Устройство для ограничения феррорезонансных и резонансных процессов Советский патент 1992 года по МПК H02H9/04 

Изобретение относится к высоковольтным электрическим сетям, в частности к защите измерительных трансформаторов напряжения и тока, высоковольтных воздушных выключателей, вентильных разрядников с магнитным гашением дуги и обеспечению успешной работы релейной защиты, автоматики и телемеханики при полном обесточении систем шин 110-500 кВ и возникновении холостых режимов линий электропередач напряжением 110-750 кВ.

Известно распределительное устройство, обеспечивающее подключение активной нагрузки к первой вторичной обмотке электромагнитного трансформатора напряжения, например, типа НКФ.

Недостатками указанного устройства являются: недостаточная эффективность ограничения феррорезонансных и невозможность ограничения резонансных процессов; реагирование составляющих элементов только на токи пятой гармоники в высоковольтной первичной обмотке трансформатора напряжения; громоздкость конструкции по причине наличие по два комплекта нагрузочных сопротивлений, коммутационных аппаратов и автоматических расцепителей, снижающих быстродействие и надежность работы; необходимость выполнения уровня изоляции, рассчитанной на высокое напряжение, что усложняет монтаж и наладку; соизмеримость стоимости со стоимостью трансформатора напряжения.

Известно устройство для ограничения феррорезонансных перенапряжений в элекVI XI

оо

00

ел

XI

трических сетях, обеспечивающее подключение активной нагрузки к первой вторичной обмотке электромагнитного трансформатора, например, типа НКФ со ступенчато изменяющимся сопротивлением в сторону его увеличения.

Недостатками указанного устройства являются: невозможность эффективного гашения феррорезонансных и ограничения резонансных процессов; реагирование составляющих элементов только на напряжение третьей гармоники в первой вторичной обмотке трансформатора напряжения; недостаточная надежность и быстродействие работы коммутационных элементов; сложность монтажа и наладки; сохранившаяся соизмеримость стоимости со стоимостью трансформатора напряжения.

Относительно близким по технической сущности является устройство для ограничения феррорезонансных перенапряжений в электрических сетях, принятое нами за аналог и обеспечивающее допустимое кратковременное перенасыщение магнитной системы электромагнитного трансформатора напряжения благодаря созданию выпрямленного тока в его второй вторичной обмотке при помощи трехфазной мостовой схемы с неуправляемыми вентилями, подсоединенной к фазным проводам первой вторичнойобмоткиуказанногоизмерительного трансформатора с целью вывода индуктивного сопротивления его первичной высоковольтной обмотки из режима последовательного резонанса с результирующим емкостным сопротивлением сети в режим индуктивной перекомпенсации, исключающей феррорезонзнсный процесс,

Недостатками указанного устройства являются: невозможность длительного нахождения в недопустимом режиме перенасыщениямагнитнойсистемытрансформатора напряжения, приводящем к тепловым и электрическим повреждениям его первичной высоковольтной обмотки и последующему углублению аварийной ситуации; недопустимость создания даже кратковременного режима глубокого перенасыщения магнитной системы трансформатора напряжения, создающего опасные по величине токи и напряжения феррорезонансного процесса; снижение эффективности использования режима перенасыщения магнитной системы трансформатора напряжения с учетом перспективы развития подстанций, т.е. увеличения количества присоединений к системам шин с помощью воздушных выключателей, т.к. результирующее емкостное сопротивление снижается практически пропорционально снижению индуктивного сопротивления; недостаточная эффективность ограничения феррорезонансного и

невозможность ограничения резонансного процессов; наличие неуправляемых вентилей в трехфазной мостовой схеме исключает возможность эффективного функционирования элементов в зависимости от парамет0 ров токов и перенапряжений феррорезонансного и резонансного процессов; подключение нагрузочного сопротивления трехфазной мостовой схемы между выводами второй вторичной обмотки

5 трансформатора напряжения затрудняет селективную настройку уставок устройств релейной защиты, автоматики и телемеханики.

Наиболее близким по технической сущ0 ности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому техническому решению является устройство для ограничения феррорезонансных процессов, принятое за прототип и содержащее

5 трехфазную резисторную нагрузку, подключенную к первой вторичной обмотке трансформатора напряжения с помощью неуправляемых вентилей встречно-параллельного подсоединения в каждой фазе.

0 причем, концы разомкнутого треугольника его второй вторичной обмотки подсоединены между нейтралью соединенной в звезду нагрузки и нейтралью звезды вышеуказанной первой вторичной обмотки. С целью уп5 рощения электрической схемы, повышения надежности и быстродействия работы защитного устройства, а также повышения его эффективности обмотки низкого напряжения выполнены с встречной намоткой, за0 трудняющёй режим перенасыщения магнитной системы, а, следовательно, возникновения опасных феррорезонансных процессов,

Недостатками указанного устройства

5 являются: недостаточная эффективность ограничения ферроразонансного и резонансного процессов по причине срабатывания неуправляемых вентилей трехфазной мостовой схемы и подключения трехфазной ре0 зисторной нагрузки только при воздействии фазных перенапряжений между линейными выводами и нейтралью первой вторичной обмотки трансформатора напряжения: неэффективное ограничение режима перена5 сыщениямагнитнойсистемы

трансформатора напряжения при встречной намотке его вторичных обмоток при воз- действии только переменного тока, исключающего возможность локализации аварийных процессов; наличие трехфазной

резисторной нагрузки со стабильной величиной сопротивления, исключающей эффек- тивную работу элементов в функциональной зависимости от изменяющихся величин токов и напряжений соответствующих частот, свойственных феррорезонансным и резонансным процессам.

Целью изобретения является повышение эффективности гашения феррорезонан- сных и резонансных процессов, возникающих как после полного обесточе- ния систем шин воздушными выключателями, так и при холостом режиме линий электропередач с подсоединенными к фазам электромагнитными трансформаторами напряжения, на основе регистрации, свойственных указанным аварийным процессам, феррорезонансного тока и перенапряжений; обеспечение эффективности функционирования защитного устройства с помощью конструктивных решений, обеспечивающих дополнительное ограничение возможности перенасыщения магнитной системы трансформатора напряжения при аварийных процессах в электрических сетях; повышение чувствительности работы элементов на основе обеспечения функционального взаимодействия между датчиками токов и напряжений феррорезонансных и резонансных процессов с одной стороны и срабатыванием трехфазной мостовой схемы с другой, обеспечивающей в свою очередь наличие выпрямленного тока во второй вторичной обмотке трансформатора напряжения; использование комплексного сочетания переменного и выпрямленного токов so вторичных низковольтных обмотках трансформатора напряжения и их воздействия на процесс снижения или стабилизации насыщения магнитных систем; компактность конструкции устройства, обеспечивающей одновременно быстродействие и надежность работы; простота монтажа и наладки при выполнении уровня изоляции, рассчитанного на низкое напряжение вторичных цепей; снижение стоимости защитного устройства по сравнению со стоимостью трансформатора напряжения; отказ от нагрузочных сопротивлений во вторичных обмотках трансформатора напряжения; снижение металлоемкости и повышение класса точности измерений компактных конструкций измерительных трансформаторов напряжения.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема конкретного выполнения предлагаемого устройства.

Трансформатор напряжения 1 линейными выводами высоковольтной обмотки 2,

соединенной по схеме звезды и имеющей глухозаземленную нейтраль 3, чеосз разь- единитель4 подсоединен непосредственно к системе шин или линии электропередачи 5 5. Его первая вторичная обмотка 6 соединена по схеме звезды с выведенным нулевым проводом 7, а вторая вторичная обмотка 8 соединена по схеме разомкнутого треугольника.

0Первый блок управления 9 подсоединен

ко вторичным цепям трансформатора тока 10, первичная обмотка которого включена в заземляющий провод глухозаземленной нейтрали первичной высоковольтной об5 мотки трансформатора напряжения, с помощью входных цепей фильтра токов 11 заданной гармоники, состоящего из последовательно соединенных емкости 12 и активного сопротивления 13, к выходным

0 цепям которого подсоединены входные цепи первого выпрямительного блока 14, к выходным цепям которого подсоединены последовательно первые реле тока 15 и реле времени 16 с выходом цепи управления 17.

5 Второй блок управления 18 подсоединен между линейным выводом и нулевым проводом средней фазы первой вторичной обмотки низкого напряжения с помощью входных цепей фильтра напряжения 19, со0 стоящего из последовательно соединенных емкости 20 и индуктивности первичной обмотки 21 нагрузочного трансформатора 22, к выводам вторичной обмотки 23 которого через сглаживающий конденсатор 24 подсо5 единены входные цепи второго выпрямительного блока 25, к выходным цепям которого подсоединены последовательно вторые реле тока 26 и реле времени 27 с выходом цепи управления 28.

0 Трехфазная мостовая схема 29 с управляемыми вентилями 30 подсоединена к линейным выводам первой вторичной обмотки, а выходными цепями 31, 32 к выводам второй вторичной обмотки. Блоки уп5 равления 33,34 трехфазной мостовой схемы соединены входами Цепей управления 35, 36 соответственно с выходами цепей первого и второго блоков управления с помощью электрических связей 37, 38, 39 и 40, а выхо0 дами цепей управления соединены с каждым управляющим электродом 41 управляемого вентиля, катодами 42 одной группы и анодами 43 другой группы управляемых вентилей.

5Согласованная намотка 44 и 45 первой

и второй вторичных обмоток противоположна намотке 46 первичной обмотки.

В нормальном режиме работы сетей трансформатор напряжения 1 подсоединен выводами первичной высоковольтной обмотки 2 к системе шин или линии электропередачи 5 разъединителями 4. Ток в глухо- заземленной нейтрали 3 не протекает черэз первичную обмотку трансформатора тока 10 и первый блок управления 9 не функционирует. Напряжение между линзйнык заводом средней фазы первой вторичной обмотки 6 и ее нейтральным выводом 7 не превышает номинальных величин напряжений промышленной частоты и второй блок управления 18 тоже не функционирует Следовательно, трехфазная мостовая схема 29 не работает и выпрямительный ток во второй вторичной обмотке 8 отсутствует. На основании вышеизложенного видно, что предлагаемое защитное устройство работает только при аварийных режимах в электрических сетях.

При аварийном обесточении системы шин 5 с помощью воздушных выключателей возникают феррорезонансные процессы с недопустимыми, а во многих случаях опасными для изоляции электрооборудования величинами феррорезонансмыхтоков з нейтрали 3 первичных высоковольтных обмоток 2 и перенапряжений между выводами фаз первой вторичной обмотки 6 и ее нулевым проводом 7.

Согласно проведенных экспериментальных исследований в действующих электрических сетях 110-330 кВ наибольшей по амплитуде высокочастотной составляющей в феррорезонансном токе является пятая гармоника при его протекании в первичной высоковольтной обмотке 2. а, следовательно, а ь. йтральноэд проводе между нейтралью 3 и землей через первичную обмотку трансформатора тока 10, а в феррорезонансном напряжении - третья гармоника, возникающая между выводами первой вторичной обмотки 6 и ее нулевым проводом 7. Например, при нормальном режиме работы указанные гармоники составляет не более 0,7% от общей величины амплитуды синусоидального тока или напряжения, а при полном обеспечения системы шин с электромагнитными трансформаторами напряжения они возрастают до величин порядка (28-30)%.

Поэтому, применительно к указанному аварийному режиму, конденсатор 12 и активное сопротивление 13 настроены ка фильтрацию токов пятой гармоники толовым фильтром 11, киторые выпрямляются в первом выпрямительном блоке 14 к приводят к срабатыванию первых токового реле 15 и реле времени 16 с выдачей гокоэого сигнала на выход цепи управлений 17, в конденсатор 20 и индуктивность первичной обмотки 21 нагрузочного трансформатора

22 настроены на фильтрацию напряжений третьей гармоники фильтром напряжения 19, которые через вторичную обмотку 23 нагрузочного трансформатора 22, сглаживающий конденсатор 24 и второй

выпрямительный блок 25 приводят к срабатыванию вторых токового реле 26 и реле времени 27 с выходом токового сигнала на выход цепи управления 28.

Цепи управления 17 и 28 обеспечивают

0 подачу юков управления через объединяющие 37,38 и распределительные 39, 40 элек- .трическые связи к входным цепям 35, 36 блоков управления 33, 34 трехфазной мостовой схемы 29, а следовательно в индиви5 дуальные электрические цепи между управляющими электродами 41 каждого управляемого вентиля 30, а также катодами 42 одной группы и анодами 43 другой группы управляемых вентилей 30. Срабатывание

0 трехфазной мостовой схемы 29 обеспечивает появление выпрямленного тока в электрических цепях 31 и 32, а следовательно во второй вторичной обмотке 8.

Согласованность направлений намотки

5 первой 6 и второй 8 вторичных обмоток, указательные позиции 44, 45, и противоположная им намотка первичной обмотки высокого напряжения 2, указательная позиция 46, трансформатора напряжения 1 обеспе0 чмвают размагничивание выпрямленным током во агорой вторичной обмотке 8, чем исключается возможность возникновения феррорезонансного процесса при полном обесточенми систем шин с любым количест5 вом присоединений к ним с помощью воздушных выключателей.

Более того, исключение перенасыщения магнитопроводов, выпускаемых в настоящеевремяоднофазных

0 фансформаторов напряжения 1. например, типа НКФ при возникновении феррорезо- нансных процессов, позволяет ставить вопрос о возможности и технической целесообразности снижения металлоемкости

5 конструкции измерительного трансформатора в части уменьшения сечения магнитопро- аода и диаметра обмоток, а следовательно сокращения расхода электротехнической стали и медного обмоточного провода.

0 При возникновении холостого режима линии электропередачи 5 с наличием присоединенных первичных высоковольтных обмоток 2 трансформатора напряжения 1 на ее холостом конце возможно возникновение

5 феррорезонансных и резонансных процессов. Что касается ферорезонансных процессов, то работа защитного устройства по их выявлению и гашению аналогична вышеуказанной работе при полном обесточении системы шин. Опасные перенапряжения промышленной частоты при резонансных процессах на фазах- первичной высоковольтной обмотки 2, а следовательно между выводами первой вторичной обмотки 6 и ее нулевым проводом 7, приводят к срабатыванию управляемых вентилей 30 трехфазной мостовой схемы 29 без наличия тока управления в управляющих электродах 41, чем вновь обеспечивается процесс размагничивания магнитопровода трансформатора напряжения 1 и получение вышеуказанной технико-экономической эффективности.

Дополнительно целесообразно отметить, что электромагнитные и электростатические влияния крайних фаз на среднюю фазу при нормальных, а особенно при аварийных режимах обеспечивают во многих случаях при рэзвитиях аварийных ситуаций успешное срабатывание второго блока управления 18, подсоединенного к средней фазе и приводящего к срабатыванию трехфазной мостовой схемы 29 с возникновением уже указанной успешной работы всего защитного устройства.

Минимальный экономический эффект применительно к существующим конструкциям трансформаторов напряжения и энергосистемам средних мощностей с относительно развитыми электрическими сетями и протяженными линиями межсистемных связей составляет в сумме порядка 850-950 тысяч рублей в год на один миллион кВт установленной мощности, т.к. благодаря предложенному защитному устройству практически полностью обеспечивается безаварийная работа силового, измерительного и защитного электрооборудования, релейной защиты, автоматики и телемеханики, микропроцессорной техники и микроЭВМ при аварийных режимах в высоковольтных электрических сетях, Что является обоснованием дополнительного экономического эффекта в каждой энергосистеме.

Формула изобретения Устройство для ограничения ферроре- зонансных и резонансных процессов, содержащееэлектромагнитный5 трансформатор напряжения, у которого первичная обмотка соединена в звезду с глухозаземленной нейтралью и предназначена для подключения к сети, первая вторичная обмотка соединена в звезду с 0 выведенным нулевым проводом, а вторая вторичная обмотка соединена по схеме разомкнутого треугольника, фильтр тока и фильтр напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности

5 гашения феррорезонансных и резонансных процессов, оно дополнительно содержит первый блок управления, соединенный своим входом с вторичными цепями трансформатора тока в цепи глухозаземленной

0 нейтрали и содержащий фильтр тока заданной гармоники, который соединен с первым выпрямительным блоком, к выходу постоянного тока которого подлкючены последовательно соединенные первые реле тока и

5 времени, подключенные к выходу первого блока управления, который соединен с выходом второго блока управления, включенного между одним из линейных и нулевым проводом первой вторичной обмотки и со0 стоящего из фильтра напряжения заданной частоты, который соединен с вторым выпрямительным блоком, к выходу постоянного тока которого подключены последовательно соединенные вторые реле тока и времени,

5 подключенные к выходу второго блока управления, выходы обоих блоков управления соединены с входом блока управления вентилями трехфазной мостовой схемы, которая входами переменного тока пофззно

0 подключена к линейным выводам первой вторичной обмотки, а выходами постоянного тока - к выводам второй вторичной обмотки, при этом направления намоток первой и второй вторичных обмоток выполнены со5 гласно между собой и противоположно намотке первичной обмотки трансформатора.

//

Сущность изобретения: электромагнитный трансформатор напряжения, у которого первичная обмотка высокого напряжения соединена в звезду с глухозаземленной нейтралью, вторичная обмотка низкого напряжения соединена в звезду с выведенным нулевым проводом, дополнительная вторичная обмотка низкого напряжения соединена по схеме разомкнутого треугольника, токовый блок управления подсоединен ко вторичным цепям трансформатора тока в глухозаземленной нейтрали с помощью входных цепей фильтра токов, к выходным цепям которого выпрямительный блок, подсоединены реле тока и реле времени напря- женческим.,блок управления подсоединен между линейным выводом и нулевым проводом средней фазы вторичной обмотки низкого напряжения с помощью входных цепей фильтра напряжения, к выводам вторичной обмотки которого через сглаживающий конденсатор и выпрямительный блок подсоединены реле токаи реле времени. 1 ил. СО С