Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в электрических сетях

 

Изобретение относится к электротехнике , а именно к релейной защите и автоматике в трехфазных сетях с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор. Оно может использоваться для измерения расстройки и ДЛЯ автоматической настройки компенсации емкости токов однофазных заъ9Л каний в воздушньпс, воздушно-кабельных и кабельных сетях. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия , что достигается благодаря введению фазового детектора 7, двух полосовых фильтров 10 и 11, настроенных на поисковую частоту, трех сумматоров 9, 14 и 17, двух релейных звеньев 12 и 15, индикатора 23 и блока упреждения настройки 24. Знак и величина сигнала управления в устройстве однозначно связаны с расстройкой в контуре нулевой последовательности сети (КНПС) монотонной, близкой к линейной, функциональной зависимостью. Сигнал управления не зависит также и от добротности КНПС. Полностью сохраняется инвариантность сигнала управления по отноюенгао к естественной несимметрии в сети. 5 ил. с (Л IND ел ч 4аь СД

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИ !ЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

GD4 Н 02 J 3/18 Н 02 Н 9/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ. СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, 1

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3820098/24-07 (22) 06.12.84 (46) 15.09.86. Бюл. У 34 (71) Донецкий ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт и Институт прикладной математики и механики АН УССР (72) В.К.Обабков, !0.Н.Целуевский, Е.В.Сергии и Э.P.Îñèïoâ (53) 621. 316. 935. 3 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР !! 913617 кл. Н 02 Н 9/08, 1979.

Авторское свидетельство СССР !! 1030913, кл. Н 02 J 3/!8, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОИАТИЧЕСКОЙ

НАСТРОЙКИ КОМПЕНСАЦИИ КМКОСТНЫХ TO K0B В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике в трехфазных сетях с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор. Оно может использоваться для измерения расстройки и

„„SU„„1257745 A 1 для автоматической настройки компенсации емкости токов однофазных замы" каний в воздушных, воздушно-кабельных и кабельных сетях. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия, что достигается благодаря введению фазового детектора 7, двух полосовых фильтров 10 и 11, настроенных на поисковую частоту, трех сумматоров 9, 14 и 17, двух релейных звеньев 12 и 15, индикатора 23 и блока упреждения настройки 24. Знак и величина сигнала управления в устройстве однозначно связаны с расстройкой в контуре нулевой последовательности сети (КНПС) монотонной, близкой к линейной, функциональной зависимостью. Сигнал управления не зависит также и от добротности КНПС.

Полностью сохраняется инвариантыость сигнала управления по отношению к естественной несимметрии в сети. 5 ил.

1257745

Фазовый дв:т на частоте Sl град, при введении датчика тока ДГР

Фиг.2 Фиг.3и 4

Фиг,2 Фиг.3 и 4

-" 90 90

О, 180

Изобретение относится к электро-технике, а именно к релейной защите и автоматике в трехфазных сетях с заземлением нейтрали через пугогасящий реактор, и может быть использовано для измерения расстройки и для автоматической настройки (в нормальном режиме работы сети) компенсации емкостных токов однофазных замыканий в возцушных, воздушно-кабель- 1О ных и кабельных сетях.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия.

На фиг. 1 приведена функциональная 11 схема предлагаемого устройства; на фиг.2-4 — варианты введения в сеть искусственной несимметрии; на фиг.5— принципиальная схема второго релейного звена с третьим сумматором. 20

Устройство .содержит блок 1 создания искусственной несимметрии (БИН),l выходной сигнал 8 (t) которого через коммутатор 2 подается на вход управляемого объекта 3 — контура нуВыход сумматора 9 через первое релейное звено 12 подключен к входу блока 13 формирования поискового,сигф нала и синхронного детектирования и входу третьего сумматора 14„ К другому входу сумматора 14 подключен второй выход блока 13 первый выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 2, Выход сумматора il4 через второе релейное звено 15, фильтр 16 низких частот (ФНЧ) и первый сумматор 17 связан с входом блока 18 управления ДГР, Блок 13 формирования поискового . сигнала и синхронного детектирования содержит генератор 19 опорного и по-, левой последовательности сети (KHIICj с дугогасящим реактором (ДГР) 4. С сетью 3 связан датчик 5 напряжения смещения нейтрали (PkICkI) или тока

ДГР 4. Выход датчика 5 соединен с первыми входами второго 6 и первого 4 фазовых детекторов (ФД). На второй вход ФД 6 подан сигнал 0„ (t) с выхода БИН 1, а на второй вход ФД 7 этот сигнал подается через ортогонализатор 8. Выходы ФД 6 и ? подключены к входам второго сумматора 9, через второй 10 и первый 11 полосо- вые фильтры (ПФ), настроенные на поисковую частоту 17 . Фазовый сдвиr, вносимыи на частоте Й у одного из ПФ

10 (11) 9 равен д (или 80 ), у другого 90

Конкретные значения фазового сдвига, вносимого каждым из ПФ, определяются исходя из способа введения искусственной несимметрии 8„ (с) ь сеть 3 и вида датчика 5 . в соответствии со следующей таблицей. искового сигналов (ГОПС), а также синхронный детектор (СД) 20, состоящий из последовательно включенных множительного звена 21 и ФНЧ 22.

Один из входов множительного звена 21 совпадает с входами СД 20 и блока 13 и подсоединен к выходу первого релейного звена 12. Первый выход ГОПС

19 для сигналов прямоугольной формы, вид которых определяется следующим выражением:

3 (t) = a)sign cos(й t+k)-,1, (1)

1 совпадает с первым выходом блока 13 и подключен к управляющему входу комс .s где величины. 4 и ) определяются з 1257745 мутатора 2. Второй выход ГОПС 19 для гармонических сигналов вида:

a(t) = М cos(Qt+g) (2) 50 (3) Q (t)=9 (signcos(gt+(),)-11 cosset.

Установившийся сигнал на входе датчика 5 при разомкнутом состоянии ключа 2 55

5 подключен к второму входу множительного звена 21 СД 20. Выход ФНЧ 22 совпадает с выходами СД 20 и блока 13 и подключен к второму входу сумматора 14. 10

Устройство также содержит индикатор 23, предназначенный для измерения величины расстройки компенсации в случае использования в качестве

ДГР 4 реактора с ручным управлением 15 (например, типа ЗРОИ), а также блок 24 упреждения настройки (БУН), предназначенный для установки заданной величины перекомпенсации или недокомпенсации в КНПС. Вход индикатора 23 20 подключен к выходу ФНЧ 16, а выход

БУН 24 соединен с вторым входом первого сумматора 17.

Позицией 25 обозначен согласующий трансформатор, позицией 26 — коицен- 25 сатор, позицией 27 — дроссель или трансреактор. Элементы 25-27 предназначены для сопряжения БИН 1 с сетью 3.

Позицией 28 обозначен операционный 30 усилитель, позициями 29-32 — диодный мост, позицией 33 — стабилитрон, позициями 34 и 35 — резисторы дпя создания рабочего тока стабилитрона 33, позициями 36 и 37 — входные резисторы.

Устройство работает следующим образом.

ГОПС 19 вырабатывает низкочастотные периодические колебания ц ((.) и 40

b(t) вида (1) и (2). Частоту 57 указанных колебаний; для упрощения считают заведомо низкой. Коммутатор 2 по сигналам блока 13 периодически (с частотой R ) коммутирует входной сигнал объекта 3 — КНПС и поэтому искусственный входной сигнал ()„ (t)=

= ()(t) 8„(t) определяется следующим выражением для сигнала искусственной несимметрии на входе объекта: неизвестными амплитудой и фазой сигнала Вв (t) естественной несимметрии и параметрами КНПС, а при замкнутом состоянии ключа 2 с б

P(r)-(eosgc+ q . ner+R, (è()()Д

)(cosut+l„jW(j Q) 8„j si nest, (5) S(j ) где 1)(3и) = — -- —.- — частотная хаА(И) +3(дТ рактеристика объекта управления—

КНПС.

Если выходной координатой ((t)

КНПС является ток Х(й) через ДГР, то

S(3Q) = 3QC + g;

А(Я) = 1+Rg — (,) LC

"= RC+Ьg, (6) (7) ((t)= f (t)

Г м5 1-(а ЬС 1С аг е

=К )

+аС вЂ” — — — — - - e +р()

A(>)+ г г и . (" при этом коэффициент 1(определяется технической реализацией детектора, а сигнал p(t) включает в себя колебательные составляющие с частотами

100 Гц и вышее, которые подавляются при дальнейшей фильтрации сигналов.

Если gc

С вЂ . суммарная емкость между фазами сети и землей;

R — активное сопротивление ДГР;

g — - суммарная активная проводимость между фазами сети и землей;

8„ — комплексная амплитуда искусственной несимметрии.

Если несимметрия вводится через трансформатор, включенный последовательно с ДГР, то B„ Ег, где Е амплитуда ЭДС источника опорного напряжения °

ФД 7 вместе с ортогоналиэатором 8, сдвигающим опорный сигнал 8„ (t) на о

90, в данном случае выделяет амплитуду синусной составляющей сигнала (5).

-) 2

/w(j»»)/=((» (!+ »",») 1257745 Ф для переменной составляющейся <<-) в

1 1»2 ((t) могут быть получены иэ выражений (10) — (13)

При периодических коммутациях клю<<

Ъ ча сигнал 9 (t) искусственной несимметрии на входе объекта равен выражению (3) и в сигнале ((t) появляется переменная составляющая ((t) вида:

1О

q«7 q(27 (2-) = — — — — --- signoos (at+<)L)

К 1 <)(=-(— -<,7Т,) /17(3д) / g s igncns (g t+<) . (9) 12 <»7С

И

»

Допустим, что датчик 5 представля-ет собой датчик напряжения 1() смешения нейтрали, а несимметрия вводится через трансформатор, включен- щ ный последовательно с ДГР (т.е. в соответствии с фиг.2). Сигналы f () и 7 (t) на выходе ФД 7 при разомк"нутом и замкнутом -остояниях ключа 2

1 а и сигналы $ (t) и ((t) на выходе

ФД 6 (также при разомкнутом и замкнутом состояниях ключа 2) определяются по аналогии с выражениями (3)(8), учитывая, что в данном случае (.)ь))=1. При агом

ЗО

<»»)(t) = K()»

Разница между выражениями (10), (11) и (12), (13) объясняется тем, что ФД 6 имеет опорный сигнал 8 н (t) вида:

e„(t) = g„cos4)t, и поэтому выделяет амплитуду косинусной составляющей сигнала 4 (t) по (4) и (5), а опорный сигнал ФД 7 сдвинут на 90 по отношению к сигнао лу 8 <,(С), вследствие чего детектор 7 выделяет амплитуду синусной составляющей сигнала <, (t) .

При периодических коммутациях

)( ключа 2 сигнал 6„(t) искусственной неснмметрии на входе объекта описы=« вается выражением (3), а выражения (((t) = — 2 (И4(jM) / 9„signcos(gt+g); (15) ПФ 17, настроенный на поисковую частоту Я ., и вносящий на этой частоте согласно таблице фазовый сдвиг о

-90, выделяет первую гармонику си -== нала < по (16):

Ж(t)=-Кват/И(Зы)/ биsin\ge+АЙ(3 (17) где коэффициенT k, одинаковый для

ПФ 10 и 11, определяется технической реализацией указанных фильтров.

Информационная переменная." (t) 2 сигнала ), (t) подвергается фильтрации при помощи ПФ 10, настроенного на поисковую частоту Я и вносящего на этой частоте нулевой фазовый

1,, сдвиг согласно таблице:, Выходной сигнал ПФ 11 7г()=К А(<4 /"(jM)/ e,"oos(11е+К). (18) Сигнал-<17 (t), получающийся после суммирования сигналов q), (t) и < ) (e) на сумматоре 9, и)2еет согласно (16) и (17) гармоническую форм, .

q(e) =p,(e)+ y,(e) =y cos(pt+,;. a), (,9) »»»(з»») /» e „ a* (v) »»»» (»(») 2 сов<

9„= К /1/(j )/8„" (22) Таким образом, на выходе сумматора 9 восстанавливается гармонический сигнал p (t) с частотой Q амплитуда 7,1, которого пропорциональна модулю частотной характеристики Ы()У)

КНПС, а фаза <)7 — аргументу этой () =-А(<7, /a (j 4 /2 Q„si noos (me+< ) . (16) (26) В результате перемножения (множительным звеном 21 СД 20) сигнала () () на опорный сигнал 6 (й) по (2), и последукщей фильтрации медленной составляющей выходного сигнала звена 21 формируется выходной сигнал блока 13-:

- 2 Н<

U=K Н arcsin — — (1+Rg-u LC) (27) н у и где K> — коэффициент усиления ФНЧ 16, Считая Rg О, выражение (27) можно переписать в следующей форме:

y(t) = б (t)Ьй = Н сов1 . (23)

С учетом (21) и (6), получают

U = К,агсэ п К (1-ыРЬС),, (28) y(t) = 8< /M(jv)/(1 + Rg- сд Т.С) (24. где

7 1257745 8 . частотной характеристики. Обе пере- в сложный ряд Фурье, получают слеменные (() 4 (1)) сигнала () (t) содер- дующее соотношение: жат полезную информацию о состоянии

2 . ч(t) резонансной настройки в КНПС, кото- U(t)= H arcsin + рая выделяется при дальнейшей обработке указанного сигнала, + K. A,(t)cos(iQt+(g, (t)J .

Г.

Сигнал 6 (t) = Н, sign (g на выходе релейного звена 12 сохраняет инфор- Первый член выражения (26) описымацию, содеРжащУюсЯ в фазе Ч) сигнала вает медленную (неколебательную) еос(()(), стабилизируя его ампдитуду: 1О тавляющую сигнала U(t) которая выЭ деляется ФНЧ 16. Выходной сигнал

Q (t) = Н.1sign cos (qt +(1) + <)(,) . V(t) ФНЧ 16 может быть определен при помощи подстановки (22) и (24) в (26):

Сигнал U(t) на выходе второго релейного звена 15 ц() = Н sign y(t)+Q(t)) =

= н

Разложив импульсы прямоугольной формы, описываемые выражением (25), (горизонтальная черта в выражении (23) означает осреднение по времени).

Сигнал y(t) не имеет "завалов" при значительных расстройках резонансного состояния в КНПС, а знак его согласно (24) определяется знаком расстройки резонансного состояния КНПС. Поэтому подача его непосредственно на вход блока 18 управле- З5 ния ДГР обеспечивает повышение быстродействия и динамических характеристик системы. Однако сохраняющаяся зависимость его от добротности КНПС и нелинейность зависимости сигнала

y(t) от расстройки, которые обусловливаются наличием модуля /W(jr )/ частотной характеристики W(jv)КНПС в выражении (24),не позволяют испольэовать его непосредственно для иэмере- 45 ния расстроек компенсации, 2

К«Н

Н< ц< <

Величина (1-ц LC) в выражении (28) представляет собой расстройку резонансного состояния в КНПС.

Таким образом, знак и величина сигнала U управления в предлагаемом устройстве однозначно связаны с расстройкой в КНПС монотонной, близкой к линейной, функциональной зависимостью. С уменьшением величины

К по (28), например,в результате уменьшения величины Н1 или увеличения коэффициента К, указанная функциональная зависимость приближается к линейной. Сигнал U управления не зависит от добротности КНПС.

Аналогичными рассуждениями можно определить сигнал управления и для иных способов введения искусственной несимметрии и вида датчика 5.

Так, если датчиком 5 является датчик тока ДГР, а несимметрия вводится в соответствии с фиг.2, то

S(j() ) = g + jQC, и по аналогии получают следующее выражение для сигнала U управления:

U = К arcsin К (— - (эС). (29)

< ыЬ

9 1257

Знак и величина управления (29) также однозначно связаны монотонной функциональной зависимостью с разностью индуктивной и емкастной проводимостей в КНПС (т.е. разностью емкостнай и индуктивной составляющих тока ОЗНЗ в случае возникновения замыкания), которая позволяет определить расстройку в КНПС.

Если датчиком 5 является датчик 1О тока ДГР, а несимметрия вводится в соответствии с фиг.З или 4, то

S(jM) =- 1 и выражение,цля сигнала упранления имеет вид (28). Если датчиком 5 является ДНСН, то сигнал уп- 15 равления записывается в форме (29).

Сигнал U управления поступает на индикатор 21, шкала которого проградуирована в единицах расстройки проводимости или тока в соответствии с 20 зависимостями. (28) и (29). Это позволяет, в частности, производить настройку ДГР 4 с ручным управлением (например, типа ЗРОМ), причем благодаря наличию информации о рас- 25 стройке, делать это с минимальными затратами труда оперативного персонала (за эту коммутацию). Выходной

Ф сигнал UБУН 24,,суммируясь с сигна-лом 0(), создает в КНПС заданную пе- 30 рекомпенсацию или недокомпенсацию, величина которой определяется только сигналом U и не зависит от параметрон КНПС. Если в качестве БУН 24 применен функциональный преобразователь, то предлагаемое устройства позволяет осуществлять программную коррекцию настройки с целью учета не=линейной вольт-амперной характеристики ДГР 4 с подмагничиванием при переходе сети иэ режима нормальной работы в режимы однофазных замыканий.

Так как в предлагаемом устройстве не предусмотрено сохранение функций автонастройки или измерения расстрой-4g ки в режимах 03Н3, его целесообразно комбинировать с другими (известными) устройствами антонастрайки компенсации, предназначенными для работы при наличии в сети ОЗНЗ, Подобное комбинирование повышает эффективность всей системы автокомпенсации, К второму релейному звену 15 предъявляются повышенные требования, поскольку от стабильности его уровней ограничения существенно зависит погрешность измерений и ошибка авто745

10 матическай настройки КНПС. Кроме тога, характеристика Вход †вых указанного звена должна быть близка к идеальной и широком диапазоне изменения входного сигнала, чта связано с весьма широким динамическим диапазоном сигнала () . Поэтому целесообразно применить схему реализации релейного звена 15 совместно с сумматорам 14, изображенную на фиг,5.

Сумматор и релейное звено„ изображенные на фиг.5„ рабстают следующим образам °

При положительной сумме токов, протекающих через резисторы 36 и 37, на инвертирующем входе операционного усилителя 28 возникает напряжение положительной полярности, что приводит к появлению отрицательного напряжения U на выходе усилителя 28. Па достижении указанным напряжением величины напряжения стабилизации стабилитрона 33 отпираются диоды 29 и

32. В результате ток, протекающий через указанные диоды, уравновешивает суммарный ток резисторов 36 и 37.

Напряжение на инвертирующем входе усилителя 28 поддерживается близким к нулю, а на выходе усилителя 28 устанавливается отрицательное напряжение, равное напряжению на стабилитроне 33 (в сумме с прямыми падениями напряжений на диодах 29 и 32).

Данные напряжения поддерживаются на указанных уровнях благодаря действию отрицательной обратной связи. Если сумма токов, протекающих через резисторы 36 и 37, отрицательна, на выходе усилителя 28 устанавливается положительное напряжение, которое фиксируется (после отпирания диодов

30 и 31) на уровне напряжения стабилизации стабилитрона 33 (в сумме с прямыми падениями напряжений на диодах 30 и 31).

При любом выходном напряжении апе= рационного усилителя 28 к диагонали моста, обраэонаннога диодами 29-32, приложено напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона 33.

Укаэанное напряжение поддерживается главным образом током, протекающим через резисторы 34 и 35, который выбирается оптимальным для данного типа стабилитранов и в та же время значительно превышающим возможные токи через диоды 29-32 моста.

12577b,""12.

Использование в релейном звене, изображенном на фиг.5, мостовой схемы и подпитки стабилитрона в диагонали моста постоянным током позволяет достичь высокой стабильности и точного равенства между собой (по абсолютной величине) уровней ограничения релейного звена. Низкое динамическое сопротивление стабилитрона 33 (благодаря подпитке его посто- t0 янным током) обеспечивает малый наклон горизонтальных участков релейной характеристики звена 15, а высокое сопротивление запертых диодов

29-32 — большой наклон вертикального 15 участка указанной характеристики.

Все это повышает точность устройства.

Предлагаемое устройство не только не имеет "завалов" управляющей характеристики при больших расстройках 20 резонансного состояния в КНПС, но и обеспечивает линейность указанной характеристики, т.е. линейную sa- висимость сигнала управления от расстройки (или от разности.индуктивной и емкостной проводимостей контура), инвариантную по отношению к добротности КНПС. Полностью сохраняется инвариантность сигнала управления по отношению к естественной не- З0 симметрии в сети, что позволяет применять устройство не только в кабельных, но и в воздушных и воздушно-кабельных сетях. Благодаря линейности системы существенно улучшаются ее цинамические характеристики и повышается быстродействие. Появляется возможность использовать известные высокоэффективные методы коррекции и оптимизации линейных систем. В частности, выбор ширины зоны нечувствительчости блока 38 управления с учетом инерционных свойств привода

ДГР плунжерного типа позволяет одновременно повысить точность резонанс- 45 ной настройки, расширить зону нечувствительности, что повышает помехоустойчивость системы и добиться переходного процесса без перерегулирований и повторных запусков двигателя привода ДГР, что повышает надежность и долговечность. Упрощается реализация синхронното детектора, благодаря чему повьппается надежность устройства.

В результате применения предлагаемого устройства повышаются надежность и безопасность эксплуатации электрических сетей, а также производительность и эффективность труда обслуживающего персонала.

В

Формула изобретения

Устройство для автоматической настройки компенсации емкостных токов в электрических сетях, содержащее подключенный к сети через коммутатор блок создания искусственной несимметрии, первый фазовый детектор, первый вход которого связан с сетью через датчик напряжения смещения нейтрали или датчик тока дугогасящего реактора, а второй вход через ортогоналиэатор соединен с выходом блока создания искусственной несимметрии, блок формирования поискового сигнала и синхронного детектирования, первый выход которого подан на управляющий вход коммутатора, а также фильтр низких частот и блок управления реактором, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и,повышения быстродействия, оно снабжено вторым фазовым детектором, двумя полосовыми фильтрами, настроенными. на поисковую частоту, тремя сумматорами, двумя релейными звеньями, индикатором и блоком упреждения настройки, причем вход индикатора и первый вход первого сумматора подключены к выходу фильтра низких частот, второй вход первого сумматора соединен с выходом блока упреждения настройки, а выход его подан на вход блока управления реактором, первый вход второго фазового детектора подключен к выходу датчика напряжения смещения нейтрали или датчика тока дугогасящего реактора, к второму входу второго фазового детектора подключен выход блока создания искусственной несимметрии, выходы первого и второго фазовых детекторов соответственно через первый и второй полосовые фильтры подключены к входам второго сумматора, выход которого через пегвое релейное звено соединен с входом блока формирования поискового сигнала и синхронного детектирования и непосредственно соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом блока формирования поискового сигнала и синхронного детектирования, а выход через второе релейное звено подключен к входу фильтра низких частот.

1257745

Корректор О.Луговая

Техред Л. Сердюкова

Редактор Л.Пчелинская

Заказ 5034/53 Тираж 612

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

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

1

I

1

Г

1

J фмв3