Устройство для компенсации полногоТОКА ОдНОфАзНОгО зАМыКАНия HA зЕМлю Советский патент 1981 года по МПК H02J3/18 

1

Кзобретение -относится к электроэнергетике и предназначено для компенсации емкостной и активной составляющих тока однофазного замыкания на землю, в том числе и для гашения перемещающейся дуги в трехфазных электрических сетях, и может быть использовано также для введения поисковых колебаний и регулирования добротности контура нулевой последовательности сети.

Известны устройства, содержащие помимо дугогасящего реактора, блок выбора поврежденной фазы и дополнительную емкость или индуктивность. Блок выбора поврежденной фазы подключает дополнительную емкость к фазе, отстающей от поврежденной или дополнительную индуктивность к фазе, опережающей поврежденную TI .

Недостатком этого устройства является наличие высоковольтных коммутирующих устройств, невозможность плавного регулирования компенсации активной составляющей тока однофазного замыкания и

влияние дополнительно подключаемых реактивных элементов на настройку компен- сации емкостной составляющей тока замыкания. Высоковольтных коммутаций и сложности регулирования можно было бы избежать, применив трезфазный дугогася- щий аппарат, содержащий три катушки с регулируемой индуктивностью, постоянно включенные между фазами сети и землей, однако, при этом остается влияние настройки компенсации активной составляющей на компенсацию емкостей составл5иощей, гвозникает опасность феррорезонансных явлений и значительных смещений нейтрали в нормальном режиме, устройство компенсации заметно усложняется, а надежность его снижается из-оа того, что дугогасящие катушки в фазах непрерывно находятся под напряжением.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для компенсации емкостной и активной составляющих тока однофазного замыкания, содержащее однофазный трансформатор, включенный последовательно с ауго- гасяшнм реактором и блок выбора повреж денной фазы, связанный с первичной обмоткой трансформатора и выполняющий оановременно функции блока распознавания режима замыкания. При возникновении однофазного замыкания блок выбора поврежденной фазы распознает указанный режим и подключает первичную обмотку трансформатора к одному из линейных напряжений в зависимости от того, какая фаза оказывается поврежденной 2}. Регулирование компенсации активной составляющей в данном устройстве весьма затруднительно (особенно в режиме замыкания), так как должно осуществлять ся путем переключения отпаек трансформатора. Это также придает регулированию дискретный характер и снижает еготочность. Настройка компенсации с помощью например, магнитного усилителя, включен- ного между блоком выбора поврежденной фазы и первичной обмоткой трансформатора, также малоэффективна поскольку индуктивное сопротивление магнитного усилителя, становясь параметром контура нулевой последовательности сети, изменяет настройку компенсации емкостной состав- ляющей и отвлекает на себя значительную часть реактивной мощности дугогасящего реактора, что делает реализацию упомяну того магнитного усилителя весьма громоз дкой. Кроме того данное устройство .обла дает недостаточно высоким быстродействием, так как требует времени на осущес вление коммутаций в силовых цепях при возникновении замыкания, когда высокое быстродействие системы является решающим фактором в предупреждении аварийно го исхода однофазного замыкания. При замене трансформатора на генератор переменного тока быстродействие также не повышается, поскольку при этом требуется значительное время на разгон генератора при возникновении замыкания. Кроме того, наличие вращающихся машин снижает надежность устройства, необходимость же специального их выполнения повышает стоимость. Это устройство предназначено лишь для компенсации токов однофазного замыкания и не может быть использовано для управления добротностью контура нулевой последовательности, для введения поисковых сигналов в добротность контура нулевой последовательности и являться элементом автоматического регулятора настройки компенсации емкостей составляющей тока замыкания и элементом системы подготовки компенсации активной составляющей в нормальном режиме работы сети. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности. Указанная цель достиг ается тем, что в устройство для компенсации полного тока однофазного замыкания на землю, содержащее дугогасящий реактор, вклю- . ченный в нейтраль сети, блок распоз- навания режима замыкания и источник напряжения, введены однофазный зависимый инвертор, управляемый выпрямитель и диод, причем вход управляемого выпрямителя подключен к источнику напряжения, вход управления - к блоку распознавания режима замыкания, а выход за- шунтирован встречно включенным диодом и подключен к входу однофазного зависимого инвертора, выход которого вклю- чен последовательно с дугогасящнм реактором. Кроме того, однофазный зависимый инвертор выполнен в виде мостовой тиристорной схемы, между анодами и управ- ляющими электродами тиристоров которой включены динисторы, катоды которых подключены к управляющим электродам тиристоров. При этом, однофазный зависимый инвертор выполнен в виде мостовой тиристорной схемы, между анодами и управляющими электродами тиристоров которой включены соединенные встречно-последовательно стабилитроны и диоды, причем к управляющим электродам тиристоров подключены аноды стабилитронов. На чертеже изображена функционально-принципиальная схема устройства. Схема содержит дугогасящий реактор 1, включенный последовательно с ним однофазный зависимый инвертор 2, соединенный с управляемым выпрямителем 3, который зашунтирован диодом 4. Управляемый выпрямитель 3 содержит трехфазную двухполупериодную выпрямительную схему на тиристорах 5, 6, 7, 8, 9 и 10 и блок 11 управления тиристорами 5-10. Инвертор 2 состоит из мостовой тиристорной схемы, выполненной на тиристорах 12, 13, 14 и 15, и блока 16 управления тиристорами 12 - 15, Устройство снабжено также блбком 17 распознавания режима замыкания, на вход которого подано напряжение eft) смещения нейтрали, выход которого подан на вход блока 11 управления. Блок 16 управления содержит динисторы 18, 19, 20 и 21, включенные между анода581ми и управляющими электродами тнристоDOB 12 - 15 таким образом, что к управляющим электродам тиристоров 1215 подключены катоды циннсторов 18-21 Устройство работает следующим образом. В режиме однофазного замыкания блок 17 распознавания режима замыкания подает на вход блока 11 управления тиристорами 5-10 управляемого выпрямителя 3 сигнал Z , разрешающий появление на выходе выпрямителя 3 постоянного напряжения U , пропорционального сигналу управления Ug . Инвертор 2 преобразует постоянное напряжение Uj, управляемого выпрямителя 3 в переменное напряжение E(t) , совпадающее по частоте и противоположное по фазе с током 3 (-t) дугогасящего реактора. В результате инвертор 2 отдает в контур нулевой последовательности сети активную мощность, компенсирующую потери в дугогасящем реакторе и активных проводимостях утечки между фазами сети и землей. Другими словами, введение в контур нулевой последовательности напряжения, противоположного по фазе току через цугогасящий реактор, эквивалентно организации в указанном контуре положительной обратной связи, за счет чего и)стигается повышение добротности контура нулевой последовательности сети, влекущее за собой (в условиях резонансной настройки дугогасящего реактора) компенсацию полного тока замыкания в рюжиме глухого однофазного замыкания на землю и гашение дуги в режиме перемещающегося дугового замыкания. Регулирование компенсации активной составляющей осуществляется изменением нап- ряжения Un{t) на входе инвертора 2 путем изменения сигнала oU) «а входе управляемого выпрямителя 3, и может быть автоматизировано так же, как и настройка дугогасящего реактора, с помощью соответствующих устройств. Изменение полярности напряжения на входе инвертора превращает положительную обратную связь в отрицательную и вызь вает снижение добротности контура нулевой последовательности. Подробнее работу устройства целесообразно рассмотреть отдельно для режима глухого замыкания и режима перемещающегося дугового замыкания. В режиме глубого замыкания контур нулевой послеповательшк-ти сети описыЛ5«7вае аль гд -H Ej же ток им (4 . У P п 51 гд вс Ej 3. 6 ся следующей системой дифференциых уравнений ij(tH(5oe(t)toEg() ,(t) 3(((t)3(t);() e{t)-L- --RXt)-E(t)xO; (3) E.() ,( L - индуктивность ду- гасящего реактора С - активное сопротивление его обмотки; С и qj - суммарная емкость н и активная проводимость между фа«« зами сети и землей;cjg - проводимость места замыкания; e(t) . напряжение смещения нейтрали; J(tJ - ток через дугогасящий реактор 1; SU) - ток через место замыкания; (u)t-f V) - ток несимметрии сети в нормальном режиме; -t) - напряжение источника поврежденной фазы. Функциональная зависимость ft напряия C(i(fc) на выходе инвертора 2 от а J(t через дугогасящий реактор, ет вид г ( ., ,. -,;i E(t)-U Sicfn ;i(-fc) Вынужденное решение системы {1) ишем в ввпе )зт«( )() едставив сигнал i:(-t) в виде (t)(. U2(t), jl/n; еслм Uj,. колебательный член r(t) содержит гармонические составляющие гиг-нала Ct) с частотами (2,+l)u), v - 1,2, ... Последним в дальнейших .рпссужденнях -пренебрегаем ввиду фильтрующих свойсгв дугогасящего реактора. Амплиту.j(,..., (c i, expjif. zff ) ,- n 13 0 p-( %-4«,- %n,cosv; „%Лп, Величина J также может быть определена из уравнений (1) - (4), однако, учитывая, что в режиме гЛухого замыкания в высоковольтной сети 6..7t Е личину 0 с достаточной степенью точности можно определить из выражения . V4«( Точная настройка компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания означает выполнение равенства Ч«-р )-« b(c+KS)o- (б) .,,, Выполнение равенства (6) может быть обеспечено путем соответствующей настройки индуктивности U дурогасящего реактора 1. Очевидно, что соответствующим выбором величины Up и, как следствие, Е ц можно одновременно добиться выполнения условия o)).ь((-Кц), (Г) т. е. компенсации также и активной сос тавляющей тока замыкания. Необхопимо отметить, что, поскольку, ( )- , настройка компенсации активной составляющей практически не влияет на настройку компенсации емкостной составляющей. Совмёс-тоё выпоинение условий (6) и (7) приводит к тому, что амплитуда i тока через место замыкания обращается в О, что говорит о компенсации полного тока замьшания. Поскольку величина Ufj , необходимая для компенсации активной составляющей, зависит от параметров сети, эффективность устройства может быть повышена применением какого-чпибо из известных устройств автоматического регулирования компенсации активной составляющей. В период бесгоковой паузы в режиме перемещающегося дугового замыкания частота и фаза напряжения Eufi) , onpe-i аеляемая частотой и фазой тока J(-t) через цугогасящий реактор 1, равна час тоге и фазе свободных колебаний в кон-гуре 1нулевой последовательности сети. аа н фаза тока ij(t) через место замыкан1 я определяется из выражения jc«RR-|)(c.) . -SI.g -|)() В результате .компенсации потерь в контуре нулевой последовательности сети за счет энергии, отдаваемой инвертором 2, в контуре устанавливаются незатухающие колебания, параметры которых можно определить, например методом гармонического баланса из уравнений (1) -(3), положив в них 0. При этом амплитуда 7 и частота cWg, автоколебаний тока 3(-fc) через дугогасящий реактор 1 имеют вид 1 ш 1гс4Ц ctTc Lc При точной настройке компенсации емкостной составляющей частота автоколебаний равна частоте сети ц , а напряжения 6 (t) смещения нейтрали противоположна фазе источника поврежденной фазы. Соответствующей настройкой величины Е | , определяемой напряжением Up на входе инвертора можно добиться того, чтобы амплитуда напряжения смещения нейтрали em V«ab -KR m-E f (9) |завна амплитуде напряжения источника поврежденной фазы. При этом напряжение на поврежденной фазе поддерживается равным нулю, что приводит к гащению перемежающейся дуги. Выражения (8) говорят также о необходимости неогранйченного нарастания напряжения смещения нейтрали при отсутствии автоматичёского регулирования компенсации активной составляющей. Работа инвертора 2 происходит следующим образом. При положительном направлении тока o(t) через дугогасящий реактор 1 блок 16 управления подает отпирающий сигнал на тиристоры 12 и 14. ЭДС управляемого выпрямителя 3 при этом оказывается включенной в нейтраль в направлении, сопровождающем с током J(ifeJ/. В следующий полупериод, после изменения полярности тока 3(t) тиристоры 12 и 14 запираются в связи с изменением полярности протекающего через них тока, а блок 16 управления подает отпирающий сигнал на тиристоры 13 и 15. Иапряже98

ннеЕц() Р инвертируется и ЭДС управляемого выпрямителя продолжает быть включенной в направлении, совпадающем с током C(-t) . При достаточно больших углах запаздывания отпирания тиристоров 5-10 управляемого выпрямителя 3 может наблюдаться обрыв цепи тока 3(-t) , что приводит к скачкообразному повышению напряжения на инвер торе 2 вплоть до амплитуды фазного напряжения сети. Это представляет опасност для тиристоров 5-1О и 12-15 инвертора 2 и управляемого выпрямителя 3, а также приводит к резкому возрастанию амплитуды напряжения на поврежденной фазе. Для предотвращения подобных явлений управляющий выпрямитель 3 зашунтирован диодом 4, включенным встречно по отношению к напряжению выпрямителя 3, При этом разрыв цепи выпрямителя 3 приводит к тому, что ток дугогасящего реактора 1 замыкается внутри инвертора через диод 4.

Схема управления тиристорами может быть значительно упрощена, а надежность ее повышения за счет исключения возможности короткого замыкания управляемого выпрямителя 3 через тиристоры 12-13 или 14-15 инвертора 2 в случае открывания одной из пар тиристоров 13 и 15 или 12 и 14 в тот момент, когда тиристоры противоположной пары (соответственно 12 и 14 и 13 и 15) еще не закрылись.

Для этого блок 16 управления выполняется в виде четырех динисторов 18-21 Управляющие электроды тиристоров 1215 должны быть подключены к катодам динисторов 18-21, аноды динисторов 18-21 должны быть подключены к анодам тех же тиристоров 12-15. Напряжение отпирания динисторов 18-21 должно превышать максимально возможное значение H|t .

После очередного прохождения тока C7(t) через нуль все тиристоры 12-15 мостовой схемы оказываются запертыми и цепь тока дугогасящего реактора размыкается. В результате происходит быстрое нарастание напряжения Е((.) в полярности, совпадающей -с полярностью B(t) . Вместе с этим растет напряжение, приложенное в отпирающей полярности к тиристорам 12-15, причем напряжение на тиристорах, которых должны быть открыты на данном полупериоде (например

12и 14), оказывается больше напряжения Н9 другой паре тиристоров (например

13и 15) на величину, прчморяо равную

587.10

Е)с . Поэтому напряжение на тиристорах первой пары (12 и 14) и равное ему напряжение на цинисторах 10 и 21 быстрее достигают порога отпирания динисто- 5 ров 19 и 21, в результате чего в цепи управляющих электродов именно этой пары появляется импульс тока, отпирающий соответствующие тиристоры. На следующем полупериоде те же процессы повто ряются для второй пары тиристоров (13 и 15) и динисторов (18 и 19). Динисторы 18-21 в блоке 16 управления могут быть заменены на включенные ветре , но-последовательно стабилитроны и дио-

15 ды. В этом случае к управляющим электродам тиристоров 12-15 должны быть подключены аноды стабилитронов, а к аноалм тиристоров 12-15 подключаются аноаы диодов.

20Схема инвертора может быть выполнена и иначе, например со средней точJ кой . Принцип работы устройства при этом сохраняется.

5При отсутствии замыкания на землю

по сигналу2(-) с блока 17 распознавания режима замыкания блок 11 управления тиристорами 5-10 прекращает пбдачу управляющих сигналов на тиристоры

0 5-10. Последние запираются и величина Ufi становится равной нулю. Таким образом, в нормальном режиме устройство не оказывает влияния на процессы в контуре нулевой последовательности сети.

JЕсли не прекращать полностью подачу

управляющего сигнала на тиристоры 5- 1О в нормальном режиме работы сети, то данное устройство может быть использовано также для введения поисковых ко-

0 лебаний по добротности контура нулевой последовательности сети, что необходимо, например, при построении систем селективной земляной сигнализации и систем автоматической настройки компенсации

.J емкостных токов. Кроме того, оно позволяет регулировать добротность контура нулевой последовательности сети. Например, изменение полярности напряжения 1/п I при соответствующем выполнении нсточника этого напряжения позволяет понизить добротность контура нулевой последовательности, что необходимо в нормальном режиме работы сети для предотвращения резонансных перенапряжений, а также перенапряжений, вызванных неполнофазными режимами и феррорезонансными явлениями. Использование же этого устройства в нормальном режиме без изменения полярности Ufi приводит при достижении

118

-ri яосгагочяой величины к появлению в. контуре нулевой последовательностн сети автоколебаний с параметрами, огсрецеляемыми из выражений (8) и (9), Поскольку частота автоколебаний несет информацию о величине и знаке расстройки компенсации, а амплитуда о величине активных потерь в контуре нулевой последовательности сети, то измеряя эти параметры при помощи соответствующих устройств, можно в нормальном режиме осуществлять не только автоматическую настройку компенсации емкостной составпяющей, но также и подготовку к компен сации активной составляющей тока однофазного сзамыкания на землю. Все это обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства.

Применение данного устройства позволяет избежать громоздкого, дорогостоящего и малонадежного силового оборудования, характерного для известных устройств в том числе мощных переключателей и вращающихся машин с устройствами управления ими. Это позволяет упростить, удешевить и повысить надежность системы компенсации. Последнее особенно важно в сетях предприятий со взрывоопасной атмосферой, в частности, в сетях горных предприятий. Элементы предлагаемого устройства - управляемый выпрямитель 3 к инвертор 2, практически безынерционны, что обеспечивает устройству высокое быстродействие. Мощность, отдаваемая в сеть инвертором и потребляемая управляемым выпрямителем, равна Мощности активных потерь в контуре нулевой последовательности при однофазных замыканиях. Это позволяет, в отличие от известных устройств, избежать выполнения силового оборудования устройства более мощным, чем это требуется для кмлпенсации активной составляющей и повышает его экономичность. Совместное применение данного устройства с устройствами автоматической настройки компенсации емкостной и активной составляющих тока однофазного замыкания на землю, в том числе в качестве составной части этнй устройств, позволяет значительно повысить на 58712

цежность работы злокгрнческнх сетей и бесперебойность электроснабжения потребителей.

Формула изобретения

1.Устройство ДЛЯ компенсации полного тока однофазного замыкания на землю, содержащее цугогасящий реактор, включенный в нейтраль сети, блок распознавания режима замыкания и источник напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности, в него введены однофазный зависимый инвертор, управляемый выпрямитель и диод, причем вход управляемого выпрямителя подключен к источ-

- нику напряжения, вход управления - к t бл оку. рас познавания ре жима за мыкан ия, а выход зашунтирован встречно включенным диодом и подключен к входу однофазного зависимого инвертора, выход которого включен последовательно с дугогасящим реактором.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что однофазный зависимый инвертор выполнен в виде мостовой тиристорной схемы, между анодами

и управляющими электродами тиристоров которой включены динисторы, катоды которых подключены к управляющим электродам тиристоров3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что однофазный зависимый инвертор выполнен в виде мостовой тиристорной схемь между анодами t и управляющими электродами тиристоров

которой включены соединенные встречнопоследовательно стабилитроны и диоды, причем к управл1Ьощим электродам тиристоров подключены аноды стабилитронов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Вильгейм Р., Уотерс М, Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М-Л., ГЭИ, 1959, с. 208-210.

2.Там же, рис. 162,6.