Устройство наложения контрольного тока
CURRENT APPLICATION CONTROL DEVICE

Уровень техники
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам наложения (инжекции) тока в составе устройств измерения и компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6…35 кВ. Задача подобных устройств сводится к созданию в контуре нулевой последовательности (КНП) сети искусственного возмущения кратковременного действия. При этом для получения достаточной амплитуды измеряемого напряжения (отклика на создаваемое возмущение) величина инжектируемого тока должна определяться степенью расстройки КНП, конфигурацией первичного оборудования, а также суммарными потерями сети.
Целью изобретения является повышение амплитуды измеряемых параметров и расширение области применения.
Известно устройство наложения на сеть напряжения непромышленной частоты [1], взятое в качестве первого прототипа, содержащее высокочастотный источник напряжения, подключенный через резистор к вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между землей и дугогасящим реактором (ДГР). Параллельно первичной обмотке трансформатора подключены два ключа разнополярной проводимости, которые, в свою очередь, управляются генератором пониженной частоты. Работа устройства основана на том, что управляемые ключи шунтируют высокочастотные импульсы поочередно положительной и отрицательной полярности, что эквивалентно вводу в КНП серий из положительных и отрицательных импульсов, которые заряжают суммарную емкость сети до амплитудного значения, формируя тем самым в КНП периодический сигнал произвольной формы.
Недостаток прототипа состоит в том, что для обеспечения работы устройства требуется дополнительное первичное оборудование в виде двухобмоточного трансформатора и высокочастотного источника напряжения, установочная мощность которых сравнима с мощностью самого реактора. Так как первичная обмотка трансформатора включена последовательно с ДГР, то ток реактора в режиме однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), протекая по первичной обмотке трансформатора, может вызвать работу в режиме трансформатора тока, что требует применения специальных мер для устранения перенапряжений на стороне высокочастотного генератора. Кроме того, шунтирование импульсов одной полярности приводит к несимметричному намагничиванию сердечника трансформатора и дополнительным потерям энергии в контуре инжекции, что ограничивает амплитуду отклика в КНП. Учитывая эти факторы, данное устройство не получило широкого применения в устройствах автоматики управления ДГР.
Известно устройство для измерения емкости сети с изолированной нейтралью [2], взятое в качестве второго прототипа, содержащее зарядный блок, подключенный своим входом к питающей сети 220 В, 50 Гц, конденсатор, подключенный через управляемый коммутатор к сигнальной обмотке дугогасящего реактора, который, в свою очередь, подключен к сети 6…35 кВ через стандартный нейтралеобразующий трансформатор напряжения. В нормальном режиме работы электрической сети конденсатор периодически заряжается от зарядного блока до фиксированного значения и разряжается через управляемый коммутатор на сигнальную обмотку реактора. При этом каждый разряд конденсатора сопровождается соответствующим зарядом емкостей фаз сети и смещением нейтрали, которое используется в качестве измеряемого напряжения для определения емкости сети. Кроме того, известны и другие устройства наложения опорного тока [3], работающие по схожему принципу, когда в сигнальную обмотку ДГР подается одиночный импульс через тиристорный или симисторный ключ с вспомогательного трансформатора напряжения.
Недостатком прототипов [2] и [3] являются недостаточная амплитуда измеряемого напряжения и тока.
Известно, что при подаче импульса опорного тока в КНП возникает возмущение пропорционально прикладываемой мощности к обмотке ДГР без учета нелинейности реактора и элементов сети. Для получения максимально точного результата измерений полезный сигнал возмущения должен значительно превышать уровень помех, обусловленных наведенными напряжениями в кабеле и собственными шумами сети. Так как конструктивно сигнальная обмотка выполнена достаточно тонким проводом (1,5-2 мм), то увеличение мощности опорного тока с одной стороны повышает требования к источнику наложения, а с другой может привести к повреждению сигнальной обмотки. На практике одиночный однополярный импульс напряжения, прикладываемый к сигнальной обмотке реактора, не может создать достаточного измеряемого напряжения при большой суммарной емкости сети (более 100 мкФ) из-за нелинейности и магнитных потерь реактора, потерь в подводящем кабеле, длина которого может составлять 100 и более метров. Дальнейшее увеличение мощности импульса приводит к заходу сердечника в область насыщения, что эквивалентно снижению индуктивности. При этом дальнейшее увеличение мощности импульса сопровождается увеличением потерь в токовых ключах, кабеле, сигнальной обмотке ДГР и, как следствие, повышением уровня электромагнитных помех без увеличения амплитуды отклика в КНП. Ситуация усугубляется в случаях, когда сеть работает в режиме объединения секций шин, когда в одной сети может работать до 8-10 параллельно включенных ДГР. Практика показывает, что при объединении секций и в режиме глубокой расстройки компенсации автоматика работает некорректно из-за недостаточной амплитуды отклика достаточной амплитуды на действие устройства наложения тока. Следует отметить, что вышеупомянутые прототипы не позволяют получить достаточный по амплитуде отклик в канале тока реактора даже в идеальных условиях, когда в сети один реактор и имеется предварительная настройка в резонанс. Это обстоятельство не позволяет получить полную информацию о параметрах сети, в частности индуктивности реактора и емкости сети.
Для устранения этих недостатков в сигнальную обмотку реактора предлагается подавать серию из нескольких импульсов разной полярности, частота следования которых внутри серии близка или равна собственной частоте КНП сети. В предлагаемом устройстве для наложения контрольного тока используются емкостные накопители со схемой заряда конденсаторов, подключенных параллельно сигнальной обмотке дугогасящего реактора через управляемые ключи. При этом алгоритм управления ключами определяется внешним устройством в соответствии с резонансными характеристиками контура нулевой последовательности. Инжектируемый в КНП ток в виде импульсов разной полярности, с одной стороны, позволяет устранить эффект одностороннего насыщения сердечника, а с другой, произвести симметричное возбуждение контура серией незатухающих колебаний. В своей работе устройство использует эффект «накачки», когда накопление энергии в резонансном контуре происходит путем многократного внешнего воздействия на него с частотой, близкой или равной собственной частоте. При этом энергия очередного импульса, прикладываемая к контуру, синфазно частоте собственных колебаний, будет увеличивать суммарную энергию контура до тех пор, пока энергия потерь в КНП не сравняется с энергией, получаемой КНП извне. На практике достаточно 3-8 импульсов для получения незашумленных измерительных сигналов в каналах напряжения несимметрии и тока реактора. В результате действия указанного эффекта происходит усиление контрольных сигналов напряжения и тока реактора пропорционально добротности КНП. Так, например, при добротности контура Q=4,8 и использовании 7 импульсов в серии получен эффект усиления контрольных сигналов более чем в 3 раза (см. фигуры 2 и 3) по отношению к одиночному импульсу.
Для пояснения принципа действия устройства на фигуре 1 приведена одна из возможных функциональных схем устройства. Схема содержит электрическую сеть с изолированной нейтралью напряжением 6-35 кВ с эквивалентными фазными емкостями присоединений Cx, нейтралеобразующий трансформатор 1, дугогасящий реактор 2, токоограничивающий резистор 3, полупроводниковые ключи 4 и 7 с блоком управления ключами 9, емкостные накопители 5 и 8, которые заряжаются до заданного уровня с помощью схемы заряда 10, при этом емкостной накопитель 5 заряжается постоянным напряжением положительной полярности, а емкостной накопитель 7 напряжением отрицательной полярности относительно заземленного вывода схемы.
Устройство работает следующим образом: в исходном состоянии емкостные накопители заряжены постоянным напряжением соответствующей полярности. В соответствии с алгоритмом, блок управления ключами 9 формирует начальный одиночный импульс для оценки собственной частоты контура и добротности по переходной характеристике по каналу напряжения КНП. Все последующие воздействия на сигнальную обмотку выполняются сериями разнополярных импульсов, где интервал следования, скважность и количество импульсов определяются внешним устройством в соответствии с измеренными параметрами сети: частоты собственных колебаний и добротности КНП. Использование описанного выше устройства совместно с внешним интеллектуальным устройством позволяет добиться увеличения измеряемых значений пропорционально добротности контура, что увеличивает полезную амплитуду измеряемых величин и, как следствие, достоверность результатов измерений. Кроме того, управляя скважностью и количеством импульсов внутри серии, устройство наложения позволяет простыми средствами регулировать действующее значение накладываемого тока инжекции в процессе возбуждения КНП, что также расширяет область применения устройства. Устройство может применяться в составе автоматики управления ДГР, а также переносных и стационарных измерительных приборах для оперативного контроля и измерения параметров КНП. Заявляемое устройство может быть использовано с любым типом дугогасящего реактора и может функционировать во всем диапазоне регулирования тока ДГР независимо от конфигурации сети.
Литература
1. А.с. 1453501 (Россия). Шулика Н.М., Сирота И.М., Богаченко А.Е., Масляник В.В., Гущин Е.Д. Устройство для наложения на сеть непромышленной частоты. Опубл. БИ 3, 23.01.1989.
2. А.с. 2169375 (Россия). Долгополов А.Г. Устройство для измерения емкости сети с изолированной нейтралью. Опубл. 20.06.2001.
3. Новый метод определения параметров сети. Журнал «Новости электротехники» №2 (92), 2015 г.