получения резонанса токов в контуре, образов.аниом суммарной емкостью питающей линии и индуктивностью рабочей обмотки реактора.

В нормальном режиме сети до возниновения замыкания на землю в цепи обмотки подмагничивания реактора устанавливается ток подмагничивания, определяемый по регулировочной характеристике ДРП (фиг,2), Индуктивность LP находится из условия резонанса в контуре нулевой последовательности сети на частоте напряжения питающей сети, т.е.

Р Ql С

(1)

0 5

0

д

0

где й)д - угловая частота напряжения

питающей сети;

С - суммарная емкость фаз на землю питающей линии и статорных обмоток двигателя .

В связи с тем, что длина питающей

линии 18 в процессе эксплуатации остается неизменной, величина емкости С, зависящая в основном от длины линии, также постоянна. Поэтому в нормальном режиме сети регулирование тока компенсации не требуется,

При возникновении замыкания одной фазы на землю в питающий линии происходит в начале отключение выклгочателя 16 -на головном участке линии и начинается выбег синхронного двигателя.

Индуктивный ток реактора протекает через место повреждения и компенсирует емкостный ток замыкания на землю. Однако изменение частоты Ю ЭДС выбега СД в соответствии с выражением .(О где вместо частоты сОд подставляется частота LO при постоянной индуктивности LP вызывает расстройку режима компенсации, что может привести к опасным последствиям однофазных за- м 1каний, .Длительность воздействия ЭДС выбега на ток замыкания значительна, она определяется разностью моментов отключения выключателей 16 и 17. Выключатель 17 не может отключаться одновременно с выключате--- лем 16, так как его отключение зависит от уставок реле ьашимального напряжения на зажимных синхронного двигателя и реле времени, необходимых в карьерных сетях для отстройки от ложных срабатываний защиты минимального напряжения при пусках соседних дингателей, пнтаютихся по другим линиям от распределительного устройства понижаюшей подстанпии.

Для подлержания резонансного режима при уменьшении частоты CJ индуктивность Lp, как показывает выражение (1), должна изменяться обратно пропорционально квадрату частоты. Рас- четная зависимость L. (со) (кривая 20, фиг.З) позволяет находить с помошыо регулировочной характеристики ДРП (фиг. 2) желаемую величи у тока под- магничивания i для лйбой частотысО (кривая 21, фиг.З). Кривые построены для примера использования ДРП мощностью 20 кВт в сети 6 кВ с учетом ограничения настройки тока компенсации на частоте и 100 с , Увеличение диапазона настройки тока компенсации нецелесообразно, так как при частотах ниже указанной в сетях наблюдается значительное снижение ЭДС выбега СД и энергия, выделяемая в месте повреж- дения, мала. Кроме того, увеличение диапазона регулирования индуктивного тока реактора требует излишнего увеличения его габаритов и дополнительного расхода активных материалов.

При отключении питающей линии 18 выключателем 16 питание обмотки под- магничивания дугогасящего реактора осуществляется от изменяющейся во времени ЭДС выбега СД. Постоянная времени изменения этой ЭДС в процес- се эксплуатации зависит от коэффициента загрузки синхронного двигателя. Использование релейного регулятора тока с отрицательной обратной связью по току обеспечивает поддержание . требуемого тока подмагничивания для соответствующей частоты СО независимо от изменения ЭДС выбега СД. При этом схема регулирования тока i, значи- тельно упрощается из-за применения простого трехфазного неуправляемого выпрямителя.

Входной трансформатор 1, подключеный к выходу трехфазного трансформатора 14, служит для получения соотвествующих уровней напряжений на входа фазово-частотного фильтра 2 и блока сравнения фаз. Фазово-частотный фильтр 2 изменяет фазу выходного сигнала относительно входного при изменении частоты ЭДС выбега СД. В блоке 3 сравнения фаз производится выделение импульсов постоянной ампли

5 0 5 Q

Q д

0

туды с длительностью, -члпмСятоГг от разности фаз входных снгнллоп. Подключенное к е-го бь1ходу интегрирующее 3FieHfi 4 со сбросом прегУнпзначено для преобразования входных пмпульсол п линейно-нарастающее напряжение с последующим сбросом выходного Р1апряже- ния в периоды отсутствия входных импульсов. Амплитудный детектор 5 обеспечивает выделение и запоминание амплитуд, сигнала, соответствукщих каждому предшествующему моменту сброса напряжения на выходе интегрирующего звена. Функциональный преобразователь 6, соединенный с выходом амплитудного детектора 5, формирует желаемую зависимость управляющего .напряжения для регулятора 7 тока по напряжению на выходе амплитудного детектора. Применение в целом Фазово- частотного фильтра совместно с блоком сравнения, фаз и последовательно со- единенны и интегрирующим звеном, амплитудным детектором и функциональ ным преобразователем позволяет формировать напряжение управления релейным регулятором 7 тока с требу- екой зависимостью от изменения частоты ЭДС Быбега СД..

С выхода функционального преобразователя 6 сигнал поступает на вход регулятора 7 тока, в качестве которого используется один вход суммирующего усилителя 8 с выходом, под- ключенным к входу релейного усилителя 9 . Силовой ключ 10 управляется сигналом с выхода релейного усилителя 9, который охвачен контуром отрицательной обратной связи по току, образованным датчиком 11 тока через другой вход суммирующего усилителя 8. Одни выводы силового ключа 10, датчика 11 тока и шунтирующего диода 12 имеют общую точку соединения, а дру- гие выводы этих элементов подключены к трем клеммам регулятора 7 тока, Ди од 12 шунтирует последовательно со- диненные датчик тока и обмотку подмагничивания при отключениях силового ключа, создавая путь протекания тока подмагничивания, обусловленного накопленной энергией в индуктивности обмотки подмагничивания. Трехфазный выпрямитель 13, связанный через трехфазный трансформатор 14 с зажимами синхронного электродвигателя, обеспечивает питание обмотки подмагничива51467663

ния через последовательно соединен- i ные силовой ключ 10 и датчик 11 тока. В релейном регуляторе тока использован метод двухпозиционного регули- рования, в соответствии с которым отпирание силового клича, включенного последовательно с обмоткой подмагни- чивания, осуществляется при уменьше маис

yi(,

6 .vt.

--Г./Г.

+ i,

(3)

где В ТдН- г.+

в ы

суммарное активное сопротивление контура регулированя, а запирание - при увеличении тока ifv до другого заданного уровня. Для обеспечения заданных уровней, т.е разности максимального и минимальния,

НИИ тока 1„ до одного заданного уров- 10 При отключении ключа в течение

времени TO ток 1„ протекает через шунтируюший диод благодаря накопленной энергии S обмотке подмагничивания. Он убывает с постоянной времени, 15 равной

20

25

ного значений токов 1„ в. регуляторе тока применен релейный усилитель 9 с определенной шириной гистерезисной петли. Суммирующий усилитель формирует на выходе напряжение, пропорциональное разности сигналов, поступающих на его входы с функционального преобразователя 6 и безынерционного датчика 11 тока, соответствующих заданной частоте ЭДС выбега СД и и стинному значению тока подмагничивания. Если величина напряжения на входе релейного усилителя, знак которой также зависит от знака разности сигналов на входах суммирующего усилителя, превысит заданные пороги напряжения, определяемые шириной петли гистерезиса, то происходит переключение релейного усилителя, управляющего силовым ключом.

Основными параметрами для релейно- gg го регулятора тока являются рабочая частота fp, величина колебаний тока . 4 - 1 , постоянй1„ - J-IW MOkC МИЧ

ные времени контура регулирования тока подмагничивания -с, и соответствующие включенному состояниям силового ключа. Дпя определения взаимо-: связи между зтими параметрами рас- |смотрим схему силовой цепи контура

/ и -i -

ш

п

Ln

(4)

до значения 1„ j, ,

1,

который равен

. (5)

(им Wai c

Из выражений (3) и (5) находятся интервалы времени, соответствующие открытому и закрытому состояниям силового ключа:

Т.ь

l yi/§ I ij-«Ki. Uj/R - invoKc

30

In

i JAft5 .

1 tj мин

(6)

(7)

Период колебаний тока подмагничивания Т состоит из суммы интервалов

времени Т и Т тока х„. равна

частота колебаний

yj -l-inifiia.1,/,-. 1 - d/ i ifi.f J/(.l - „,„,,

40

.in )

1- « мин

(8)

Полученное уравнение отражает искомую взаимосвязь между параметрами релейного регулятора тока и контура регу,- -„ лирования. Она позволяет найти оптирегулирования и график изменения тока 45 „ороги срабатывания релейподмагничивания (фиг.4 и 5). Силовой ключ 23 подключает обмотку подмагничивания реактора к источнику питания с напряжением I j при достижении тока подмагничивания величины

Лп «ИИ

За время включения Тц ключа

50

ток irt увеличивается по экспоненте (фиг.5) с постоянной времени

ного усилителя в зависимости от диапазонов изменения напряжения Uj на выходе трехфазного выпрямителя, индуктивности обмотки подмагничивания дугогасяш.его реактора и величины колебаний тока подмагничивания Д1„,

Среднее значение тока подмагничивания за один период при известных

г,

Ln/( + г )

;и достигает величины in/wave деляемой согласно выражению

yi(,

6 .vt.

--Г./Г.

+ i,

(3)

В ТдН- г.+

в ы

суммарное активное сопротивление контура регулирова и

ш

п

Ln

(4)

до значения 1„ j, ,

1,

который равен

. (5)

(им Wai c

Из выражений (3) и (5) находятся интервалы времени, соответствующие открытому и закрытому состояниям силового ключа:

Т.ь

l yi/§ I ij-«Ki. Uj/R - invoKc

(6)

In

i JAft5 .

1 tj мин

(7)

Период колебаний тока подмагничивания Т состоит из суммы интервалов

времени Т и Т тока х„. равна

частота колебаний

yj -l-inifiia.1,/,-. 1 - d/ i ifi.f J/(.l - „,„,,

40

.in )

1- « мин

(8)

50

ного усилителя в зависимости от диапазонов изменения напряжения Uj на выходе трехфазного выпрямителя, индуктивности обмотки подмагничивания дугогасяш.его реактора и величины колебаний тока подмагничивания Д1„,

Среднее значение тока подмагничивания за один период при известных

и 3.,

можно

величинах i и - -«/«акс оценить приближенно по выражению

1ср

iniwcuK i LiSJiS l - -

(3)

Для поддержания тока LJ, , соответствующего частоте Q , как следует из анализа работы релейного регулятора тока, сигналы на входах сиум отрующег усилителя должны изменяться по идентичному закону в функции от частоты СО , только они должны быть противо -- положного знака. Если на оцном входе суммируюшего усилителя присутствует напряжение U(ij,)v пропорциональное току 1 и оно изменяется по графику, приведенному на фиг. 3 (кривая 21), то на другом его входе, связанном с выходом функционального преобразователя, график изменения напряжения и((0) должен полностью соответствоват кривой изменения напряжения и(1),

формирование сигнала управления U(Q) с требуемой характеристикой от изменения частоты производится последовательно соединенными интегрирующим звеном 4 со сбросом, амплитудным детектором 5 и функциональным преобразователем 6, Для измерения частоты со вначале при помощи фазово- частотного фильтра 2 изменение частоты преобразуется в разность фаз двух сигналов, Фазово-частотный фильтр выполнен в виде последовательно соединенных элe feнтoв - индуктивности, емкости и активного сопротивления. Резонансная частота фильтра выбираете ся равной круговой частоте сети СОо и разность фаз между сигналами на входе и выходе фильтра определяется выражением

.СО,

а.

arctg Q (-- --),

СОо

(10)

где Q - добротность фазово-частот-

ного фильтра.

Блок 3 сравнения фаз формирует на выходе прямоугольные импульсы фиксированной амплитуды со скважностью, равной tf/CJ. Эти импульсы преобразуются в интегрирующем звене, в линейно-нарастающее напряжение. Как отмечалось выше, постоянная времени изменения частоты ЭДС выбега СД зависит от коэффициента его загрузки и для уменьшения ошибок преобразования длительности импульсов в напряжение, каждый раз при отсутствии импульсов производится сброс выходного напряжения интегрирующего звена. Подключенный к его выходу амплитудный детектор 5 выделяет амплитуду сигнала и поддерживает ее значение

0

г

на своем выходе постоянным в моменты отсутствия импульсов на входе интегрирующего звена, т.е. выполняет функцию запоминания сигнала. Изменение сигнала на выходе амплитудного детектора происходит в сторону увеличения только при превышении напряжения на его входе. Зависимость выходного сигнала амплитудного детектора и от изменения частоты U, (сО) имеет вид кривой 22, представленной на фиг,3, которая преобразуется функциональным преобразователем в сигнал управления

5 и(сО) с графиком изменения, совпадающим с кривой 21 (фиг,3).

Таким образом, задающее напряжение на одном входе суммирующего усилителя зависит от изменения частоты, и ре0 лейный регулятор тока поддерживает ток подмагничивания, соответствующий требуемой индуктивности рабочей обмотки дугогасящего реактора.

Применение предлагаемого устрой5 ства,вкпючаюшего небольщие дугогася- шие реакторы с подмагничиванием с мощностью, равной зарядн.ой мощности отдельных питающих линий экскаваторов, установленные в нейтрали синхронных электродвигателей и снабженные релейными регуляторами тока с управлением в функции частоты ЭДС выбега СД, позволяет полностью компенсировать емкостный ток замыкания на землю, ликвидировать режим перемеща0

гацеися дуги, сопровождаюшеися перенапряжением в сети, и снизить уровень токов, растекающихся от нес-( та замыкания, что в целом повышает надежность функционирования карьерных сетей и улучшает условия электробезопасности.

Формула изобретен ия

Устройство для автоматической настройки тока компенсации в режиме однофазного замыкания на земпю в электрических сетях карьеров, содержащее дугогасящий реактор с подмаг- ннчиванием, трехфазный трансформатор с первичными обмотками, подключенными к выводам статорной обмотки синхрон- ного двигателя, трехфазный выпрямитель, один вывод которого подключен к обмотке подмагничивания, входной трансформатор с входами, соединен- ньГми с выводами вторичной обмотки трехфазного трансформатора, фазовочастотный фильтр, подключенный к вы ходу входного трансформатора, блок сравнения фаз с входами, соединенными с выходами входного трансформатора и фазово-частотного фильтра, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и улучшения условий электробезопасности при выбеге синхронных электродвигателей, оно снабжено интегрирующим звеном со сбросом, амплитудным детектором, функциональным преобразователем и релейным регулятором тока, причем вход интегрирующего звена со сбросом

-

766310

подключен к выходу блока сравнения фаз, а его выход - к входу амплитудного детектора, выход которого соединен с входом функционального преобразователя, вход релейного регуля- тор.а тока подключен к выходу .функционального преобразователя, а его выходы соединены один - со свободным

10 выводом трехфазного выпрямителя, а два других - с выводами обмотки подмагничивания дугогасящего реакто-т ра, рабочая обмотка которого включена между нейтралью статорной обмотки

15 синхронного двигателя и землей.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для испольэо-, вания в высоковольтных карьерных электрических сетях, питаюших синхронные электродвигатели экскаватора. Цель изобретения - повыщение надежно сти и улучшение условий электробезопасности при выборе синхронных электродвигателей. Устройство для автоматической настройки тока компенсации в режиме однофазного замы- жания на землю содержит дугогасящий реактор с подмагничиванием 15 постоянным током, включенный в нейтраль синхронного электродвигателя 19 экскаватора, мощностью равной зарядной мощности питающей экскаватор линии, трехфазный выпрямитель 13, входной трансформатор 1, фазово-частотный фильтр 2, подключенный к выходу входного трансформатора и фазово-частот-- ного фильтра. Новым в устройстве является то, что оно снабжено инте- грируЮЕЦим звеном со сбросом 4, амплитудным детектором 5, функциональным преобразователем 6 и релейным регулятором тока 7 с управлением в функции частоты ЭДС выбега синхронного электродвигателя экскаватора, i- 5 ил. СП

2

в 12 16 ZO Ln,.A .2

23 25

Л5 ,

т W 200 250 Фие. 3

п Maj(c