Способ автонастройки компенсации емкостной и активной составляющих при дуговых замыканиях на землю

 

Сущность изобретения: измеряют напряжение смещения нейтрали и одного из линейных напряжений сети, синхронно детектируют двумя взаимно ортогональными опорными сигналами, фильтруют результаты синхронных детектирований и в соответствии с полученными результатами управляют компенсацией активной и емкостной составляющих. Для первой операции синхронного детектирования устанавливают фазу опорного сигнала, равную значению фазы ЭДС между точкой замыкания на землю и нейтралью. Результат используют для компенсации активной составляющей. Для второй операции синхронного детектирования используют напряжение смещения нейтрали. Результат используют для управления компенсацией емкостной составляющей. Достигаемый технический результат: повышение точности автонастройки компенсации, улучшение динамических характеристик автонастройки. 5 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретно к релейной защите и автоматике в трехфазных распределительных сетях высокого напряжения с незаземленной нейтралью.

Известен способ автокомпенсации емкостной составляющей (Брызгин О.Р. Зеленский В.А. Устройство для автоматического регулирования тока компенсации. Авт. св. СССР N 330509, кл. Н 02 J 3/12), который включает в себя распознавание однофазного замыкания на землю (ОЗНЗ), распознавание поврежденной фазы, измерение напряжения поврежденной фазы и напряжения смещения нейтрали, а также формирование управления компенсацией емкостной составляющей, пропорционально проекции вектора напряжения поврежденной фазы на вектор, ортогональный вектору напряжения смещения нейтрали (при помощи операции синхронного детектирования).

Недостатком этого способа является невозможность управления компенсацией активной составляющей тока ОЗНЗ и, как следствие неполное подавление дуговых замыканий в случае, если напряжение пробоя изоляции в месте повреждения оказалось ниже амплитуды фазного напряжения сети. Кроме того, данный способ неприменим в тех случаях, когда замыкание на землю (ЗНЗ) произошло не в фазном проводнике сети, а в обмотке двигателя или трансформатора (питающего или нагрузки).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ автонастройки компенсации емкостной составляющей (КЕС) и активной составляющей (КАС) токов ЗНЗ, описанный в (Ефимов Ю.К. Обабков В.К. Целуевский Ю.Н. Шишкина О.Г. Система автоматического подавления дуговых замыканий в сетях собственных нужд энергоблоков 500 МВт. Электрические станции, 1992, N 5, с.71 75; Обабков В.К. Целуевский Ю.Н. Ефимов Ю.К. Устройство для компенсации полного тока однофазного замыкания в коротких сетях. Решение ВНИИГПЭ о выдаче авторского свидетельства по заявке N 4827316/07 от 28.01.91). Данный способ состоит в измерении мгновенных значений фазных и линейных напряжений сети и напряжения смещения нейтрали, распознавании дугового ОЗНЗ, распознавании поврежденной фазы, формировании опорных сигналов в виде линейного напряжения между неповрежденными фазами и ортогонального ему сигнала, а также синхронных детектирований напряжения поврежденной фазы указанными сигналами с последующей фильтрацией, после чего производится управление КАС и КЕС. Способ-прототип способен полностью подавлять дуговые процессы при ОЗНЗ в тех случаях, когда напряжение пробоя дугового промежутка оказывается достаточно высоким.

Описанный способ обладает следующими недостатками. Во-первых, он непригоден для автонастройки в тех случаях, когда ЗНЗ произошло не в фазном проводнике сети, а в обмотке нагрузки или питающего сеть трансформатора, поскольку принципиально ориентирован на минимизацию напряжения между одной из фаз сети (а именно поврежденной фазой) и землей. Во-вторых, правильная автонастройка КАС достигается только лишь при точной настройке КЕС. При расстройке КЕС в ту иди другую сторону, КАС настраивается с перекомпенсацией, которая тем больше, чем больше расстройка по КЕС. Это весьма неблагоприятно сказывается на динамике двухканальной автонастройки, затягивает переходные процессы и снижает эффективность системы в целом. В третьих, быстродействие способа-прототипа зависит от напряжения пробоя дугового промежутка и значительно понижается с его уменьшением, причем наличие зоны нечувствительности в канале измерения напряжения поврежденной фазы (которая положительно влияет на динамические характеристики системы при высоких напряжениях пробоя) при низких напряжениях приводит к размыканию обоих контуров автонастройки, так как напряжение на поврежденной фазе перестает при этом выходить за пределы упомянутой зоны нечувствительности.

Предлагаемое изобретение решает следующие технические задачи. Во-первых, обеспечивается точная автонастройка КАС и КЕС независимо от того, где именно произошло ЗНЗ: в фазном проводнике сети, в обмотке нагрузки или в обмотке питающего трансформатора, причем при любой схеме соединения указанных обмоток. При этом минимизируется напряжение именно в месте ЗНЗ, что приводит к прекращению дуговых пробоев. Во-вторых, процесс регулирования КАС оказывается в значительной степени независимым от регулирования КЕС, что улучшает динамические характеристики автонастройки. В-третьих, быстродействие способа с уменьшением напряжения пробоя в месте повреждения не понижается, а растет, причем размыкания контуров автонастройки при наличии дуговых пробоев не происходит. И, наконец, для реализации данного способа не требуется распознавания режима дугового ЗНЗ, распознавания поврежденной фазы и измерения напряжения на ней, чем достигается некоторое упрощение упомянутой реализации.

Решение перечисленных задач обеспечивается тем, что в способе, включающем в себя измерение напряжения смещения нейтрали и одного из линейных напряжений сети, синхронные детектирования двумя взаимно ортогональными опорными сигналами, фильтрацию результатов синхронных детектирований и управление компенсацией емкостной и активной составляющих в соответствии с полученными результатами дополнительно определяют значение фазы ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, устанавливают фазы опорных сигналов, соответственно, для первой операции синхронного детектирования равной фазе упомянутой ЭДС, а для второй операции синхронного детектирования - отличающейся от нее на 90^o, фильтруют, дифференцируют, ограничивают и подвергают упомянутым операциям синхронного детектирования напряжение смещения нейтрали, причем результаты первой операции синхронного детектирования используют для управления компенсацией активной составляющей, а результат второй операции синхронного детектирования для управления компенсацией емкостной составляющей токов замыкания на землю.

На фиг.1 показаны временные диаграммы процессов в сети и сигналы, формируемые при реализации данного способа в условиях точной настройки КЕС и недокомпенсации по активной составляющей; на фиг.2, фиг.3, фиг.4 аналогичные временные диаграммы при (соответственно) точной настройке КЕС и перекомпенсации по активной составляющей (фиг.2), перекомпенсации по емкостной составляющей и точной настройке КАС (фиг.3), недокомпенсации по емкостной составляющей и точной настройке КАС (фиг.4). Кроме того, на фиг.5 показан пример функционально-принципиальной схемы устройства, реализующего заявляемый способ.

На фиг. 1 4 обозначены: 1 ЭДС Е(t), действующая между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, 2 напряжение e(t) смещения нейтрали, 3 напряжение U_g(t) между точкой ЗНЗ и землей, 4 производная напряжения e(t) смещения нейтрали, 5 результат синхронного детектирования указанной производной опорным сигналом, пропорциональным ЭДС E(t), 6 среднее значение U_a сигнала 5, 7 опорный сигнал операции синхронного детектирования, сдвинутый на 90^o, по отношению к ЭДС E(t), 8 результат синхронного детектирования производной 4 опорным сигналом 8, 9 среднее значение U_т.

На фиг. 5 обозначены: 9 сеть с незаземленной нейтралью N, питающаяся от источников ЭДС E_A(t), E_B(t), E_C(t), обладающая емкостями C_A, C_B, C_C между фазами сети и землей и работающая на нагрузку 10 с замыканием на землю в точке G. Сеть снабжена дугогасящим аппаратом 11 ДГА (например комбинацией "присоединительный трансформатор - дугогасящий реактор" или трансформатором Бауха с тиристорным ключом в цепи разомкнутого треугольника вторичных обмоток), связанным с компенсатором 12 активной составляющей КАС, а также трехфазным измерительным трансформатором напряжений 13 ИТН. Напряжение e(t) смещения нейтрали с выхода ИТН 13 подается на последовательно соединенные блоки 14 фильтрации Ф1, дифференцирования 15 D и ограничения 16. Кроме того, напряжение е(t) поступает на входы схемы 17 преобразования во временной интервал мгновенного значения e(t_i+δ) напряжения e(t) смещения нейтрали, имеющего место в момент времени t_i+δ,, где δ малая величина (то есть, сразу же после скачкообразного изменения напряжения e(t) смещения нейтрали вследствие дугового пробоя в месте ЗНЗ). Схема 17 состоит из интегратора, построенного на операционном усилителе 18 и конденсаторе 19, аналогового коммутатора 20, резисторов 21 и 22, превращающих интегратор (при положении коммутатора 20, противоположном показанному на фиг.5) в инерционное звено с малой постоянной времени, резистора 23 цепи преобразования "начальные условия интегратора временной интервал" и релейного звена 24 с небольшим (порядка 10 30 мВ) гистерезисом. Совместно с фазными напряжениями U_A(t), U_B(t) и U_C(t), напряжение e(t) смещения нейтрали поступает также и на дополнительный блок 25 сопряжения сигналов (ДБСС). Кроме того, в состав устройства входят процессор 26 с постоянными и оперативным запоминающими устройства ПРЗУ, шина 27 данных, адресов и сигналов управления, входной (принимающий информацию) порт 28 П1, выходной (выводящий информацию) порт 29 П2, логический элемент 30 "НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ", контроллер 31 прерываний КП и схема общей синхронизации устройства промышленной частотой. Упомянутая схема общей синхронизации включает в себя нуль-компаратор 32 сигнала линейного напряжения U_AВ(t) сети, формирователи 33 и 34 импульсов (ФИ1 и ФИ2), исключающие дребезг, соответственно, спада и фронта выходного сигнала компаратора 32 и программируемый таймер 35 Т1, на счетный вход "с" которого подан высокочастотный (например 2 МГц) тактовый сигнал. К шине 27 подключены также блоки 35 и 36 формирования управлений БФУА и БФУР по активной и реактивной составляющим соответственно, выходы которых подключены к исполнительным органам 37 и 38 (ИОР и ИОА). Структура блоков 37 ИОР и 38 ИОА зависит от конкретной реализации ДГА 11 и способа введения КАС. Например, если ДГА представляет собой трансформатор Бауха, то блок 37 ИОР по аналогии с устройством, реализующим способ-прототип, представляет собой тиристорный ключ, установленный во вторичной цепи указанного трансформатора. Если для КАС используется введение регулируемой искусственной несимметрии от внешнего источника ЭДС через дополнительный дроссель, то блок 38 ИОА по аналогии с устройством, реализующим способ-прототип, представляет собой тиристорный ключ, соединенный последовательно с упомянутым дополнительным дросселем.

Действие способа состоит в следующем.

Низкочастотные процессы в контуре нулевой последовательности сети (КНПС) описываются упрощенно следующей системой дифференциальных уравнений: где e(t) напряжение смещения нейтрали; I_g(t) ток в месте повреждения; Θ(t) ток несимметрии сети, в состав которого входит, в частности регулируемый ток искусственной несимметрии, вводимый для компенсации активной составляющей; U_g(t) напряжение между точкой повреждения сети и землей; E(t) ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети; F(U_g) вольт-амперная характеристика места повреждения; L индуктивность в нейтрали сети (определяющая КЕС); С С_A + C_B + C_C суммарная емкость между фазами сети и землей;
g проводимость, характеризующая активные потери в КНПС;
В основу изложения принципа действия предлагаемого способа положим рассмотрение свойств решений данной системы уравнений, причем начать указанное изложение целесообразно с наиболее простых случаев точной настройки КЕС при условиях точной настройки, недо- и перекомпенсации активной составляющей с относительно высоким напряжением пробоя дугового промежутка в месте ЗНЗ.

На фиг. 1 напряжению 3 U_g(t) в месте повреждения (которое показано на графике в виде кривой 1) соответствует согласно (3) расстояние от кривой 1, изображающей ЭДС E(t), до кривой 2, изображающей напряжение e(t) смещения нейтрали. При достижении напряжением U_g(t) напряжения U_d пробоя дугового промежутка в месте ЗНЗ (момент t_o на фиг.1), последний ионизируется и его проводимость многократно возрастает. При этом мгновенное значение тока I_g(t) быстро увеличивается с нулевой до весьма большой величины (возможно килоамперы), что означает появление значительной величины в правой части уравнения (1). Подобное воздействие на левую часть уравнения (1) приводит к быстрому (практически скачкообразному) изменению напряжения e(t) смещения нейтрали в сторону приближения его к значению E(t_o), что влечет за собой уменьшение напряжения U_g(t) в месте повреждения, а также, согласно (2), уменьшению (по абсолютной величине) тока I_g(t) в месте ЗНЗ. По истечении отрезка времени δ (обычно короткого, определяемого временем перезаряда емкостей между фазами сети и землей), ток I_g(t) уменьшается до некоторой пороговой величины, при которой происходит деионизация дугового промежутка и снижение проводимости в месте ЗНЗ практически до нуля, то есть наступает бестоковая пауза. Таким образом, воздействие на левую часть уравнения (1) в момент дугового пробоя носит характер, близкий к воздействию d-функции, результатом которого можно считать изменение начальных условий данного уравнения. Упомянутые начальные условия, с которых развиваются дальнейшие процессы (после погасания дуги), имеют следующие вид:

Здесь равенство (4) означает, что напряжение e(t) смещения нейтрали к моменту деионизации дугового промежутка становится практически равным ЭДС E(t), действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, а равенство (5) означает, что ток нулевой последовательности (ток дугогасящего аппарата ДГА) за время существования проводящего состояния в месте ЗНЗ не успевает сколько-нибудь заметно измениться (а именно, изменяется на величину δ·e(t_o)/L,, которая мала вследствие малости δ.

Процессы в КНПС во время бестоковой паузы определяется суммой
e(t) e_c(t) + e_b(t) (6)
двух колебательных составляющих: свободной
e_C(t) = e^m_C·e^-λ^tcos(ω_Ct+ϕ_C), (7)
с частотой ω (LC)^-1/2, затуханием λ=g/2C и вынужденной
e_b(t)=e_ocos(ωt+ϕ), (8)
с промышленной частотой ω, амплитудой

и фазой

где Θ_m и ν соответственно, амплитуда и фаза тока
Θ(t) = Θ_mcos(ωt+ν)
несимметрии сети.

При точной настройке КАС амплитуда Θ_m (определяемая искусственной несимметрией, вводимой для осуществления КАС) такова, что соблюдается равенство e_o E_o, где E_o амплитуда ЭДС
E(t) = E_ocos(ωt+β),
действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, а при точной настройке КЕС величина L такова, что соблюдается равенство ϕ=β,, где β фаза упомянутой ЭДС E(t). Если дуговой пробой произошел в точке экстремума функции E(t), то, как несложно увидеть из (1) (8), амплитуда e^m_C свободной составляющей будет равна нулю, следовательно, кривая e(t) с точностью до высших гармоник совпадет с кривой E(t). При этом, напряжение Ug(t) в месте повреждения будет тождественно равно нулю, дуговые пробои больше не повторятся и поэтому надобности в изменении настройки КЕС и КАС (при неизменных параметрах КНПС) не возникнет.

Если в сети имеет место недокомпенсация по КАС (в условиях точной настройки КЕС), то для вынужденных колебаний (8) справедливы соотношения e_o<E; ϕ=β.. Решение уравнение (1) при этом таково, что кривая e(t) медленно (в соответствии с декрементом λ затухания свободных колебаний (7)) отклоняется от кривой E(t) в сторону уменьшения амплитуды колебательного процесса, что вызывает, согласно (3), постепенный рост амплитуды напряжения U_g(t) в месте повреждения. При достижении величиной в момент времени t₁ напряжения U_d происходит очередной дуговой пробой и процесс повторяется (моменты t₂, t₃ и т.д. на фиг.1). Дифференцирование сигнала e^*(t), который представляет собой напряжение e(t) смещения нейтрали, предварительно отфильтрованное, согласно формуле изобретения, от колебательных высокочастотных составляющих, дает последовательность однополярных (положительных или отрицательных для каждого из дуговых пробоев) импульсов, возникающих в моменты t_i дуговых пробоев. Указанные импульсы значительно превосходят по абсолютной величине амплитуду сигнала рассматриваемой производной, имеющего место в промежутках между дуговыми пробоями (то есть во время бестоковых пауз). Поэтому на фиг.1 4 производная (под которой всюду подразумевается производная именно отфильтрованного сигнала e^*(t)) во время бестоковых пауз изображается равной нулю. Ниже показано, что знаки рассматриваемых импульсов несут информацию о настройке КАС и КЕС.

При точной настройке КЕС (то есть при ω_C≃ω и ϕ-β), во время бестоковой паузы, напряжение e(t) практически синфазно с ЭДС E(t), причем , и, следовательно, напряжение U_g(t) синфазно (при недокомпенсации по КАС, фиг.1) или находится в противофазе (при перекомпенсации по КАС, фиг.2) с данной ЭДС. Поэтому дуговые пробои в указанных условиях возникают вблизи экстремумов напряжения U_g(t), а следовательно вблизи экстремумов e(t) и ЭДС E(t), то есть в моменты времени, когда , i 1, 2, 3, что и отражено на фиг.1. Далее, из того обстоятельства, что при каждом t следует, что при недокомпенсации по КАС (то есть в ситуации, отображенной на фиг.1) знаки в дискретные моменты t_i, i 1, 2, 3 дуговых пробоев совпадают со знаками ЭДС E(t) в эти же моменты t_i. Поэтому синхронное детектирование сигнала 4, то есть, производной сигналом, пропорциональным ЭДС E(t), даст последовательность однополярных (положительных) импульсов (позиция 5 на фиг.1), результат 6 осреднения которых также будет положительным. Результат же синхронного детектирования упомянутой производной сигналом, сдвинутым на 90^o относительно ЭДС Е(t), будет близким к нулю, поскольку дуговые пробои приходятся на такие моменты времени, когда опорный сигнал близок к нулю. После предусмотренного формулой изобретения осреднения по времени он тем более будет близок к нулю, так как импульсы, полученные в результате синхронного детектирования, скорее всего не будут однополярными.

В случае перекомпенсации по КАС (как и ранее в условиях точной настройки КЕС), для вынужденных колебаний в напряжении e(t) смещения нейтрали справедливы соотношения e_o>E_o; ϕ=β.. Указанный случай проиллюстрирован на фиг.2. Во время каждой бестоковой паузы решение уравнения (1) таково, что e(t) (кривая 2) медленно (в соответствии с параметром λ) отклоняется от кривой E(t) в сторону нарастания амплитуды колебательного процесса, что, как и в предыдущем случае, приводит к постепенному росту амплитуды напряжения U_g(t) в месте повреждения. Если величина превысит напряжение U_d пробоя поврежденной изоляции, то в момент t₁ произойдет очередной дуговой пробой и процесс повторится (дальнейшие пробои следуют в моменты времени t₂, t₃ и т. д. на фиг. 2). Согласно изложенному выше, дуговые пробои происходят вблизи экстремумов ЭДС E(t), то есть при , k 0, 1, 2, 3 ( фиг.2), однако, поскольку в рассматриваемой ситуации в отличие от ранее рассмотренной недокомпенсации по активной составляющей, знаки в моменты t₁ дуговых пробоев противоположны знакам ЭДС E(t) (кривая 1) в эти же моменты. Поэтому синхронное детектирование сигнала производной сигналом, пропорциональным ЭДС E(t), даст последовательность однополярных, отрицательных импульсов (позиция 5 на фиг.2), результат 6 осреднения которых также будет отрицательным. Результат же синхронного детектирования сигнала упомянутой производной опорным сигналом, сдвинутым на 90^o относительно ЭДС E(t) так же, как и в предыдущем случае, будет близок к нулю по тем же причинам.

Нетрудно увидеть, что при низком напряжении пробоя дугового промежутка в месте ЗНЗ в обоих случаях может происходить по несколько дуговых пробоев в течение каждого полупериода, которые, однако, располагаются практически симметрично относительно моментов , k 0, 1, 2, 3, и поэтому отмеченные выше свойства результатов осреднения U_a и U_т полностью сохраняются.

Далее, рассмотрим случай перекомпенсации по емкостной составляющей в условиях отсутствия КАС, то есть при e_o≃0; ω_C>ω, ϕ>β, который иллюстрируется на фиг. 3. При указанных условиях, в решении e(t) уравнений (1) (3) доминирует свободная составляющая (7). Поскольку ω_C>ω,, то после каждого дугового пробоя (в моменты t_o, t₁, t₂ и т.д.) и наступления очередной бестоковой паузы, напряжение e(t) (кривая 2) отклоняется от E(t) (кривая 1) в сторону опережения, то есть вниз от кривой E(t) на ее падающих участках и вверх от нее на восходящих участках. В результате, как и ранее, появляется и постепенно нарастает (по абсолютной величине) напряжение U_g(t) в месте повреждения, будучи при этом положительным на падающих участках ЭДС E(t) и отрицательным на ее восходящих участках. По достижении этим напряжением порога U_d пробоя дугового промежутка места ЗНЗ вследствие воздействия очередного дугового пробоя, как и ранее, происходит скачкообразная установка соотношения (4) (при сохранении равенства (5)). При этом (производная 4) в момент скачка положительна на падающих участках E(t) и отрицательна на восходящих участках. Так как падающим участкам E(t) соответствуют участки с положительными значениями опорного сигнала 7, сдвинутого на 90^o по отношению к ЭДС E(t), синхронное детектирование производной 4 опорным сигналом 7 даст последовательность однополярных, отрицательных импульсов 9 (фиг.3), среднее значение которых также отрицательно. Кроме того, как видно из фиг.3, большинство дуговых пробоев с положительной производной 4 происходит при положительных значениях ЭДС E(t), а большинство дуговых пробоев с отрицательной производной 4 при отрицательных значениях ЭДС 1. Поэтому результатом синхронного детектирования сигнала 4 (фиг.3) опорным сигналом 1 является последовательность импульсов 5, среди которых преобладают положительные, что определяет положительный знак среднего значения U_a (фиг.3), как это и должно быть в случае недокомпенсации (или отсутствия компенсации) активной составляющей. При введении КАС, то есть при появлении в решении (6) уравнений (1) (3) ненулевой вынужденной составляющей (8), растет число дуговых пробоев с положительной производной 4, попадающих на отрицательные значения ЭДС 1 E(t) и наоборот (то есть с отрицательной производной 4, попадающих на положительные значения ЭДС 1 E(t)). В этом случае соотношение между положительными и отрицательными импульсами 5 в сигнале U_a смещается в сторону отрицательных импульсов, что приводит к уменьшению среднего значения U_a, которое достигает нуля при e_o≃ E_o,, то есть вблизи точной настройки КАС. В случае дальнейшего роста КАС отрицательные импульсы 5 начинают преобладать над положительными, то есть при перекомпенсации активной составляющей среднее значение U_a становится отрицательным.

Наконец, в случае недокомпенсации по емкостной составляющей при отсутствии КАС выполняются следующие условия: e_o≃ 0, ω_C<ω, ϕ<β. Данный случай иллюстрируется на фиг.4. Из-за того, что ω_C<ω, после каждого дугового пробоя (в моменты t_o, t₁, t₂ и т.д.) кривая e(t) (позиция 2 на фиг 4) отклоняется от кривой 1 E(t) в сторону отставания, то есть, вверх от кривой E(t) на ее падающих участках и вниз от нее на восходящих участках. Вследствие этого производная в момент скачка отрицательна на падающих участках E(t) и положительна на восходящих участках ЭДС E(t) (позиция 4 на фиг.4). Результат синхронного детектирования импульсов 4 опорным сигналом 7 показан на фиг.4 в позиции 8 и представляет собой последовательность положительных импульсов 9 (что влечет за собой положительный знак среднего значения U_т). Кроме того, на фиг.4 так же, как и на фиг.3 большинство дуговых пробоев с положительной производной 4 происходит при положительных значениях ЭДС E(t) и наоборот, что определяет преобладание положительных импульсов в результате 5 синхронного детектирования сигнала 4 опорным сигналом 1 и как следствие положительный знак среднего значения U_a (что и должно происходить при недокомпенсации активной составляющей). Как и ранее, при введении КАС происходит смещение соотношения положительных и отрицательных импульсов в сигнале 5 и изменение знака среднего значения 6U_a вблизи точки точной настройки КАС. Описанные свойства средних значений сохраняются при изменениях напряжения пробоя дугового промежутка в месте ЗНЗ.

Из изложенного следует, что знак осредненного сигнала U_т соответствует расстройке по КЕС, а знак осредненного сигнала 6 U_a - расстpойке по КАС и, следовательно, названные переменные могут использоваться для автонастройки соответственно КЕС и КАС (с использованием, например интегрального, пропорционально-интегрального, пропорционально-интегрально-дифференциального или более сложных способов регулирования).

Функционирование данного способа можно дополнительно пояснить в частотных терминах. При этом следует обратить внимание на то обстоятельство, что импульсы функции , возникающие в моменты дуговых пробоев, синхронны и синфазны с импульсами тока I_g(t) в месте повреждения. Поэтому результаты операций синхронного детектирования функции несут ту же информацию, что и измерение фазы первой гармоники тока I_g(t) (в том случае, если дуговые пробои возникают периодически), который ненаблюдаем со стороны системы автокомпенсации. Фаза же первой гармоники указанного тока несет, как известно, информацию о величинах и знаках расстроек компенсации.

Для того, чтобы определить значение фазы β ЭДС E(t), действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, можно использовать отмеченное выше свойство напряжения e(t), смещения нейтрали становиться равным мгновенному значению ЭДС E(t) в момент прекращения дугового процесса в месте ЗНЗ (которое отражено в соотношении (4)). Если предположить, что первый дуговой пpобой происходит в момент t₀ максимума (по абсолютной величине) напряжения U_g(t) в месте повреждения, то есть в момент максимума (по абсолютной величине) ЭДС
E(t) = E_ocos(ωt+β), (11)
действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, то из упомянутого условия максимума: находим:

При этом считаем, что мгновенная фаза ωt_o приведена к отрезку [0, 2π]. Таким образом, для первоначального нахождения фазы β необходимо выполнить следующие действия: выявить дуговой пробой в месте ЗНЗ, определить мгновенную фазу wt_o момента t₀ этого пробоя и вычислить искомую фазу β согласно (12). Для распознавания моментов дуговых пробоев можно воспользоваться, например импульсами, возникающими в эти моменты при дифференцировании напряжения e(t) смещения нейтрали согласно заявляемому способу.

Если зарегистрировано более одного дугового пробоя с момента возникновения ЗНЗ, то можно повысить точность определения фазы b, отказавшись от предположения о том, что дуговые пробои происходят в моменты максимумов абсолютной величины ЭДС E(t) и воспользовавшись вместо этого дополнительной информацией о мгновенных фазах wt_i моментов t_i других дуговых пробоев и о мгновенных значениях e(t), напряжения e(t) смещения нейтрали в указанные моменты. Действительно, записав соотношение (4) для двух дуговых пробоев, произошедших в соседние моменты времени t_i-1 и t_i, получим следующую систему уравнений:


Данная система совместима в том случае, если
sinω(t_i-1-t_i)≠0, (15)
то есть, если величина ω(t_i-1-t_i) не кратна π.. Ее решение дает следую- щее выражение для фазы β:::

Таким образом, если в сети произошло более одного дугового пробоя (в моменты времени t_i-1 и t_i, для которых выполняется условие (15)), то для определения фазы β следует зафиксировать мгновенные фазы wt_i-1 и ωt_i моментов пробоя, определить мгновенные значения e(t_i-1) и e(t₁) напряже- ния смещения нейтрали в эти моменты и вычислить упомянутые фазу сог- ласно выражению (16).

Если в течение ЗНЗ имела место серия из нескольких дуговых пробоев, то целесообразно определить фазу β опи- санным выше способом для каждой пары дуговых пробоев и затем осреднить полученные значения фазы b.. Простейшими и достаточно эффективными способами осреднения являются определение среднего арифметического по всем произошедшим к данному моменту дуговым пробоям или определение скользящего среднего по некоторому заранее заданному числу дуговых пробоев.

Дополнительное повышение точности определение фазы β достигается привлечением априорной информации о том, что конец вектора действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети должен располагаться либо на одной из сторон треугольника линейных ЭДС, если ЗНЗ произошло или в одной из обмоток, соединенных в треугольник, либо на одном из лучей звезды фазных ЭДС, если ЗНЗ произошло или в одной из обмоток, соединенных в звезду, или в фазном проводнике сети. Привлечение ука- занной априорной информации означает, что полученная в результате пре- дыдущих действий величина β должна быть скорректирована путем прое- цирования вектора , параметры которого определены в ходе описанных выше действий, на ближайшую из сторон треугольника линейных ЭДС или на ближайший из лучей звезды фазных ЭДС. Для этого, при каждом из дуговых пробоев, дополнительно к перечисленным выше действиям, определяют амплитуду , действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, следующим образом:
если имеется информация только лишь о первом пробое в момент времени t₁, то полагают:

если имеется информация о двух дуговых пробоях в моменты времени t_i-1 и t_i, для которых выполняется условие (15), то по- лагают

если имеется информация более чем о двух пробоях, то для каждой пары из них определяют величину по формуле (18), после чего полученные величины осредняют.

Далее, определяют ту фазу (А, В или С) сети, для которой абсолютная величина отклонения ϕ=β-α_i значения фазы β ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети от значения α_i фазы фазной ЭДС E_i=E_mcos(ωt+α_i) не превышает π/3, а затем, если удовлетворяется условие

где E_m амплитуда фазной ЭДС сети, то скорректированную величину фазы β ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, считают равной фазе a_i упомянутой фазной ЭДС; в противном слу- чае, то есть, если условие (19) не удовлетворяется, то проверяют вы- полнение другого условия:

и, если данное условие выпол- няется, то также полагают β=α_i. Если же условия (19), (20) не выполняет- ся, то величину β определяют по следующей формуле:

Для исключения влияния на автонастройку компенсации высокочастотных помех, присутствующих в напряжении смещения нейтрали, последнее перед выполнением операции дифференцирования должно быть подвергнуто фильтрации для подавления составляющих, лежащих вне спектра процессов в КНПС при дуговых ЗНЗ (ориентировочно с частотами свыше 10 кГц). Поскольку форма сигнала в течение дугового пробоя не несет информации о знаках и величинах расстроек по КАС и КЕС, данный сигнал целесообразно ограничить сверху и снизу. Ограничение же при достаточно большом усилении приводит, по сути дела, к превращению данного сигнала в логический, что упрощает реализацию операций синхронного детектирования.

Заявляемый способ не использует присущего всем известным способам автокомпенсации предположения о том, что ЗНЗ произошло именно между фазой сети и землей. Поэтому он не требует распознавания поврежденной фазы. Благодаря данной особенности способ работоспособен при возникновении ЗНЗ не только в фазных проводниках сети, но также и в обмотках нагрузок или питающих сеть трансформаторов, соединенных как в звезду, так и в треугольник. Информацию о фазе ЭДС E(t) при этом можно получать, например, по результатам измерений мгновенных фаз моментов дуговых пробоев и мгновенных значений напряжения e(t) смещения нейтрали в указанные моменты времени. Более того, данный способ принципиально не нуждается и в распознавании режимов работы сети поскольку при отсутствии дуговых пробоев в нормальном режиме работы сети или в режимах бездуговых ЗНЗ (для которых способ не предназначен) он формирует нулевые уравнения. Затем, однако, что распознавание режимов может понадобиться в тех случаях, когда в информации о режиме нуждаются используемые способы осуществления КАС или КЕС, или же когда заявляемый способ комбинируется с другими способами автонастройки компенсации. Благодаря относительной независимости знака управления по КАС от расстройки по КЕС (и наоборот) улучшаются динамические свойства систем, реализующих заявляемый способ. В связи с тем, что управления в предлагаемом способе формируются обработкой функции , имеющей импульсный характер (в режиме перемежающегося дугового ЗНЗ), их абсолютные величины растут с ростом частоты пробоев, например из-за больших расстроек или низкого напряжения пробоя дугового промежутка. Данное обстоятельство делает весьма эффективным комбинирование заявляемого способа с другими известными способами автонастройки компенсации, включая способ-прототип.

Из-за относительной сложности действий, предусмотренных заявляемым способом, целесообразна реализация его на микропроцессорной основе.

Рассмотрим функционирование устройства, реализующего заявляемый способ и показанного на фиг.5. Основу устройства составляет процессор 26 с постоянным (ПЗУ) и оперативным (ОЗУ), запоминающими устройства (ПРЗУ), который следующим образом взаимодействует с другими блоками устройства. Процессор 26 считывает очередную команду программы из ПЗУ, декодирует ее и затем выполняет, обращаясь при этом, в соответствии с содержанием команды, к ОЗУ или к ПЗУ блока 26, а через шину 27 также и к дополнительному блоку 25 сопряжения сигналов ДБСС, таймеру 35, к контроллеру 31 прерываний, к портам 28, 29 и к блокам 35 и 36 формирования управления БФУВ и БФУР по активной и реактивной составляющим. При поступлении фронта сигнала на один из входов Ir1.Ir3 контроллера 31 прерываний 1, последний, взаимодействуя с блоком 26 ПРЗУ, заставляет его прервать выполнение текущей программы, выполнить одну из процедур обработки прерываний, записанных в ПЗУ блока 26 ПРЗУ, и возвратиться затем к выполнению прерванной программы.

Рассмотрим далее процесс общей синхронизации устройства промышленной частотой. Сигнал U_AB(t), пропорциональный линейному напряжению сети между фазами А и В, формируется измерительным трансформатором напряжений 13 (фиг. 2), подается на вход нуль-компаратора 32 блока БУК (фиг.7) и далее проходит через формирователь 33 и 34 импульсов, исключающие дребезг, соответственно, на спаде и на фронте этого сигнала. Фронт сигнала на выходе формирователя 33, возникающий практически одновременно с переходом линейным напряжением U_AB(t) через нуль (из отрицательных значений в положительные), перезапускает таймер 35. Таймер 35 начинает счет тактовых импульсов, которые поступают на его счетный вход "с" с частотой, на 3 5 порядков превышающей частоту сети. Счет начинается с кода, приблизительно соответствующего длительности полупериода сети. В результате по коду, считанному из данного таймера блоком 26 ПРЗУ в любой момент t времени, несложно восстановить мгновенную фазу ωt момента t считывания, а по разности кодов, считанных синхронно с какими-либо событиями промежуток времени между этими событиями. При описанном способе синхронизации отсчет всех фазовых сдвигов осуществляется относительно линейного напряжения U_AB(t) (которое имеет в этой связи нулевой фазовый сдвиг). В момент прохождения кода таймера 35 через нулевое значение формируется импульс на его выходе, который инициирует (посредством контроллера 31 прерываний) вызов блоком 26 ПРЗУ процедуры обработки прерывания по входу Ir1 контроллера 31. Данная процедура предусматривает опрос (посредством порта 28 П1) состояния компаратора 32 в тот момент времени, когда мгновенная фаза ωt по показаниям таймера 35 равна π. Так как в этот момент сигнал U_AB(t) должен проходить через нуль, по состоянию компаратора 32 (то есть, по сигналу на выходе формирователя 34) можно судить о соответствии выдержки времени таймера 35 действительной длительности Т полупериода при данной частоте сети, а также отрегулировать ее, то есть несколько увеличить эту выдержку, если на выходе формирователя 34 присутствует логический ноль (U_AB<0) или уменьшить ее в противном случае (что также должно быть предусмотрено процедурой обработки прерывания по входу Ir1 контроллера 31). Образовавшаяся таким образом следящая система, отслеживая изменения частоты сети, исключает их влияние на функционирование устройства.

В нормальном режиме работы сети в сигнале напряжения e(t) смещения нейтрали отсутствуют какие-либо скачкообразные изменения, поэтому отсутствуют также и импульсы на входе Ir2 контроллера 31 прерываний. Блок 17 в рассматриваемом режиме переведен (сигналом z порта 29) в состояние инерционного звена с малой постоянной времени (для чего аналоговый ключ 20 подсоединяет вход операционного усилителя 18 к точке соединения резисторов 21, 22) и поэтому отслеживает подаваемое на его вход напряжение e(t) смещения нейтрали. Прерывание по входу Ir3 контроллера 31 вызывается в том случае, если сигнал g на выходе порта 2 не соответствует сигналу h на выходе компаратора 24 (вследствие чего на выходе логического элемента 30 "НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ" появляется логическая "единица", которая как раз и вызывает данное прерывание). Процедура обработки прерывания по входу Ir3 приводит в соответствие выходной сигнал g порта 31 с выходным сигналом h компаратора 24. Такое соответствие является нормальным состоянием рассматриваемого примера устройства. Устройство в нормальном режиме работы сети должно либо поддерживать некоторую заданную настройку КЕС, например сохранившуюся от предыдущего режима ЗНЗ, либо осуществлять предварительную (резонансную) настройку КНПС, реализуя какой-либо из известных способов. Необходимые для этого сигналы формируются блоком 25 ДБСС. Управление исполнительными органами 37 и 38 производится блоком 26, согласно реализуемой в нормальном режиме программе, посредством интерфейсных блоков 35 и 36 (устройство которых определяется как выбранными способами КАС и КЕС, так и устройством блоков 37 и 38).

При возникновении в сети дугового ЗНЗ, скачкообразное изменение напряжения e(t) смещения нейтрали, измеренного блоком 13 ИТН и переданного через фильтр 14 Ф1 (подавляющий высокочастотные помехи) на дифференциатор 15, формирует на выходе последнего импульсный сигнал соответствующего знака. Данный сигнал преобразуется ограничителем 16 (который представляет собой, например релейное звено с зоной нечувствительности) в кратковременный сигнал фиксированного уровня (или в двухразрядный логический сигнал, один из разрядов которого является знаковым) и подается на входы контроллера 31 прерываний и порта 28.

Кроме того, скачкообразное изменение напряжения e(t) смещения нейтрали отслеживается инерционным звеном с малой постоянной времени (элементы 18 22 на фиг.5). Импульс на входе Ir2 контроллера 31 прерываний заставляет последний инициировать вызов соответствующей процедуры обработки прерывания, в процессе выполнения которой блок 26 ПРЗУ считывает и запоминает в ОЗУ содержимое таймера 35 (то есть фиксирует информацию о мгновенной фазе wt_o момента t₀ дугового пробоя), состояние порта 28 (то есть фиксирует информацию о знаке производной в момент пробоя), а также посредством порта 28 П1 считывает и запоминает в ОЗУ значение сигнала h, то есть по сути дела знак мгновенного значения e(t_o+δ) напряжения e(t) смещения нейтрали сразу после пробоя. Помимо этого, в процессе выполнения данной процедуры блок 26 ПРЗУ изменяет сигнал z на выходе порта 29, вследствие чего блок 1 переходит в режим преобразования во временной интервал того мгновенного значения e(t_o+δ) напряжения e(t) смещения нейтрали, которое было зафиксировано сразу же после дугового пробоя. В указанном режиме аналоговый ключ 20 устанавливается в положение, показанное на фиг.5, и выходное напряжение интегратора (на элементах 18, 19 и 23) начинает изменяться с постоянной скоростью в сторону уменьшения по абсолютной величине (независимо от знака e(t_o+δ)).).

По истечении некоторого отрезка времени Δt (пропорционального мгновенному значению e(t_o+δ) напряжение e(t) смещения нейтрали сразу после дугового пробоя) сигнал на выходе указанного интегратора достигнет нуля, а затем изменит знак. В момент смены знака сигнала на выходе операционного усилителя 18 нарушается соответственно между сигналами h и g, в результате чего появляется логическая "единица" на выходе элемента 30 и контроллер 31 прерываний инициирует вызов блоком 26 ПРЗУ процедуры обработки прерываний по входу Ir3. Указанная процедура считывает и запоминает в ОЗУ блока 26 содержимое таймера 35, приводит в соответствие сигналы h и g и снова изменяет сигнал z, возвратив этим блок 17 в режим инерционного звена с малой постоянной времени. Устройство оказывается подготовленным к получению аналогичной информации при следующем дуговом пробое (если он произойдет). Описанными действиями готовится исходная информация для автонастройки КЕС и КАС в соответствии с формулой изобретения.

Далее блок 26 ПРЗУ обрабатывает полученную информацию. На основании разницы в содержимом таймера 35, считанном в момент изменения знака сигнала на выходе интегратора (прерыванием по входу Ir3) и считанном в момент t_o+δ дугового пробоя (прерыванием по входу Ir2), определяется абсолютная величина напряжения смещения нейтрали, имевшая место сразу после дугового пробоя, а по состоянию сигнала g в момент пробоя знак этого напряжения. По содержимому таймера 35 в момент t_o+δ определяется также мгновенная фаза ωt_o момента пробоя. На основании полученных данных блок 26 ПРЗУ рассчитывает по формуле (12) фазу β ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, которая является фазой первого опорного сигнала
b_r(t)=cos(ωt+β), (22)
а также фазу второго опорного сигнала

(см. формулу изобретения). Для выполнения предусмотренных формулой изобретения операций синхронного детектирования блок 25 ПРЗУ вычисляет величины


которые используются далее этим же блоком для формирования управлений по КАС и по КЕС в соответствии с интегральным, пропорционально-интегральным, пропорционально-интегрально-дифференциальным или более сложными способами регулирования.

При появлении последующих пробоев устройство действует аналогичным образом, однако информация, собранная в процессе выполнения процедур обработки прерываний по входам Ir2, Ir3 блока 31 КП, обрабатывается несколько иначе. Имеется в виду, что по вычисленным (как и ранее) величинам ωt_i и e(ωt_i), для каждого из последующих пробоев блоком 26 ПРЗУ определяются величины βʹ и согласно выражениям, соответственно, (16) и (18), которые затем осредняются и используются этим же блоком 26 для коррекции величины β описанным выше способом (зависящим от выполнения условия (19), (20)). Полученная величина b, как и ранее используется блоком 26 ПРЗУ при выполнении операций синхронного детектирования в соответствии с выражениями (24), (25), результаты которых, в свою очередь, используются при формировании управлений по КАС и по КЕС.

По мере достижений точной настройки по КАС и по КЕС дуговые пробои в месте ЗНЗ прекращаются, с ними прекращаются вызовы процедуры обработки прерывания по входу Ir2 контроллера 31 прерываний, управления по КАС и по КЕС принимают нулевые значения и устройство далее поддерживает достигнутый режим полностью компенсированной нейтрали.

Для передачи в исполнительные органы 37 ИОР ДГА и 38 ИОА компенсатора активной составляющей, управлений по КАС и по КЕС, полученных блоком 26 ПРЗУ в цифровой форме, служат блоки формирования управлений, соответственно, 36 БФУР и 35 БФУА. Принципы действия блоков определяются применяемыми способами КАС и КЕС, а также принципами действия исполнительных органов 37 и 38. Так, например, если исполнительным органом 37 ИОР ДГА (по аналогии с устройством, реализующим способ-прототип) является тиристорный ключ в цепи разомкнутого треугольника вторичных обмоток трансформатором Бауха совместно с цепями гальванической развязки и датчиками запирания тиристоров, ток блок 36 БФУР представляет собой программируемый таймер, определяющий выдержку времени между моментом запирания тиристорного ключа и моментом подачи на него очередного отпирающего импульса. Если исполнительным органом 37 ИОР является управляемый выпрямитель дугогасящего реактора с подмагничиванием, то блок 36 БФУР представляет собой программируемый таймер с цепями синхронизации и гальванической развязки, который определяет угол отпирания тиристоров управляемого выпрямителя. Если исполнительным органом 37 ИОР является привод плунжерного дугогасящего реактора, то блок 36 БФУР представляет собой выходной (выводящий информацию) порт с цепями гальванической развязки, сигналы которого управляют пускателями привода реактора. Далее, если исполнительным органом 38 ИОА компенсатора 12 активной составляющей является (по аналогии с устройством, реализующим способ-прототип) тиристорный ключ в цепи дополнительного дросселя, то построение блока 35 БФУА аналогично построению блока 36 БФУР для того же случая. Необходимый для функционирования подобного компенсатора активной составляющей сигнал ρ "режим", определяющий состояние его коммутационных устройств, формируется блоком 26 ПРЗУ и передается через выходной порт 29 П2. Если же блоком 38 ИОА является однофазный зависимый инвертор, по аналогии с (Обабков В.К. Целуевский Ю.Н. Способ компенсации токов однофазного замыкания в трехфазной сети с дугогасящим реактором. Авт. св. СССР N 1264263, кл. Н 02 Н 9/08), то построение блока 35 БФУА аналогично описанному выше построению блока 36 БФУР для случая дугогасящего реактора с подмагничиванием.

Следует заметить, что в условиях точной настройки КАС и КЕС изменение параметров ЗНЗ, включая восстановление диэлектрической прочности изоляции, никак не сказывается на первых гармониках напряжений и токов в сети. Поэтому очевидно, что для распознавания факта устранения повреждения и восстановления нормального режима работы сети требуется выполнение ряда действий. При этом, можно воспользоваться каким-либо известным способом распознавания и восстановления нормального режима работы сети, например, предложенным в прототипе. Необходимые для этого сигналы формируются блоком 25 ДБСС. Этот же блок используется для формирования недостающих входных сигналов в том случае, когда предполагается, что в устройстве автонастройки компенсации будут комбинироваться заявляемый способ с какими-либо другими (известными) способами (например со способом-прототипом).

Формула изобретения

Способ автонастройки компенсации емкостной и активной составляющих при дуговых замыканиях на землю, согласно которому измеряют напряжение смещения нейтрали и формируют управляющие сигналы для компенсации активной и емкостной составляющих токов замыкания на землю, отличающийся тем, что определяют значение фазы ЭДС, дифференцируют, ограничивают и синхронно детектируют двумя взаимно ортогональными опорными сигналами, фазу первого из которых устанавливают равной фазе ЭДС, фазу второго устанавливают равной отличающейся от вышеупомянутой фазы ЭДС на 90^o и первый полученный результат используют для формирования управляющего сигнала для компенсации активной составляющей тока замыкания на землю, а второй для формирования управляющего сигнала для компенсации емкостной составляющей тока замыкания на землю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5