Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в кабельных сетях с дугогасящим реактором

 

Изобретение относится к электроэнергетике , а именно к устройствам для автоматической настройки компенсации емкостных токов в кабельных сетях с дугогасящим реактором (ДГР и может найти применение в нормальном режиме работы сети для измерения расстройки и автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазных замыканий на землю в кабельных сетях. С целью расширения функциональных возможностей и повывения точности оно снабжено вторым сумматором, репейным звеном, фильтром низких частот , масштабным преобразователем, блоком упреяздения настройки и блоком распознавания: режимов. Цепь достигаетсй благодаря тому, что медленная составляющая на выходе первого 1 елейного звена оказьшается пропорциональной арксинусу отношения медленной составляющей сигнала на выходе измерителя косинуса разности фаз к амплитуде напряжения l(t) смещения нейтрали (или тока I(t) ДГР). Указанная медленная составляющая пропорциональна расстройке резонансного состояния контура нулевой последовательности сети и не зависит от его добротности . Поэтому она может использоваться и для измерения как абсолютной величины, так и знака расстройки, а также для автоматического управления ДГР. 1 з.п.ф-лы, 2 ип. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (1Е (111 (511 4 Н 02 Н 9/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ @:

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ .e/ (21) 3807592/24-07 (22) 30.10.84 (46) 07.05.86. Бюл. №- 17 (71) Донецкий ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт и Институт прикладной математики и механики АН УССР (72) В.К. Обабков, Ю.Н. Целуевский, Е.В. Сергии и Э»Р. Осипов (53) 621.318.43(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 612328, кл. Н 02 Н 9/08, 1976.

Авторское свидетельство СССР № 570142, кл. Н 02 Н 9/08, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ

НАСТРОЙКИ КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ

В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С ДУГОГАСЯЩИМ PEAKТОРОМ (57) Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам для автоматической настройки компенсации емкостных токов в кабельных сетях с дугогасящим реактором (ДГР и может. найти применение в нормальном режиме работы сети для измерения расстройки и автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазнык замыканий на землю в кабельных сетях. С целью расширения функциональных возможностей и повышения точности оно снабжено вторым сумматором, релейным звеном, фильтром низких частот, масштабным преобразователем, блоком упреждения настройки и блоком распознавания:. режимов. Цель достигается благодаря тому, что:"медленная" составляющая на выходе первого релейного звена оказывается пропорциональной арксинусу отношения "медленной 7 составляющей сигнала на выходе измерителя косинуса разности фаэ к амплитуде напряжения 1(t) смещения нейтрали (или тока I(t) ДГР). Указанная

"медленная" составляющая пропорциональна расстройке резонансного состояния контура нулевой последовательности сети и не зависит от его добротности. Поэтому она может-использоваться и для измерения как абсолютной величины, так и знака расстройки, а также для автоматического управления Д1 Р» 1 з»п»ф лы 2 ип»

1229898

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к области релейной защиты и автоматики в трехфазных распределительных сетях с резонансным заземлением нейтрали, и может использоваться в нормальном режиме работы сети для измерения расстройки и автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазных замыканий на землю в кабельных сетях.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности.

На фиг. 1 показан пример функцио.— нальной схемы предлагаемого устройства; на фиг. 2 — пример его принципиальной схемы для случая дугогасяще. го реактора (ДГР) плунжерного типа.

На фиг. 1 блок создания искусственной несимметрии (БИН) 1, в качестве которого могут применяться, например, асимметрирующий конденсатор, присоединительный трансформатор с различным числом витков первичной обмотки, специальный трансформатор, вторичная обмотка которого включена последовательно или параллельно с

ДГР, а первичная соединена соответственно с источником напряжения или тока промышленной частоты, измерительный трансформатор или вторичная обмотка ДГР, подключенная к источнику напряжения промышленной частоты через конденсатор, дроссель или трансреактор. На фиг. 1 показаны также сеть 2 с ДГР 3. Устройство содержит связанные с сетью 2 датчик 4 напряжения 1(t) смещения нейтрали или тока I(t) ДГР, т.е. датчик входного сигнала, датчик 5 линейного или фазного напряжения сети, т.е. датчик опорного сигнала, последовательно включенные измеритель 6 косинуса разности фаэ, содержащий второе релейное звено 7 и множительное звено 8, а также второй фильтр 9 низких частот (ФНЧ}, второй сумматор 10, первое релейное звено 11, первый фильтр

12 низких частот, первый сумматор

13 и блок 14 управления (БУ), выход которого соединен с управляющим входом ДГР 3. Кроме того, в устройство входят масштабный преобразователь

15, индикатор 16 расстройки резонансного состояния КНПС, блок 17 упреждения настройки, выход которого подключен к второму входу первого сумматора 13, а также блок 18 распозна5

1О

2 вания режимов (БРР), вход которого соединен с выходом датчика 4 напря; жения 1(t) смещения нейтралн или тока Е(г.) ДГР, а выход подан на второй вход блока 14 управления. Второй вход измерителя 6 косинуса разности фаэ, совпадающий с вторым входом множительного звена 8, подключен к выходу датчика 5 линейного Е,(t) или фазного E(t) напряжения сети, а второй вход второго сумматора 10 через масштабный преобразователь 15 соединен с выходом датчика 4 напряжения

1(t) смещения нейтрали или тока Е()

ДГР.

На фиг. 2 показаны сеть 2, дугогасящий реактор 3 плунжерного типа с обмоткой 19 и асинхронным двигателем 20 регулирующего зазор механизма, подключенный к сети 2 при помощи присоединительного трансформатора 21, первичная обмотка которого имеет выведенную нейтраль. Датчиком 4 напряжения смещения нейтрали служит вторичная обмотка измерительного трансформатора 22, соединенная в раэомкнутый треугольник, а датчик фазной.ЭДС фазы В образован вторичной обмоткой трансформатора 22, соединенной в звезду, трансформатором 23, предназначенным для преобразования масштаба напряжения 1(t) смещения нейтрали, и делителем 24. Выпрямитель, выполненный на диодах 25-30 и стабилитронах 31 и 32, служит для литания устройства. Релейное звено 7 измерителя

6 косинуса разности фаэ образовано транзисторными ключами 33 и 34, а множительное звено 8 состоит из операционного усилителя 35, аналоговых ключей 36 и 37 и резисторов 38-41.

ФНЧ 9 содержит резистор 42 и конденсатор 43, сумматор 10 и масштабный преобразователь 15 выполнены на резисторах 44 и 45, причем соотношение сопротивлений резисторов 45 и

44 определяет коэффициент передачи масштабного преобразователя. Первое релейное звено 11 включает в себя компаратор на операционном усилителе

46 с двуханодным стабилитроном 47 в цепи обратной связи, предназначенным для стабилизации уровней прямоугольного сигнала V(t). ФНЧ 12 состоит из резистора 48 и конденсатора 49, сумматор 13 образуется резистором 48 фильтра 12 и резистором 50. Индикатором 16 расстройки является вольт1229898

8 1п ) Ф = АА) В / Q (1 Д) / (8) (10) у = К,Е соз1 з метр. Блок 14 управления реализован на тразисторных ключах 51 и 52 с электромагнитным реле 53 и 54 в нагрузке. Блок 18 распознавания режимов включает в себя диодную мостовую схему 55 с.конденсаторным фиксатором 56 и электромагнитным реле 57 на выходе.

Устройство работает следующим образом. 1О

Предположим (для определенности), что TQK ®(t) несимметрии сети соз дается асимметрирующей емкостью АС, включенной в фазу В и, следовательно, определяется выражением

Сигнал x(t) на выходе релейного звена 7 имеет вид

x(t) Н sign cos (dt + Ч) (9) где Н вЂ” уровень ограничения звена 7.

Сигнал на выходе датчика 5 определяется выражением (2). Перемножив выражения (2) и (9), получим сигнал у на выходе измерителя 6 косинуса разности фаз

9(t) = 8„соз(() t + — ), (1) 5 где 9 = о-) (), СЕ

Š— амплитуда ЭДС E(t)-ой фазы, 2О в которую включена асимметрирующая емкость j)C; (2) Е(t) = Е соs4JТ.

Частотная характеристика объекта управления — КНПС определяется следующим выражением (3) 30

W(j+) = ., 1 «А(д)-j2B), (4) 44

/ () /2

rPe /Q(j ) / = A2 („)) + >2 В 1. (,„)) = агс я и °

k 2

Считая, что ()) /2, напряжение gp

1(t) смещения нейтрали сети можно представить так

1(t) = 1 cos(©t+)1) ), (5) где 1 = 9 =4СЕ (6)

-1 соз% = -A(M) /Q(jU) /; (7) где 8(j+ = jAL + R;

A() = 1+К8- А)2LC;

В = КС + 1.8; — индуктивност ДГР;

R — его активное сопротивление;

С вЂ” суммарная емкость между фа.зами сети и землей;

g — суммарная активная проводимость между фазами сети и землей.

Выражение (3) целесообразно переписать иначе, а именно где коэффициент К учитывает уровень

Н и коэффициенты передачи звеньев 8 и 9 (фиг. 1).. Подставив уравнение (7) в выражение (t0), получим у = - 7 -.-Т - А(.З). (tt)

\ сигнал U на выходе релейного звена

1t равен

U(t)=Н sign(y(t)+K 1 cos+t+q)) (12) где Н . — уровень ограничения звена 11;

К вЂ” коэффициент передачи масштабного преобразователя 15.

Разложив прямоугольные импульсы,. описываемые выражением (12) в сложный ряд Фурье, получим следующее соотношение ь . 2 ()

U(t) — Н arcsin — +

Т К 1 р

+, А. (t)cos(iUt +кр.(t)) (13)

i =1

Первый член выражения (13) описывает "медленную" (неколебательную) составлякнцую сигнала U(t), которая выделяется ФНЧ 12. Выходной сигнал U

ФНЧ 12 может быть определен при помощи подстановки выражения (3) в выражение (11), а выражение (11) и (6) в выражение (13).

A(L С 44))

)4,8 j 4)J где Кэ = — К2НОó

2 к

К

1 )4СК

К, — коэффициент усиления ФНЧ 12;

A(L, С,(d) - 1+ Rg -Q LC согласно выражению (3) .

1229898

Считая для простоты, как и ранее, ) з1з т /8()„ )/л 1, Rg = О, выражение для сигнала О можно записать

0к arcsinK„— — —

А(Ь,С нЭ) з . д >1

К arcsinK (С вЂ” — ), з и

10 сигнала управления U в предлагаемом устройстве, однозначно связаны монотонной функциональной взаимосвязью с разностью реактивных проводимостей С суммарной емкости сети и 1/ )Ь—

ДГР, т.е. со знаком и величиной расстройки резонансного состояния КНПС, причем с уменьшением величины К„ указанная функциональная зависимость приближается к линейной. Сигнал U

20 управления не зависит от добротности

КНПС и напряжения сети, что приводит к достижению цели изобретения.

Полученный результат можно пояс25 нить также следующими рассуждениями, Гармонический сигнал l(t), пройдя через масштабный преобразователь 15 и сумматор 10 на вход релейного звена 1 1 осуществляет вибрационную ли1

30 неаризацию указанного звена. При этом изменяется коэффициент передачи (коэффициент гармонической линеаризации) звеном 11 сигнала y(t), причем указанный коэффициент обратно пропорционален амплитуде 1 линеаризующего З5 сигнала. Поэтому уменьшение амплитуды при значительных расстройках резонансного состояния КНПС приводит к увеличению коэффициента передачи звена 11 и зависимость сигнала U управ- 40 ления от расстройки становится близкой к линейной. Увеличение (или уменьшение) добротности КНПС приводит к увеличению (уменьшению) значений амплитуды 1 линеариэующего сигнала 45 вблизи резонанса, что, в свою очередь, уменьшает (увеличивает) коэффициент передачи (по неколебатель! ным составляющим) звена 11 и компенсирует этим увеличение (уменьшение) 50 наклона фазовой характеристики КНПС.

Сигнал управления 0 становится инвариантным по отношению к добротности КНПС. Кроме того, увеличение (или уменьшение) напряжения сети при-55 водит к пропорциональному увеличению (уменьшению) сигнала у и уменьшению (увеличению) коэффициента передачи звена 11 (по "медленным составляющим") вследствие увеличения (уменьшения) амплитуды 1 линеаризующего сигнала.

Поэтому сигнал управления U не зависит теперь от напряжения сети.

Если датчиком 4 является датчик тока I(t) ДГР, то в качестве датчика 5 следует использовать датчик линейного напряжения между фазами, в которых отсутствует асимметрирующая емкость. Все приведенные рассуждения остаются справедливыми, а выражение (14) является точным и тогда, когда величиной Кз нельзя пренебречь в сравнении с зLз.

При использовании других, пер ечисленных выше, разновидностей блока 1 создания искусственной несимметрии выбор датчиков 4 и 5 определяется фазой искусственного тока 8(t) несимметрии, создаваемого блоком 1.

Сигнал U может использоваться для измерения расстройки при помощи индикатора 16 (например, вольтметра).

Шкала вольтметра может иметь нелинейную градуировку, соответствующую функциональной зависимости (14), что повышает точность считывания показаний. Кроме того, укаэанный сигнал может использоваться и для автоматической резонансной настройки КНПС.

При этом индуктивность ДГР определяется блоком 14 управления. В случае

ДГР плунжерного типа блок 14 представляет собой релейное звено с зоной нечувствительности, с выходными реле для управления приводом ДГР. В случае ДГР с подмагничиванием блок 14 представляет собой интегратор и усилитель мощности для связи с обмоткой подмагничивания ДГР, например управляемый выпрямитель. В случае ДГР с тиристорным переключением ответвлений блок 14 представляет собой цифровой интегратор (счетчик) с дешифратором и устройством формирования управлякпцих сигналов тиристоров.

Благодаря однозначной монотонной зависимости сигнала U управления от расстройки в предлагаемом устройстве достаточно просто (при помощи блока

17 упреждения настройки и сумматора

13) осуществляется, в случае необходимости, заданная расстройка КНПС.

При использовании блока 17 в качестве функционального преобразователя с помощью блоков 13 и 17 можно осу1229 ществлять программную коррекцию на. стройки с целью учета нелинейной вольтампертной характеристики ДГР с подмагничиванием при переходе скачком из режима нормальной работы сети в режимы однофазных замыканий.

При возникновении однофазного замыкания указанный режим распознается блоком 18 распознавания режимов (по превышению напряжением смещения нейт- 1ð рали некоторого заданного уровня, равного, например, 15Х от номинального фазного напряжения). Сигнал с выхода БРР 18, поступая на второй вход

БУ 14, запрещает изменение индуктивности ДГР. В результате в режимах однофазного замыкания сохраняется та настройка КНПС, которая была произведена в нормальном режиме работы сети.

Предлагаемое устройство может ком- 2О бинироваться с другими (нэвестными) устройствами для автоматической настройки компенсации емкостной и активной составляющих в режимах однофазного замыкания, что повышает эффективность всей системы защиты от замыканий на землю.

В устройстве (фиг. 2) включением вторичной обмотки трансформатора 23 в нулевую точку вторичной обмотки измерительного трансформатора 22 воссоздается симметричная звезда напряжений (по отношению к земле), совпадающих с фазными ЗДС источника питания сети, Указанные напряжения (фаэ

А и С) используются для формирования (при помощи суммирования на делителе

24) опорного напряжения для измерителя 6 косинуса разности фаз. Примене. ние потенциометра в качестве делителя 24 позволяет производить точную

40 подстройку фазы опорного напряжения.

Одновременно сформированная звезда напряжений используется для питания устройства посредством двух трехфазных однополупериодных выпрямителей на диодах 25-27 и 28-30, а также па-. раметрического стабилизатора на стабилитронах 31 и 32. Данное решение обеспечивает автономность питания устройства по отношению к напряжениям. о питания собственных нужд подстанции при использовании устройства в каче стве измерителя расстройки.

В нормальном режиме работы сети 55 напряжение, формируемое выпрямителем

55 и емкостным фиксатором 56, недостаточно для срабатывания реле 57, кон898 8 такт его замкнут и позволяет проходить сигналу управления U на вход блока 14 управления. Транзисторные ключи 33 и 34 коммутируются знаком напряжения смещения нейтрали. Выходные напряжения указанных ключей находятся в противофазе и отпирают попеременно (в зависимости от знака напря. жения l(t) смещения нейтрали) полевые транзисторы 36 и 37, играющие роль аналоговых ключей. В результате опорное напряжение l(t) передается на выход операционного усилителя 35 либо с инверсией, либо без инверсии (но с одинаковым по модулю коэффициентом усиления). Таким образом, схема, реализованная на элементах 33-4 1„ выполняет операцию перемножения сигна" ла Z(t) с выхода датчика 5 на знак сигнала с выхода датчика 4. Как бы" ло показано выше, неколебательная составляющая y(t) сигнала y(t) на выходе операционного усилителя 35 оказывается пропорциональной косинусу разности фаз входного 1(t) и опор-. ного Z(t) сигналов. Указанная составляющая y(t) выделяется фильтром

9 на элементах 42 и 43 и подается на вход релейного звена 11,, выполненно« го на операционном усилителе 46. На вход того же усилителя 46 подается и входной сигнал l(t) (при помощи резистора 45)., осуществляющий вибрационную линеаризацию звена 11, что позволяет достигнуть цели изобретения. Неколебательная составляющая U сигнала U(t) выделяется фильтром 12 на элементах 48 и 49. Сигнал О(), несущий информацию с величиной .и знаком расстройки резонансного состояния КНПС, измеряется вольтметром 16.

Через замкнутый контакт реле 57 сигнал U(t) поступает на вход релейного звена с зоной нечувствительности, входящего в состав блока управЛения 14. Превышение указанным сигналом зоны нечувствительности (которая определяется. резистивными делителя- . ми в базовых цепях транзисторных ключей 51 и 52) вызывает отпирание транзистора 51 или 52 в зависимости от . ! знака сигнала u(t). В свою очередь, это приводит к срабатыванию реле 53 или 54, которое своими контактами saпускает двигатель 20 привода ДГР 19 в ту или иную сторону. Последний целенаправленным образом перестраивает индуктивность ДГР.

9 12298

В случае возникновения однофаэного замыкания срабатывает реле 57, размыкающий контакт которого запрещает поступление сигнала управления на вход релейного звена с зоной нечувствительности. В результате сохраняется значение индуктивности ДГР, имевшее место в режиме нормальной работы сети. Фиксатор на конденсаторе 56, имеющий малую постоянную времени за- 1О ряда и значительно большую постоянную времени разряда, предотвращает отпускание реле 57 при кратковременных понижениях напряжения смещения нейтралы в режиме перемежающегося дугового замыкания.

Предлагаемое устройство не имеет сложных н реализации нелинейностей, погрешность в реализации которых понижает точность. Оно работоспособно при расстройках (в КНПС) любого знака, не требует никаких дополнительных приспособлений для выявления знака расстройки резонансного состояния КНПС и поэтому беэ всяких дополненйй может использоваться как для измерения расстройки, так и для автоматической настройки ДГР. Нелинейность шкалы индикатора .16 расстройки выражена значительно слабее, чем у

30 известного устройства, кроме того, может быть легко понижена до любого требуемого уровня за счет уменьшения величины Кц или же за счет усложнения спектрального состава выходного, опорного или линеаризующего сигналов.35

Близкий к линейному характер зависимости сигнала U управления от расстройки КНПС и его инвариантность по отношению к добротности КНПС и к напряжению сети улучшает динамические 4О характеристики процесса настройки

KHIIC и предотвращает потерю управляемости при значительном изменении параметров сети.

Формула изобретения

Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в кабельных сетях с дугагасящим ре- 50 актором, содержащее связанные с сетью блок создания искусственной несимметрии, а также датчики линейного или фазного напряжения сети, датчик на98 о пряжения смещения нейтрали или тока дугогасящего реактора, измеритель косинуса разности фаз, первый вход которого подключен к выходу датчика напряжения смещения нейтрали или датчика тока дугогасящего реактора, второй вход — к выходу датчика линейного или фазного напряжения сети, индикатор расстройки резонансного состояния в контуре нулевой последовательности сети, соединенный с первым входом первого сумматора, блок управления дугогасящим реактором, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, оно снабжено вторым сумматором, релейным звеном, фильтром низких частот, масштабным преобразователем, блоком упреждения настройки и блоком распознавания режимов, причем второй сумматор, первое релейное звено и первый фильтр нижних частот соединены последовательно и подключены к первому входу первого сумматора, входы второго сумматора соединены с выходом измерителя косинуса разности фаз и через масштабный преобразователь— с выходом датчика напряжения смещения нейтрали или датчика тока дугогасящего реактора, выход блока упреждения настройки подключен к второму вховходу первого сумматора, выход которого соединен с блоком управления дугогасящим реактором, к второму входу которого подключен блок распознавания режимов, вход которого соединен с выходом датчика напряжения смещения нейтрали или тока дугогасящего реактора.

2, Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что измеритель косинуса разности фаэ содержит последовательно соединенные второе релейное звено, множительное звено и второй фильтр низких частот, причем вход второго релейного звена является первым входом измерителя косинуса разности фаэ, второй вход множительного звена соединен с вторым входом измерителя косинуса разности фаз, а выход второго фильтра низких частот является выходом измерителя косинуса разности фаз.

1229898

С ос тавит ель В. Лапшов

Редактор Н. Киштулинец Техред М.Ходанин . Корректор А. Обручар

Заказ 2456/56 Тираж 612 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4