ГЛАВА X
АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА КОМПЕНСАЦИИ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ 1. Принципы автоматической настройки компенсации емкостного тока основной частоты
Известен ряд принципов, используемых в устройствах для (АНК) емкостного тока замыкания на землю: по модели сети; по реактивным проводимостям; по фазовым характеристикам; по экстремальным характеристикам; по частотным параметрам; по постоянной времени восстановления напряжения поврежденной фазы; по соотношению величин параметров нулевой последовательности сети.
Данные принципы измерения настройки компенсации являются косвенными, так как место замыкания фазы в сети неизвестно и ток в точке повреждения не может быть непосредственно измерен. Косвенные принципы регулирования обладают определенной погрешностью, которая должна оцениваться в каждом конкретном случае.
В устройствах, осуществляющих настройку по модели сети, может применяться математическая модель на основе аналоговых элементов или цифровых вычислительных устройств. При этом моделируется каждый участок сети с соответствующими параметрами, а настройка ведется в зависимости от ее конфигурации [114]. На практике устройства по данному принципу не нашли широкого внедрения из-за следующих недостатков: значительная погрешность настройки компенсации, вызванная изменением емкости отдельного участка сети от первоначального значения и отклонением частоты; сложность передачи информации о состоянии сети по каналам телеуправления.
Системы настройки компенсации по проводимостям могут быть выполнены на основе измерения полной реактивной проводимости контура нулевой последовательности (КНП) сети, емкостной проводимости или же по разности емкостной проводимости сети и проводимости реактора [11, 13, 14, 21].
В устройствах настройки компенсации по экстремальным характеристикам сети (в нормальном режиме ее работы) определяют экстремум напряжения нейтрали или тока дополнительного источника, вводимого в нейтраль сети, а при замыкании на землю — минимум напряжения поврежденной фазы. Известны системы настройки компенсации с использованием экстремальных характеристик КНП сети [11, 35, 69, 71) и контура заземляющий трансформатор — сеть [70].
В системах, работающих по фазовому принципу регулирования, в нормальном режиме работы сети измеряют фазу напряжения (тока) нейтрали по отношению к опорному напряжению, а в режиме замыкания — напряжения поврежденной фазы сети. Для повышения точности настройки компенсации по фазовому принципу необходимо создать жесткую несимметрию проводимостей сети или же подключить к сети источник опорного напряжения [115, 117].
В системах настройки по частотным характеристикам измеряют частоту свободных колебаний в КНП сети при естественных и искусственных переходных процессах или же при принудительной модуляции одного из параметров КНП сети [12].
При автоматической настройке компенсации по отношению величин в сеть вводят источник тока непромышленной частоты, а настройку проводят по отношению тока или напряжения непромышленной частоты на ДГР к вводимому напряжению. Если источник непромышленной частоты подключают параллельно реактору, то настройку ведут по отношению токов непромышленной частоты, протекающих через источник и нейтраль сети [13].
Следующий известный принцип — настройка компенсации в режиме однофазного замыкания на землю по постоянной времени восстановления напряжения на поврежденной фазе [11, 50]. Здесь постоянная времени — время, в течение которого напряжение на поврежденной фазе достигает своего номинального значения после обрыва заземляющей дуги.
Перейдем к более подробному описанию перечисленных выше принципов автоматической настройки компенсации.
АНК по модели сети. На рис. 64, а и б приведены схемы устройства АНК по модели сети. Устройство состоит из двух основных частей: задающего устройства (ЗУ) и следящей системы. Емкости каждой линии сети могут быть смоделированы в определенном масштабе, например активными сопротивлениями. Сезонные изменения общей емкости сети корректируются дополнительным сопротивлением r-кор. Дугогасящий реактор можно смоделировать потенциометром, ползунок которого жестко связан с указателем тока реактора. Высоковольтные выключатели моделируются контактами реле.
Рис. 64. Блок-схема (а) и упрощенная схема (б) устройства АНК по модели сети, а также схема электрической сети (в):1— задающее устройство, 2 — сравнивающий элемент, 3— фазочувствительный усилитель; 4 — реверсивный контактор, 5— электродвигатель; 6 — дугогасящий реактор, 7 — элемент обратной связи; 8 —электрическая сеть. 9 —реле напряжения
При коммутации выключателей в сети по схемам дистанционного или телеуправления сигналы поступают в ЗУ и коммутируют соответствующие реле. Одновременно изменяется проводимость ЗУ и фаза напряжения рассогласования мостовой схемы. При этом на выходе фазочувствительного усилителя появляется сигнал определенной полярности, включается реверсивный контактор и с помощью двигателя регулируется индуктивность ДГР.
Отрицательная связь следящей системы от ДГР осуществляется через потенциометр. Когда проводимости мостовой схемы уравниваются, ДГР настраивается в резонанс и отключается электродвигатель. В режиме замыкания фазы сети на землю устройство блокируется с помощью максимального реле напряжения.
АНК по реактивным проводимостям контура нулевой последовательности сети. Рассмотрим устройства, работающие на основе измерения общей реактивной проводимости [11, 127, 130, 132]. От вспомогательного источника питания в нейтраль сети подается напряжение, которое прикладывается к КНП сети. Источник питания включается через трансформатор подпитки параллельно или последовательно ДГР или же на его вторичную обмотку (рис. 65). В первом случае однолинейная схема сети может быть представлена параллельным резонансным контуром (рис. 66, а, в), а во втором — последовательным (рис. 66, б).
Рис. 65. Включение дополнительного источника параллельно ДГР (а), на вторичную обмотку ДГР (б), последовательно с ДГР (в):
Т1 — трехфазный силовой трансформатор; Т2—трансформатор подпитки, ТА—трансформатор тока; ОS — разъединитель, QF, QF1, QF2 — автоматические выключатели, Eист —ЭДС дополнительного источника; Lp — индуктивность ДГР; gp — активная проводимость ДГР, Г—сопротивление резистора, БУ — блок управления (регулятор), Y - проводимости фазных проводов относительно земли; 3U0—напряжение нулевой последовательности
Параметры трансформатора выбираются таким образом, чтобы при переходе от нормального режима работы сети к режиму однофазного замыкания резонансная настройка компенсации изменялась незначительно. При включении трансформатора подпитки или источника питания параллельно ДГР (см. рис. 65, а, б) коммутирующее устройство целесообразно включить на их вторичной обмотке, а при последовательном включении (рис. 65, в) — на первичной. Режим замыкания на землю может определяться по напряжению нулевой последовательности, поступающему на БУ, от вторичной обмотки измерительного трансформатора напряжения сети (НТМИ), трансформатора подпитки или ДГР.
Вместо r можно использовать также трансреактор, который в режиме замыкания на землю может не отключаться.
Рис. 66. Однолинейные схемы замещения КНП сети при включении дополнительного источника параллельно ДГР (а), на вторичную обмотку ДГР (б), последовательно с ДГР (в).
rэкв и Lэкв—эквивалентные активное и индуктивное сопротивления ДГР; rр и xр— активное и индуктивное сопротивления, приведенные к фазному напряжению сети; g0, с0— активная проводимость и емкость сети; S1, S2, S3 — ключи
При несимметрии фазных проводимостей сети на ток вспомогательного источника накладывается дополнительный ток и возникают биения, в связи с этим частота источника несколько отличается от основной.
Рис. 68. Блок-схема устройства АПК с компенсометрическим двигателем:
Рис, 67. Схема компенсометрического реле.
1— электрическая сеть; 2 — разделительный трансформатор; 3 — вспомогательный источник питания; 4 — трансформатор тока с дросселем насыщения; 5 — компенсометрический двигатель; 6 — ДГР.
Установлено, что в устройствах с компенсометрическим реле (рис. 67) устойчивая его работа достигается при разнице частот, равной 2% [127]. С помощью реле измеряется полная реактивная проводимость контура нулевой последовательности
где и Uист и Iист— напряжение и ток вспомогательного источника, а φ — угол между ними.
Между неподвижной токовой катушкой КА и подвижной катушкой КV1 создается момент Μ1= Κ1UистIистsiη φ cos φ, а от взаимодействия подвижной катушки KV1 и неподвижной катушки напряжения KV2 возникает вращающий момент М2= K2Uистsin φ (K1 и К2 — коэффициенты пропорциональности). При равенстве моментов Μ1 и М2
т. е. угол поворота подвижной системы реле пропорционален реактивной проводимости. Реле также имеет коррекцию по разности частот и нелинейности реактора при переходе от нормального режима к режиму замыкания.
Известны также устройства автоматической компенсации с двумя компенсометрическими реле [127] и с короткозамкнутым двигателем, вращающий момент которого создается от фазового сдвига между током и напряжением источника питания [130]. На рис. 68 приведена блок-схема регулятора с компенсометрическим двигателем.
Если система регулирования настроена в резонанс, то ток и напряжение источника питания совпадают по фазе и вращающий момент двигателя равен нулю. При несовпадении фаз тока и напряжения возникает вращающий момент, направление которого определяется фазой тока вспомогательного источника. В управляющей обмотке заторможенного двигателя появляются большие токи, и в целях исключения перегрева они компенсируются током насыщенного дросселя с подмагничиванием, направленным навстречу току управления.
Устройства с компенсометрическим реле и двигателем содержат ряд недостатков (сложность и громоздкость схем; наличие постоянно действующего мотор-генератора), поэтому они на практике не нашли широкого применения.
Рассмотрим точность и помехоустойчивость устройств, работающих по принципу измерения полной проводимости контура нулевой последовательности сети.
Рис. 69. Расположение векторов Yн в комплексной плоскости.
На рис. 69 в комплексной плоскости полной реактивной проводимости построены геометрические места векторов Yн и Y0 (t) при изменении относительной емкости сети в пределах 0,7—1, d+p=0,055, v = const и равно 0,05; 0; —0,05, UH равно 0,007; 0,01; 0,025, U0 = 0,5-10-3 и зоны срабатывания измерительного элемента автоматического регулятора, выполненного на реле полной проводимости [40] с параметрами
b1=b2 и внутренним углом сдвига v. Из рисунка видно, что изменение емкости сети приводит к значительному сдвигу линий равной настройки и повышению чувствительности измерительного элемента регулятора. При этом возможна неустойчивая работа (автоколебания) системы авторегулирования. Кроме того, изменение Uн и U0, что на практике всегда имеет место, вызывает смещение линий равных настроек (на рис. 69 выделено точками), т. е. резко ухудшается точность настройки компенсации, а также возможны отказы системы АНК.
Рис. 70. Зависимость расстройки компенсации oт коэффициента настройки компенсации.
При оценке помехоустойчивости системы регулирования в качестве критерия примем значение расстройки компенсации ∆v(t), возникающей в случае воздействия на устройство АНК случайных помех.
Соотношение сигнал/помеха зависит от изменения U0 (t), и его можно представить в виде
(Х.2)
На рис. 70 построены зависимости ∆υ(t) от К (сплошной кривой, если параметры контура нулевой последовательности изменяются линейно, штриховой — нелинейно) при условии, когда математическое ожидание M[m(t)]= σ. Из рисунка видно, что при нелинейном изменении параметров сети расстройка компенсации, вызванная помехами в области перекомпенсации, больше, чем при недокомпенсации, и в худших случаях составляет 0,1. Такая расстройка превышает уставку измерительного элемента и
вызывает ложные срабатывания регулятора. В эксплуатации для отстройки от ложных срабатываний снижают чувствительность измерительного элемента, однако при больших емкостных токах это приводит к недопустимым расстройкам компенсации.
Рис. 71. Схемы устройств АНК по емкостной проводимости сети при включении генератора непромышленной частоты на вторичную обмотку ДГР (а) и к фазам сети (б).
Т— силовой трансформатор, TV1 и TV2 — трансформаторы напряжения ТА1 и ТА2— трансформаторы тока, Z — фильтр, пропускающий наложенный ток; S — быстродействующее коммутирующее устройство БИП блок измерения и преобразования параметров ДГР
На практике также используются устройства АНК, работающие на основе измерения емкостной проводимости сети [13, 14] При этом способе настройки компенсации в нейтраль сети, например через вторичную обмотку ДГР, вводится напряжение непромышленной частоты (рис. 71, а).
Емкостная проводимость сети относительно земли на промышленной частоте пропорциональна измеряемой проводимости
где bc—емкостная проводимость сети на
основной частоте; bс0— емкостная проводимость сети, измеряемая на непромышленной частоте; ω0 — угловая частота источника питания.
При повышенной частоте емкостную проводимость определяют по значению тока источника питания или тока в нейтрали сети, затем измеряют индуктивность реактора и его настраивают [14]. Индуктивность (ток, проводимость) реактора может определяться с помощью соответствующего датчика (потенциометр, сельсин и т. д.) или же специальных устройств измерения и преобразования.
В случае низкой наложенной частоты напряжение на емкости сети, которое на блок управления подается со вторичной обмотки измерительного трансформатора ТН, поддерживают постоянным, а емкостную проводимость измеряют по току той же частоты, протекающему через нейтраль сети [14].
Недостатком таких устройств является влияние сопротивления изоляции сети на точность измерения емкостной проводимости сети. Кроме того, устройства, работающие по данному и другим известным принципам измерения, не могут быть использованы в сетях с большой несимметрией проводимостей фазных проводов относительно земли, где резонансная настройка ДГР вызывает недопустимые смещения нейтрали. В таких сетях используется устройство, функциональная схема которого приведена на рис. 71, б. Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети коммутатор 5 отключен. По сигналу, поступающему на блок управления БУ от трансформатора тока ТА, определяют емкостную проводимость сети на непромышленной частоте, измеряют индуктивность (проводимость) реактора, затем измеренные величины приводят в соответствие с основной частотой и проводят настройку компенсации. Индуктивность может определяться по току основной частоты, протекающему в цепи реактора, и по напряжению на нем или с помощью дополнительных средств.
В режиме замыкания на землю включается коммутатор и создаются нормальные условия компенсации емкостного тока. Выбор частоты источника питания определяется режимом настройки компенсации. При настройке только в нормальном режиме работы сети частота источника питания выбирается близкой к основной. Если настройка компенсации осуществляется и при замыкании на землю, то частота составляет сотни герц и выше. С увеличением частоты источника питания уменьшается влияние индуктивности ДГР и силового трансформатора Т на точность измерения емкостной проводимости сети. В режиме замыкания на землю с перемежающейся дугой настройка компенсации может проводиться по частоте свободных колебаний в КНП сети, для чего БУ должен содержать соответствующие элементы.
Рис. 72. Однолинейная схема замещения компенсированной сети.
С целью исключения влияния активной проводимости КНП сети на точность измерения емкости сети и увеличения быстродействия работы устройства измерительный элемент БУ выполняется на интегрирующем усилителе с запоминанием и сбросом сигнала в каждый полупериод непромышленной частоты [4].
