Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов контроля и автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазного замыкания в электри ческих сетях 13
1.1. Обоснование направления анализа 13
1.2. Методы контроля и автоматической настройки компенсации емкостных токов, основанные на использовании электрических величин промышленной частоты 15
1.2.1. Общие положения 15
1.2.2. Метод настройки дугогасящих реакторов на основе измерения фазы тока или напряжения дугогасящего реактора (фазовый метод) 19
1.2.3. Фазомодуляционный метод устранения влияния естественной несимметрии проводимостей фаз сети 24
1.2.4. Метод, основанный на сравнении напряжений промышленной частоты на дугогасящем реакторе и емкости сети относительно земли 27
1.2.5. Экстремальный метод настройки дугогасящих реакторов 32
1.2.6. Метод, основанный на модуляции добротности (коэффициента демпфирования) контура нулевой последовательности 37
1.3. Методы, основанные на наложении на сеть токов с частотой, отличающейся от промышленной 39
Выводы 45
2. Принципиальные основы построения устройств контроля относительных параметров контура нулевой последовательности на основе метода наложения токов непромышленной частоты 47
2.1. Общие свойства метода наложения тока непромышленной частоты для измерения относительных параметров контура нулевой последовательности сети 47
2.1.1. Измерение расстройки компенсации емкостного тока однофазного замыкания 47
2.1.2. Измерение коэффициента демпфирования 55
2.1.3. Об одной особенности используемого метода измерения расстройки компенсации и коэффициента демпфирования 58
2.2. О требованиях к точности настройки компенсации емкостного тока однофазного замыкания, исходя из условий ее влияния на гашение дуги и перенапряжения 59
2.2.1. Влияние нелинейности дугогасящих реакторов на время восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрывадуги 67
2.3. Методические погрешности измерения относительных параметров контура нулевой последовательности 75
2.3.1. Схема замещения нулевой последовательности сети и определение ее параметров для оценки методических погрешностей... 76
2.3.2. Методические погрешности измерения расстройки компенсации 82
2.3.3. Методические погрешности измерения коэффициента демпфирования 93
2.3.4. Переход к расчетной схеме замещения с несколькими дугогася-щими реакторами 99
Выводы 101
3. STRONG Разработка функциональных схем устройств для измерения относительных параметров контура нулевой последовательности и автоматической настройки дугогасящих реакторов и
требований к параметрам их основных узлов STRONG 103
3.1. Выбор варианта подключения источника контрольного тока и выполнения устройства для измерения относительных параметров контура нулевой последовательности 103
3.2. Функциональные схемы устройства измерения относительных параметров контура нулевой последовательности 108
3.3. Оценка погрешностей, вызываемых неточностью настройки основных элементов схемы и их нестабильностью 122
3.4. Разработка основных рекомендаций по выполнению элементов и выбору параметров системы автоматической настройки дугогасящих реакторов 139
Выводы 154
4. Техническая реализация системы измерения расстройки компен сации, коэффициента демпфирования и автоматической настрой ки дугогасящих реакторов 156
4.1. Аналоговая часть системы 157
4.2. Обоснование выбора состава и параметров технических средств цифровой части системы 159
4.3. Функциональная схема цифровой части системы 162
4.4. Программное обеспечение системы 165
4.5. Настройка и текущая проверка устройства для измерения относительных параметров контура нулевой последовательности 167
4.6. Испытание и отладка системы автоматического регулирования дугогасящего реактора в динамическом режиме 169
Выводы 171
Заключение
Литература
- Методы контроля и автоматической настройки компенсации емкостных токов, основанные на использовании электрических величин промышленной частоты
- Об одной особенности используемого метода измерения расстройки компенсации и коэффициента демпфирования
- Функциональные схемы устройства измерения относительных параметров контура нулевой последовательности
- Функциональная схема цифровой части системы
Методы контроля и автоматической настройки компенсации емкостных токов, основанные на использовании электрических величин промышленной частоты
Наиболее распространенными являются системы и устройства, осуществляющие настройку компенсации в нормальном режиме работы сети (до замыкания на землю). Кроме этого в ряде работ предложены и разработаны системы, которые настраивают дугогасящий реактор только после возникновения замыкания, а в режиме ожидания он не настроен [3,34,56,65,66]. Также известны устройства, которые осуществляют настройку дугогасящего реактора как до замыкания на землю, так и в режиме замыкания, если в этом режиме происходит изменение емкостного тока из-за отключения каких-либо участков сети [52].
Техническая возможность применения тех или иных устройств определяется видом используемого дугогасящего реактора. Так устройства настройки после замыкания и в режиме замыкания на землю могут применяться только с дугогасящими реакторами, которые допускают изменение их индуктивности при протекании по ним тока. Такими являются реакторы, управляемые под-магничиванием постоянным током [65,66]. В сравнительно недавнее время предложено использовать в качестве дугогасящих реакторов ферромагнитные системы, работающие на принципе регулируемого самоподмагничивания. Такие реакторы использованы в системах, описанных в [3,56]. В работе [34] предложено аналогичное устройство — магнитно-вентильный реактор. Известны также предложения использовать реакторы с мелкоступенчатым регулированием, у которых число витков переключается тиристорными коммутаторами, или предложения [49], в которых регулирование индуктивности дугогасящего реактора заменяется регулированием емкости батареи конденсаторов, подключаемых параллельно последнему.
С точки зрения получения полезного эффекта, который дает точная настройка компенсации емкостного тока, можно предположить, что настройка дугогасящего реактора после возникновения замыкания может привести к некоторому снижению дугогасящих свойств компенсации емкостного тока, обусловленных замедлением восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги. При этом следует иметь в виду, что обрыв дуги может последовать через весьма малое время после пробоя изоляции, так как частота переходного емкостного тока, как известно, может превышать промышленную частоту в 20ч-100 раз. Дуга может погаснуть уже при первом переходе через ноль емкостного переходного тока замыкания, то есть через 0,14-0,5 мс после пробря. Уже к этому моменту дугогасящий реактор должен быть настроен по возможности точно в резонанс с емкостью сети. В [1] указывается, что фактор замедления восстановления напряжения на поврежденной фазе для успешного гашения дуги имеет даже большее значение, чем фактор снижения тока в месте повреждения и подчеркивается, что наиболее важно замедление восстановления напряжения в первый полупериод тока замыкания после пробоя. Естественно, что система управления дугогасящим реактором должна обеспечивать сохранение настройки близкой к резонансной" после обрыва дуги, чтобы обеспечить восстановление напряжения на поврежденной фазе без биений, благодаря чему ограничиваются перенапряжения на неповрежденных фазах при повторных зажиганиях дуги [2]. еделенным преимуществом настройки дугогасящего реактора после замыкания является ограничение резонансных перенапряжений, которые могут возникать при настроенном реакторе и появлении несимметрии проводи-мостеіГ фаз сети.
Применение дугогасящих реакторов, позволяющих изменять их индуктивность под током, дает возможность подстраивать реактор и в том случае, если в процессе длительного замыкания, из-за отключения линий сети произошло изменение суммарной емкости сети при сохранении замыкания. Такая ситуация может иметь место, когда в сети отсутствует достаточно совершенное устройство для автоматического обнаружения элемента с замыканием на землю, и поврежденный элемент отыскивается их поочередным отключением. Однако в соответствии с современными требованиями, распределительные сети должны оснащаться устройствами селективной сигнализации замыканий на землю. При наличии таких устройств, после возникновения замыкания на землю отключается автоматически или обслуживающим персоналом только поврежденная линия. После этого сеть переходит в режим нормальной работы, а дугогасящий реактор автоматически настраивается к новому значению емкости сети.
Промышленностью в настоящее время выпускаются дугогасящие реакторы, регулируемые изменением немагнитного зазора в магнитопроводе, и реакторы, регулируемые переключением числа витков. И те и другие реакторы не допускают их регулирования при протекании тока. Именно такие реакторы повсеместно находятся в эксплуатации в действующих электрических сетях.
Как уже упоминалось во введении, в данной работе была поставлена практическая задача - усовершенствования и разработки методов и средств контроля степени расстройки компенсации и автоматической настройки компенсации для широко распространенных в настоящее время дугогасящих реакторов.
Об одной особенности используемого метода измерения расстройки компенсации и коэффициента демпфирования
Индуктивное сопротивление дугогасящего реактора в систему вводится косвенно, с помощью датчика положения регулирующих элементов (блок 4). Далее формируется разность xL -хс, как мера отклонения настройки компенсации от резонансной.
Представляется, что приведенный вариант реализации метода наложения тока непромышленной частоты является слишком сложным и дорогостоящим. Все элементы, а именно фильтры, вычислительное устройство для операции деления, датчик положения регулирующих элементов дугогасящего реактора должны иметь высокую точность и стабильность. Это объясняется тем, что относительная погрешность в элементах, формирующих xL или хс, вызывает равную ей абсолютную погрешность определения разности xL-xc, то есть расстройки компенсации. Особенно сложно выполнить достаточно точный датчик индуктивного сопротивления дугогасящего реактора, поскольку механическая система перемещения подвижной части магнитопровода далеко не является прецизионной. Поэтому необходимо, чтобы датчик непосредственно фиксировал фактический немагнитный зазор.
Другой вариант реализации метода наложения тока непромышленной частоты иллюстрируется на рис. 1.12. Вспомогательный регулируемый источник непромышленной частоты I подключается к специальной дополнительной обмотке дугогасящего реактора. Напряжение, которое при этом возникает на контуре нулевой последовательности, измеряется с помощью трансформатора напряжения нулевой последовательности, выделяется фильтром 3 и далее используется в регуляторе напряжения 2, который поддерживает постоянным напряжение на емкости сети. Благодаря этому, ток II, протекающий по дугога-сящему реактору, пропорционален емкостной проводимости сети Ьс. Далее система строится как разомкнутая. Для этого ток II выделяется фильтром 4, преобразуется согласующим элементом 6 в величину, пригодную для управления применяемым дугогасящим реактором. В случае, если характеристика управления реактором нелинейная, то обязательным элементом системы является функциональный преобразователь 5, который обеспечивает в конечном счете линейную зависимость между током II и проводимостью дугогасящего реактора. Вьшолнение системы регулирования как разомкнутой безусловно не рационально, так как требует тщательной индивидуальной настройки элементов в канале управления-к каждому конкретному дугогасящему реактору.
Наряду со столь сложными реализациями метода наложения токов непромышленной частоты, представленными на рис. 1.11 и 1.12 в [28,69,72] предложена реализация этого метода с использованием источника с частотой равной половине промышленной, включенного последовательно в цепь дугогасящего реактора. При этом используется то обстоятельство, что напряжение на дугогасящем реакторе половинной частоты, при постоянном напряжении источника, определяется только расстройкой компенсации и не зависит от абсолютных значений емкости сети и индуктивности дугогасящего реактора.
Это следует из рассмотрения схемы замещения контура нулевой последовательности при д=0. UL= -_ (1.52) jo KL--— После некоторых преобразований получим, что абсолютное значение напряжения на дугогасящем реакторе равно иь=7 ІТ—Ї-- О-») " 1 ш + о то есть зависит однозначно от расстройки компенсации.
Опыт эксплуатации устройств основанных на наложении тока с частотой 25 Гц, в основном показал его работоспособность, и в то же время выявил ряд недостатков как функционального так и эксплутационного характера. Поэтому необходима постановка и проведение дополнительных исследований, направленных на улучшение характеристик, расширение функциональных возможностей, упрощение эксплуатации устройств, основанных на методе наложения токов непромышленной частоты.
Выводы
1. Ряд методов измерения степени расстройки компенсации, основанных на использовании электрических величин промышленной частоты (фазовый метод, метод сравнения напряжения на индуктивности и емкости) принципи ально подвержены влиянию случайного по модулю и фазе естественного на пряжения несимметрии, что в некоторых случаях может вызывать погрешно сти в настройке компенсации.
2. Метод, основанный на поиске экстремума и метод, основанный на мо дуляции коэффициента демпфирования сети принципиально не подвержены влиянию естественного напряжения несимметрии. Реализация экстремального метода затрудняется из-за резкого уменьшения производной зависимости на пряжения на нейтрали от расстройки компенсации и при увеличении коэффи циента демпфирования. Использование метода модуляции коэффициента демпфирования затруднено тем, что естественное напряжение несимметрии сильно влияет на абсолютные значения измеряемого в этом методе приращения фазы напряжения на дугогасящем реакторе.
3. Фазомодуляционный метод, используемый для устранения влияния естественного напряжения несимметрии в фазовом методе, принципиально позволяет достаточно полноценно решить задачу автоматической настройки компенсации.
4. Для улучшения работы устройств, основанных на любом методе, использующем сигналы промышленной частоты, в ряде разработок применяется модуляция амплитуды вводимого опорного напряжения, либо модуляция какого-либо параметра контура нулевой последовательности, что в определенной степени эквивалентно и близко по составу технических -средств наложению на сеть сигналов с частотой, отличающейся от промышленной.
5. Устройства, использующие метод наложения токов непромышленной частоты, принципиально не подвержены влиянию естественного напряжения несимметрии, так как могут быть отстроены от этого влияния с помощью частотных фильтров.
6. При наложении токов непромышленной частоты путем последовательного включения вспомогательного источника в цепь дугогасящего реактора, некоторые электрические величины, определяемые с рядом допущений, например напряжение на дугогасящем реакторе, однозначно определяются расстройкой компенсации и не зависят от абсолютных значений емкости сети и индуктивности дугогасящего реактора.
Функциональные схемы устройства измерения относительных параметров контура нулевой последовательности
Определять влияние на погрешность активных сопротивлений и проводи-мостей на фоне большой погрешности, вызываемой индуктивным сопротивлением заземляющего трансформатора бессмысленно. Поэтому сначала необходима рассмотреть возможные меры для устранения этой погрешности. Принципиально (методически) полное устранение погрешности, вызванной влиянием реактивного сопротивления заземляющего трансформатора, воз можно путем добавления к измеряемому напряжению ГЛ., величины пропорциональной падению напряжения на сопротивлении трансформатора с помощью фантомной схемы, приведенной на рис. Т. 19: Такой прием часто используется ъ подобных задачах {14]. В схеме (рис. 2.19.) сопротивление реактора XTAV, приведенное к числу витков его вторичной обмотки, должно быть равно
Схема для компенсации погрешности, вызываемой реактивным сопротивлением заземляющего трансформатора. Такой вариант компенсации погрешности, вызываемой влиянием сопротивления заземляющего трансформатора, по сравнению с предложенным в [69] подключением трансформатора напряжения к фазе сети, не создает на входе устройства постоянно приложенного напряжения равного вторичному фазному, что сильно затрудняет выполнение частотных фильтров.
Использование данной схемы для компенсации влияния реактивного сопротивления трансформатора эквивалентно тому, что напряжение снимается между точками ON" на схеме рис.2.18. Поэтому можно считать, что сопротивление трансформатора входит в величину — ив выражении для напряжения
Далее определим погрешность, вызываемую влиянием активных сопротивлений и проводимостей, исходя из того, что сопротивления IL И ГЗ практически при эксплуатации не меняются, а проводимость go принимается такой чтобы результирующий коэффициент демпфирования, определяемый всеми активными сопротивлениями и проводимостями был равен значению, которое принимается при расчете погрешностей.
Результирующий коэффициент демпфирования, определяется эквивалентной активной проводимостью контура нулевой последовательности относительно точек ON (рис.2.18). С учетом того, что (rL +r3X(— и в условиях опре bL деления погрешностей bi«bc, он может быть определен следующим образом
Ниже расчеты погрешностей проводим при значении d от 0 до 0,2 в указанной выше последовательности. При этом в условии, соответствующем точной настройке (2.51), следует также положить хз -0.
На рис.2.20 представлено семейство зависимостей абсолютной методической погрешности от частоты контрольного тока при rLn =0,011; Гзп -0,018 и трех значениях d=0,05; 0,1; 0,2. Прежде всего следует отметить, что в области частот контрольного тока, при которых обеспечивается однозначность измерения расстройки компенсации, при прочих равных условиях, погрешности больше при частоте ниже промышленной:. При этом наблюдается увеличение погрешностей при частотах, соответствующих v 0,5.
Это объясняется тем, что относительное значение проводимости go, которое имеет большее значение по сравнению с величинами rL и г3 , обратно-пропорционально частоте контрольного тока. Абсолютная погрепшость при значениях d=0,l не превышает 1,0% и поэтому в таких условиях не требуется применения каких-либо дополнительных мер для снижения влияния активных сопротивлений и проводимости. Это обстоятельство иллюстрируется на рис. 2.21, где приведены зависимости погрешности от d при двух значениях частоты контрольного тока.
Рассматриваемый вариант измерения расстройки компенсации через модуль напряжения на дугогасящем реакторе может обеспечить вполне прием 89 лемые результаты. Однако, как будет показано далее, он является неблагоприятным с точки зрения обеспечения достаточно низких аппаратных погрешностей при технической реализации и функциональной полноты решения задачи.
Зависимость погрешности измерения расстройки компенсации через модуль напряжения на дугогасящем реакторе от проводимости d: 1 -v=0,5;2 - v=2,0.
Далее рассмотрим измерение расстройки компенсации с использованием вещественной части напряжения на дугогасящем реакторе [69]. Предпосылкой для использования вещественной части для измерения расстройки компенсации является то обстоятельство, что эта составляющая совпадает с выражением для напряжения на дугогасящем реакторе в идеальной схеме, то есть при
Также как и при использовании модуля напряжения UL считаем, что влияние индуктивного сопротивления заземляющего трансформатора устранено.
Погрешности в этом случае рассчитываются в том же порядке, как и в предыдущем случае. Зависимость абсолютнойдогрепшости измерения расстройки от частоты контрольного тока при использовании вещественной части при 90 ведена на рис. 2.22.
При частоте контрольного тока выше промышленной погрепшости по сравнению с вариантом использования абсолютного значения напряжения увеличились примерно в 1,5-5-2 раза и знак погрешностей не изменился.
В этой области частот и характер зависимости погрешности от частоты также остается прежним. В области низких частот (v G,5) при любых значениях d погрешности отрицательны и имеют большие значения.
Существенным обстоятельством является то, что в области низких частот имеется значение частоты, при котором погрешности близки к своему минимальному значению при любом d. Зависимость погрепшости от d при двух значениях частоты приведена на рис.2.23.
Аналогично могут быть определены методические погрешности при ис пользовании модуля или вещественной части напряжения Uc. Как видно из схемы на рис.2.18. при принятых условиях измерения напряжений UL и Uc последнее будет равно Uc = 1 - UL.
Функциональная схема цифровой части системы
Для автоматической настройки дугогасящих реакторов устройство для измерения расстройки компенсации должно быть дополнено элементами для выработки и подачи соответствующих сигналов на их управляющие элементы. Как уже отмечалось, в настоящее время наибольшее практическое значение имеет разработка систем автоматической настройки для плунжерных дугогасящих реакторов, у которых изменение немагнитного зазора осуществляется встречным перемещением подвижных участков магнитопровода с помощью винтовой передачи. Последняя, через редуктор приводится во вращение трехфазным асинхронным двигателем. Для такой системы практически единственным вариантом является позиционное релейное управление, обеспечивающее в зависимости от подаваемых сигналов реверсивное управление электродвигателем.
Управление релейным элементом должно осуществляться непрерывным сигналом, пропорциональным расстройке компенсации. При этом должна обеспечиваться гистерезисная релейная характеристика с возможностью регулирования как уровня срабатывания (t cp), так и уровня возврата («воз) (рис. 3.21). Диапазон расстроек -DCP +DCP определяет зону нечувствительности системы регулирования. Значение и соотношение иср и ивоз при прочих равных условиях определяют точность и характер переходных процессов системы регулирования.
В системе регулирования с релейным элементом, имеющим характеристику по рис.3.21, объект регулирования или какой-либо промежуточный элемент должен иметь свойства интегратора с практически бесконечным временем сохранения выходной величины, обусловленной предыдущим событием управления, Позиционная (а) и временная (б) диаграммы релейного элемента. В данном случае таким свойством обладает сам плунжерный дугогася-щий реактор.
3 действие релейного элемента вводится некоторая задержка на время At прохождения сигнала управления при i)=ucp. Эта задержка вводится для отстройки от возможных кратковременных помех/Временная диаграмма работы релейного элемента при наличии задержки приведена на рис. 3.21.6.
Система автоматического регулирования, содержащая в своем составе релейные элементы относится к типу существенно нелинейных систем. Для таких систем разработаны различные методы их приближенного исследования. В данном случае аналитическое исследование системы регулирования дополнительно усложняется тем, что зависимость электромагнитного вращающего момента электродвигателя от частоты его вращения также является нелинейной.
В настоящее время прибегать к использованию трудоемких аналитических приближенных методов нет необходимости, так как существуют доступные программные системы, которые позволяют проводить исследования сложных динамических систем с точностью определяемой практически только заложенными в них математическими моделями. В данной работе для исследования и выбора некоторых параметров системы регулирования используется программа математического моделирования Multisim V.6 [70]:
Для проведения исследований система регулирования представлена в виде структурной схемы, показанной на рис. 3.22. Структурная схема системы- автоматического регулирования дугогасящего реактора.
В этой схеме звеном Ґ моделируется контур нулевой последовательности, а звеном 2 - измеритель компенсации, соединенные друг с другом по схеме рис. 3.23. . Схема модели для снятия результирующей переходной характеристики элементов: сеть - измеритель компенсации.
Переходный процесс изменения сигнала U0 при изменении соотношения проводимостей Ьсп и Ьщ определяется в основном измерителем расстройки компенсации. Это следует из сопоставления графиков зависимости U0 от времени при изменении скачком проводимости Ьсп в контуре нулевой последова 142 тельности (рис.3.24,а) и при изменении напряжения UL непосредственно на входе измерителя (рис.3.24,6). Графики переходных процессов получены на модели полной схемы аналоговой части измерителя компенсации, приведенной в приложении 3. Как видно, переходные процессы в этих двух случаях практически идентичны.
Постоянная времени этого звена Тф в основном определяется постоянной времени сглаживающих Г-образных фильтров на выходе разностного канала и канала напряжения UL. Постоянная времени этих сглаживающих фильтров должна быть достаточно большой в связи с тем, что постоянная составляющая на выходах фазочувствительных выпрямителей, которая несет информацию о расстройке компенсации может быть намного меньше переменной составляющей с основной частотой 50 Гц. Например, при и=0,01 и d—0,05 из выражения (2.20) получаем, что амплитуда вещественной части разностного сигнала примерно в 10 раз меньше амплитуды мнимой составляющей. Среднее же значение напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя еще в — раз меньше амплитуды вещественной части (3.3). Для выделения среднего значения при таких условиях даже при применении режекторного фильтра, настроенного на основную частоту пульсаций (см. схему в приложении 3), требуется еще дополнительно фильтр низкой частоты с достаточно большой постоянной времени.
