Способ контроля технического состояния сглаживающего фильтра

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля технического состояния сглаживающего фильтра. Цель изобретения - повышение качества контроля за счет повышения точности нормирования. Техническое состояние сглаживающего фильтра оценивают путем сравнения значений параметров гармоник, измеренных при определенной величине полученного отношения постоянных напряжений, с нормированными при такой же величине этого отношения значениями параметров напряжения гармоник. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля технического состояния сглаживающего фильтра. Такие фильтры всегда устанавливаются на тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока для защиты устройств проводной связи и железнодорожной автоматики от мешающего влияния гармонии напряжения, которые генерируются подстанционными преобразователями и проникают в тяговую сеть.

Аналогами предлагаемого технического решения являются: - способ, основанный на использовании при неработающих преобразователях тяговой подстанции измерительного напряжения, которое имеет синусоидальную форму и частоту, равную частоте сглаживаемых фильтром гармоник; - способ, предусматривающий измерение псофометрического значения напряжения переменной составляющей на выходе сглаживающего фильтра в процессе питания преобразователем нагрузки; - способ, основанный на определении отношения псофометрического напряжения, измеренного в предыдущем способе, к номинальному значению выпрямленного напряжения преобразователя; - способ контроля по величине отношения (коэффициента сглаживания) псофометрического значения напряжения переменной составляющей на входе сглаживающего фильтра (между полюсами выпрямленного напряжения силового преобразователя и псофометрического значения напряжения переменной составляющей на выходе фильтра, в точках соединения его и нагрузки преобразователя.

Для контроля по первому способу требуется выводить из работы преобразователь, контролируемый фильтр и прекращать питания нагрузки. Выполнение этих условий сопряжено с трудоемкими операциями отключения силового оборудования. Применительно к электрическим железным дорогам такой контроль сопровождается отключением тяговой подстанции. Это ограничивает провозную способность железнодорожного транспорта, снижает надежность устройств защиты системы электроснабжения. Известный способ не позволяет оперативно контролировать техническое состояние сглаживающего фильтра в процессе его работы, что снижает эффективность такого способа контроля.

Остальные три известных способа позволяют определять диагностические параметры в процессе работы сглаживающего фильтра и поэтому лишены перечисленных недостатков. Однако эти способы не обеспечивают глубину контроля, достаточную для определения дефектов во всех элементах фильтра.

Ближайшим прототипом является способ, предусматривающий одновременное измерение тока нагрузки преобразователя, эффективного и псофометрического значения переменной составляющей напряжения на выходе контролируемого фильтра. Измерение эффективного значения переменной составляющей и тока нагрузки позволяют обеспечить необходимую глубину контроля. При этом усложняются предписанные алгоритмом контроля состав измерительных операций и правила обработки и анализа результатов измерений.

Это вызвано следующими причинами. Обязательной операцией известного способа является нормирование измеренных параметров переменной составляющей при определенном значении показателя интенсивности нагрузочного режима преобразователя, которая однозначно характеризует ее влияние на напряжение гармоник переменной составляющей. Величина тока, который измеряется в известном способе для контроля за интенсивностью нагрузочного режима, не обеспечивает однозначности такой зависимости. Поэтому приходится дополнительно измерять напряжение вентильной обмотки преобразовательного трансформатора или напряжение его сетевой обмотки и по этому напряжению с учетом реального положения переключающих устройств трансформатора находить напряжение его вентильной обмотки. Далее, используя параметры конкретной тяговой подстанции (напряжение к.з., номинальная мощность и количество работающих сетевых и преобразовательных трансформаторов, мощность короткого замыкания питающей сети), которые имеют разные значения, находить угол коммутации преобразователя, которому соответствуют измеренные значения его нагрузочного тока, напряжения указанных обмоток преобразовательного трансформатора и параметров переменной составляющей напряжения на выходе контролируемого фильтра. При известной величине угла коммутации можно обеспечить необходимое для контроля фильтра нормирование параметров переменной составляющей, так как, во-первых, между напряжением его гармоник и углом коммутации существует однозначная зависимость и, во-вторых, угол коммутации дает количественную оценку интенсивности нагрузочного режима. Такое нормирование позволяет располагать значениями измеряемых параметров переменной составляющей, которые характеризуют техническое состояние контролируемого фильтра.

Из приведенных данных следует, что сложность алгоритма контроля по известному способу характеризуется тремя операциями измерений и одной операцией расчета по сложной зависимости, в которую входит 8 параметров тяговой подстанции и 2 измеренных величины.

Целью изобретения является повышение качества контроля за счет повышения точности нормирования.

Сущность изобретения заключается в следующем. Одновременно с измерением на клеммах контролируемого фильтра параметров (псофометрическое напряжение, отношение псофометрического напряжения к номинальному значению выпрямленного напряжения преобразователя, коэффициент сглаживания псофометрического напряжения, отношение псофометрического и эффективного значений переменной составляющей напряжения на выходе фильтра, напряжение отдельных гармоник) напряжения гармоник, создаваемых в процессе работы силового преобразователя, для регистрации интенсивности его нагрузочного режима выполняют следующие дополнительные операции. Формируют (получают) постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде определенных полуволн переменной составляющей выпрямленного напряжения на выходе контролируемого сглаживающего фильтра, которая определяется минимальным значением этого напряжения. Получают также постоянное напряжение, которое пропорционально амплитуде переменного напряжения обмоток трансформатора силового преобразователя. Находят отношение полученных постоянных напряжений. Оценивают техническое состояние контролируемого сглаживающего фильтра путем сравнения значений параметров гармоник, измеренных при определенной величине полученного отношения, с нормированными при такой же величине этого отношения значениями параметров напряжения гармоник.

Полученное на основании измерений отношение находится в прямой пропорциональной зависимости с углом коммутации преобразователя. Поэтому такое отношение, с одной стороны, характеризует нагрузочный режим преобразователя, а с другой стороны, между этим отношением и напряжением гармоник и соответственно измеряемыми их параметрами существует однозначная зависимость. Следовательно, полученное отношение позволяет нормировать параметры напряжения гармоник. При этом можно измерять две величины (параметр напряжения гармоник и это отношение, выраженное, например, в единицах напряжения), т.е. на одну величину меньше по сравнению с известным способом. Последующие вычисления не требуются, как это имеет место в известном способе. Две измеренные величины позволяют сделать заключение о техническом состоянии фильтра. Таким образом, предложенный способ имеет более простой алгоритм контроля, что можно классифицировать как повышение качества контроля, которое является целью изобретения.

Установим зависимость между углом коммутации и величиной отношения, измеряемого в процессе контроля по предложенному способу. Для этого обратимся к диаграммам напряжения, которые показаны на фиг.1.

Эти диаграммы дают представление о характере изменения во времени ωt мгновенного значения выпрямленного напряжения при шестимпульсовом преобразовании, которое широко применяется на тяговых подстанциях постоянного тока электрических железных дорог. Верхняя (нижняя) диаграмма соответствует меньшему (большему) углу коммутации ωt= γ . Выпрямленное напряжение имеет среднее значение (постоянную составляющую) U_d и формируется из отрезков (показаны сплошными линиями) синусоид U₁ и U₂ (показаны штриховыми линиями), которые имеют разные амплитуды и сдвинуты по фазе на 30 град. эл. друг относительно друга. Переменная составляющая выпрямленного напряжения является разностью между его мгновенным и средним значениями и показана на диаграммах заштрихованной областью. Используемая для контроля амплитуда Δ U соответствующей полуволны переменной составляющей представляет собой разность между напряжением U_dи мгновенным значением синусоиды U₁ при ωt= γ . Из сопоставления верхней и нижней диаграмм видно, что форма переменной составляющей зависит от величины γ . Если угол γ маленький и напряжение U_d больше амплитуды синусоиды U₁ (большой и напряжение U_d меньше амплитуды синусоиды U₁), то переменная составляющая имеет ту форму, которая показана на верхней (нижней) диаграмме. Важно отметить, что при любой форме переменной составляющей соблюдается условие: если ω t = γ , то ΔU = U_d - U₁.

Если принять, что синусоида U₂ имеет амплитуду U_м, то у синусоиды U₁ амплитуда составляет U_d= 5 U_мsinωtd(ωt)+ U_мsinωtd(ωt)= (1+cosγ)U_м . При этих обозначениях среднее значение выпрямленного напряжения ΔU=U_d-0,5 U_мsin(90+γ)= (1+cosγ)- cos × Тогда для амплитуды Δ U справедливо следующее соотношение: × U_м= 1+1- cosU_м Разделив амплитуду Δ U на величину aU_м, которая пропорциональна амплитуде синусоиды U₂, получаем используемую при контроле величину K_γ= = 1+1- cos.

Входящая в эту формулу величина а является масштабным коэффициентом, который позволяет получить удобные для использования значения K_γ и зависит от коэффициента трансформации трансформаторов устройства, реализующего способ, и трансформатора силового преобразователя. Между величиной U_м и переменным напряжением обмоток силового преобразователя существует определенная пропорциональность, количественный характер которой зависит от схемы выпрямления. В трехфазной мостовой схеме (две обратные звезды с уравнительным реактором) напряжение U_м равно амплитуде линейного напряжения вентильной обмотки трансформатора силового преобразователя (0,5 амплитуды фазного напряжения вентильной обмотки аналогичного трансформатора). Располагая значением коэффициента трансформации трансформатора силового преобразователя, величину U_м можно выразить через напряжение его сетевой обмотки, т.е. через напряжение питающей сети.

Поэтому для измерения напряжения U_м или пропорциональной ему величины потребуется подключить трансформатор напряжения, соответственно, к вентильной или к сетевой обмотке трансформатора силового преобразователя. Преобразователи тяговых подстанций обычно не имеют трансформаторов напряжения. Поэтому наиболее просто иметь а ≠ 1 и измерять напряжение, пропорциональное U_м, используя трансфоpматор напряжения, который подключен к сети, питающей преобразователь, и, как правило, имеется на тяговой подстанции. В этом случае в устройство, реализующее операцию деления, вводится пропорциональное U_м напряжение и принимается определенное значение а. Если в процессе контроля меняются параметры преобразователя, например, положение переключателя, регулирующего коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора, то меняется соответствующим образом коэффициент а.

Рассчитаем зависимость K_γ от γ, приняв а =3/20 π . Результаты расчетов представлены графиком на фиг.2. Из графика видно, что эта зависимость имеет нелинейный характер и вполне удобна для практического использования.

Предложенный способ может быть осуществлен при помощи устройства, которое показано на фиг.3. На этой же фигуре показаны необходимые для пояснения принципа действия устройства элементы силовой схемы тяговой подстанции: шины 1 переменного напряжения, которые питают силовой преобразователь, его трансформатор 2 и его полупроводниковый выпрямитель 3, сглаживающий фильтр 4 с реактором 5, апериодическим (емкостным) контуром 6, клеммами 7, образующими вход фильтра 4, и клеммами 8, образующими его выход, нагрузка 9, которую питает силовой преобразователь, и измерительный трансформатор напряжения 10.

Устройство, реализующее предложенный способ, имеет измеритель 11 параметров напряжения гармоник, разделительный конденсатор 12, первый измерительный выпрямитель 13 с трансформатором 14, диодом 15 и накопительным конденсатором 16 на выходе, функциональный преобразователь 17, вольтметр 18 постоянного напряжения, второй измерительный выпрямитель 19 с трансформатором 20, диодным мостом 21 и накопительным конденсатором 22 на выходе.

Вход измерительного выпрямителя 13 образован обмоткой его трансформатора 14, которая соединена через разделительный конденсатор 12 с входом контролируемого фильтра 4. Обязательным условием для измерительного выпрямителя 13 является то, что он имеет однополупериодную схему выпрямления.

У измерительного выпрямителя 19 вход образован той обмоткой трансформатора 20, которая подключена к трансформатору напряжения 10. Трансформатор напряжения 10 используется для подключения описываемого устройства попутно. Основное назначение трансформатора напряжения 10 - это питание устройств учета электроэнергии, измерительных средств, релейной защиты. Перечисленные устройства на схеме не показаны. При подключении трансформаторов 14 и 20, как показано на схеме, один из них должен иметь регулируемый коэффициент трансформации. На схеме показано, что трансформатор 20 имеет регулируемый коэффициент трансформации. Трансформатор 20 можно подключить не только как показано на схеме. Его можно подключить параллельно вентильной обмотке трансформатора, которая подключена к полупроводниковому выпрямителю 3. Во втором случае оба трансформатора 14 и 20 могут иметь нерегулируемые коэффициенты трансформации. В любом случае напряжение, питающее трансформатор 20, и напряжение, питающее трансформатор 2, должны изменяться пропорционально.

На схеме показано, что используется один измеритель 11 параметров напряжения гармоник, который подключен к выходу контролируемого фильтра 4. Описываемое устройство может иметь еще второй измеритель аналогичного назначения, который подключен к входу контролируемого фильтра 4. В качестве таких измерителей могут быть использованы приборы ИМН (измерители мешающего напряжения), широко применяемые на тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока, псофометры, используемые при контроле линий связи, селективные и обычные вольтметры.

В качестве функционального преобразователя 17 может быть использован серийный измерительный преобразователь типа Е818/1 со следующими параметрами: входное напряжение 0-10 В, диапазон изменения входного напряжения 10-100% , входное сопротивление 100 кОм, нагрузочное сопротивление 10 кОм, погрешность ±0,5% (см. Справочник по электроизмерительным приборам. Под ред. К.К.Илюнина. Энергоатомиздат, 1983, с.595-597).

Вольтметром 18 может служить стрелочный или цифровой прибор с соответствующими пределами измерения.

Предложенный способ позволяет контролировать не только однозвенный апериодический фильтр, который показан на схеме, но и любой другой фильтр из числа применяемых на тяговых подстанциях постоянного тока.

Устройство осуществляет контроль технического состояния сглаживающего фильтра, когда он сглаживает выпрямленное напряжение силового преобразователя, питающего свою нагрузку. Контроль выполняется следующим образом.

При работе силового преобразователя ко входу контролируемого фильтра 4 прикладывается выпрямленное напряжение, которое имеет постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая прикладывается к разделительному конденсатору 12, переменная составляющая поступает на вход измерительного выпрямителя 13. Его трансформатор 14 трансформирует напряжение переменной составляющей, обеспечивая, во-первых, гальваническую развязку между находящимися под высоким потенциалом цепями силового преобразователя и низковольтными измерительными цепями, и во-вторых, обеспечивает удобную для последующей обработки величину напряжения (сигнала). Диод 15 выпрямляет одну определенную полуволну переменной составляющей (см. фиг.1). При этом накопительный конденсатор 16 заряжается до амплитудного значения напряжения, выпрямляемого диодом 15, и запоминает амплитудное значение в течение времени, когда к диоду 15 прикладывается обратная полуволна переменной составляющей. При изменении интенсивности нагрузочного режима силового преобразователя меняется амплитуда выпрямленного диодом 15 напряжения и, соответственно, напряжение накопительного конденсатора 16. Таким образом реализуется операция получения постоянного напряжения, величина которого следит в процессе работы силового преобразователя за амплитудой одной определенной полуволны переменной составляющей выпрямленного напряжения и соответственно за интенсивностью нагрузочного режима преобразователя.

Одновременно с этой операцией осуществляется операция получения постоянного напряжения, которое пропорционально амплитуде переменного напряжения на обмотках трансформатора 2 и, соответственно, напряжению U_м, используемому в последующей операции контроля. Для реализации операции получения второго постоянного напряжения определенной величины используется напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения 10. Это напряжение поступает на вход измерительного выпрямителя 19. Его трансформатор 20 с регулируемым коэффициентом трансформации обеспечивает определенную величину напряжения, которое выпрямляется диодным мостом 21. Накопительный конденсатор 22 заряжается до амплитудного значения выпрямленного напряжения диодного моста 21 и запоминает это значение в те интервалы времени, когда мгновенное значение меньше амплитудного значения напряжения, выпрямленного диодным мостом 21. Если происходит изменения напряжения питания, то меняется напряжение обмоток трансформатора 2. Эти изменения повторяются напряжением трансформатора напряжения 10 и, соответственно, напряжением конденсатора 22.

Необходимость регулировать коэффициент трансформации трансформатора 20 измерительного выпрямителя вызвана следующими соображениями. Напряжения конденсаторов 16 и 22 связаны с напряжениями U_м и Δ U соответственно следующими соотношениями:
U₁₆ = Δ U : K_т14,
U₂₂ = U_м :(K_св ˙ K_т20 ˙ К_т10 :К_т2), где К_т14, К_т20, К_т10, К_т2 - коэффициенты трансформации трансформаторов 14, 20, 10, 2; К_св - коэффициент схемы выпрямления, характеризующий влияние ее и схемы измерения на соотношение между напряжениями U_м и U₂₂.

Коэффициент К_св при неизменных схемах выпрямления имеет постоянное значение, для схемы фиг.3 K_св= . Если трансформатор подключен не на фазное, как показано на схеме, а на линейное напряжение трансформатора 10, то К_св = 1. Величины К_т14 и (К_св ˙K_{т20 ˙} К_т10:К_т2) характеризуют пропорциональность между U₁₆, Δ U и U₂₂, U_м и поэтому должны иметь постоянное значение, чтобы иметь возможность нормировать параметры напряжения гармоник при определенном значении K_γ . Коэффициенты К_св, К_т14, К_т10 являются постоянными величинами. Коэффициент трансформации К_т2 зависит от положения переключателя обмоток трансформатора 2 и поэтому при регулировании его напряжения изменяется. В этом случае соответствующее регулирование К_т20 обеспечивает постоянство величины (К_св ˙ К_т20 ˙ К_т10 :К_т2), которое необходимо для нормирования. Из приведенных данных следует, что при реализации предложенного способа должно выполняться равенство
K_γ= = . Поэтому между масштабным коэффициентом а и коэффициентами К_св, К_т20, К_т10, К_т2 имеет место следующее соотношение:
a= .

Если трансформатор 20 подключить непосредственно к вентильной обмотке трансформатора 2, соединенной с полупроводниковым выпрямителем 3, то в этом случае не требуется регулировать К_т20, т.к. исключается влияние переменной величины К_т2 на количественный характер пропорциональности между U_м и U₂₂. При таком исполнении устройства возрастает установленная мощность трансформатора 20, т. к. при этом включении он является не только согласующим устройством, но еще изолирует высоковольтные цепи силового преобразователя от низковольтных измерительных цепей.

С выходов измерительных выпрямителей 13 и 19 постоянное напряжение поступает на входы функционального преобразователя 17, который реализует операцию деления этих напряжений и создает на выходе постоянное напряжение, величина которого равна частному от деления входных напряжений.

Показания вольтметра 18, который подключен к выходу функционального преобразователя 17, дают количественное представление о величине K_γ .

Одновременно с определением величины K_γ , характеризующей интенсивность нагрузочного режима силового преобразователя, регистрируют показания измерителя 11, которые дают количественное представление о параметрах напряжения гармоник.

Операция оценки технического состояния контролируемого фильтра является заключительной и выполняется следующим образом. Измеренные значения параметров напряжения гармоник сравнивают с нормированными значениями этих параметров. Сравнение производят для одних и тех же значений K_γ . На основании результатов сравнения делают заключение о том, какой вид имеет техническое состояние контролируемого фильтра.

Например, если в качестве контролируемого параметра напряжения гармоник используют его псофометрическое значение на выходе сглаживающего фильтра, то при правильном (неправильном) его функционировании измеренные значения псофометрического напряжения должны быть меньше или равны (больше) его нормированных значений. Нормированные значения псофометрического напряжения могут быть определены по его зависимости от K_γ . Ее можно получить на основании зависимостей псофометрического напряжения от угла коммутации, которые обычно приводятся в руководящих указаниях, и зависимости K_γ от угла коммутации. Характер полученной таким образом зависимости псофометрического напряжения от K_γ определяется только типом сглаживающего фильтра. Поэтому такая зависимость является универсальной для тяговых подстанций с однотипными фильтрами. Эта закономерность присуща и зависимостям от K_γ других параметров напряжения гармоник, которые могут быть использованы при контроле сглаживающих фильтров.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА, подключенного входом к полюсам выпрямленного напряжения силового преобразователя и выходом к цепи его нагрузки, состоящий в измерении параметров напряжения гармоник на выходе сглаживающего фильтра и регистрации нагрузочного режима силового преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения качества контроля за счет повышения точности нормирования, формируют постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде определенной полуволны переменной составляющей выпрямленного напряжения на входе сглаживающего фильтра, и постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде переменного напряжения обмоток трансформатора силового преобразователя, находят отношение полученных величин и оценивают техническое состояние сглаживающего фильтра путем сравнения измеренных значений параметров напряжения гармоник с нормированными при полученной величине отношения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3